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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.10 pp.583-589
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.10.583

Effect of Stress on the Damping Capacity of Damaged Damping Alloy under Fatigue Stress

Myeong-Soo Lee1, Ye-Na Lee2, Ki-Woo Nam2 and Chang-Yong Kang1†
1Dept. of Metallurgical Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea
2Dept. of Materials Science and Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea
Corresponding author
E-Mail : metkcy@pknu.ac.kr (C.-Y Kang, Pukyong Nat'l Univ.)
August 6, 2018 September 14, 2018 September 15, 2018

Abstract


This study investigates the effect of fatigue stress on the damping capacity in a damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-2Si-4Co damping alloy under fatigue stress. α’ and ε-martensite forms by fatigue stress in the damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-2Si-4Co damping alloy under fatigue stress. The α’ and ε-martensite forms with the specific direction and surface relief, or they cross each other. With an increasing fatigue stress, the volume fraction of α’-martensite and ε-martensite increases. With an increasing fatigue stress, the damping capacity increases with an increase in the volume fraction of ε-martensite. The increase in the damping capacity in the damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-2Si-4Co alloy under fatigue stress strongly affects the increase of ε-martensite formed by fatigue stress, but the damping capacity of the damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-2Si-4Co damping alloy under fatigue stress is strongly controlled by a large amount of α’-martensite.



피로손상된 제진합금의 감쇠능에 미치는 피로 응력의 영향

이명수1·이예나2·남기우2·강창룡1†
1부경대학교 금속공학과,
2부경대학교 재료공학과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    소음과 진동은 다양한 형태의 인적, 물적 등의 손실을 초래하고 있기 때문에 이에 대한 규제는 갈수록 강화되 고 있고, 또한 이러한 규제로부터 벗어나기 위한 다양 한 노력들이 이루어지고 있다. 뿐만 아니라 관련 산업 분야에서는 노동환경의 개선, 상품의 고부가 가치화, 쾌 적한 생활환경의 추구 및 기기 또는 장치 등의 안정성 과 장수명화 등을 위해 소음과 진동의 저감 또는 억제 에 대한 요구도 크게 높아져 가고 있다.

    현재 소음과 진동을 저감 또는 억제하기 위해 공업적 으로 이용되고 있는 방법으로서는 시스템(system), 구조 (structure) 및 재료 감쇠(material damping)법 등이 있다. 그러나 진동체에 감쇠계수가 큰 댐퍼 등을 외부에 설치 하는 등의 시스템 법은 설계상의 제한성 및 제품의 경, 박, 단 소화 등이 어렵고, 구조 감쇠법은 강판과 고분 자 재료와의 접착성, 가공성 및 용접성 등에서 문제가 있어 공업적 이용 측면에서는 제한적이다. 때문에 최근 에는 내부마찰계수가 큰 금속재료를 소음과 진동원에 적 용하는 재료 감쇠법이 감쇠효과가 클 뿐만 아니라 가공 성과 부착성 등이 우수하여 많이 활용되고 있고, 이에 대한 연구도 많이 수행되어 오고 있다.1-7)

    일반적으로 금속재료는 그 재료의 화학성분 그리고 동 일 화학성분을 갖는 재료라 할지라도 그 재료가 갖는 조 직 등에 따라 강도 등의 기계적 성질과 진동과 소음에 대 한 감쇠능이 달라지게 진다.3,4) 또한 제진재료는 강도, 가 공성, 제진에 의한 주파수 의존성, 온도 의존성 등이 낮 을수록 유리하다고 알려져 있지만8) 이러한 여러 성질들 을 모두 만족하는 재료를 만들기는 대단히 어렵다. 한 편, 금속재료는 강도가 높아지면 감쇠능이 낮아진다.9) 때 문에 강도와 감쇠능의 조합이 우수한 구조용 재료로서 활용가능성이 높은 제진합금의 개발이 요구되고 있다. 뿐 만 아니라 강도와 감쇠능이 우수한 제진합금을 개발하 여 진동원에 적용하드라도 가공유기 마르텐사이트 변태 를 일으키는 합금이면 하중를 지속적으로 받거나 또는 주기성을 갖는 싸이클 형태로 받게 되면 하중의 크기와 시간의 경과 등에 따라 미세조직이 달라지게 되어 기계 적 성질과 감쇠능 등이 달라지게 되다.10) 때문에 강도와 감쇠능의 조합이 우수한 제진합금 개발뿐만 아니라 사 용범위 확대와 사용상 안정성 등을 확보하기 위해서도 다양한 조건하에서의 연구가 필요하다.

    따라서 본 연구에서는 강도가 비교적 높고 가공성과 감 쇠능이 우수한 Fe-22Mn-12Cr 합금에서 고용강화에 의한 강도 향상과 내식성, 적층결함에너지를 낮춤으로서 ε-마 르텐사이트 형성을 용이하게 하여 감쇠능을 높이기 위 해 3 % Ni, 2 % Si 그리고 4 %의 Co가 첨가된 합금을 제작하였다. 그리고 이 합금에서 응력의 크기를 달리한 피로시험을 행하여 재료를 손상시킨 다음 가해진 응력 크기에 따른 미세조직 변화를 조사함과 동시에 기계적 성질 변화를 함께 조사하였다.

    2. 시료 및 실험 방법

    2.1 시료

    Fe-22%Mn-12%Cr-3%Ni-2%Si-4%Co의 화학조성을 갖 는 시료는 먼저 고주파 진공 용해로에서 목적성분으로 용해한 다음 1,200 °C에서 열간압연하고 1,050 °C에서 고 용화 열처리 등을 행하여 20 mm 두께의 판재로 만들어 사용하였고, 그 화학 조성과 기계적 성질을 Table 12 에 나타낸다.

    2.2 피로손상 시험

    시료를 피로 손상시키기 위한 피로시험은 평행부 길이 가 50 mm 크기인 ASTM E-8의 규격을 따라 인장시험 편으로 만든 다음 이 시료가 갖는 항복강도의 약 30 % (σmax = 105 MPa), 50 %(σmax = 175 MPa) 및 70 %(σmax= 245 MPa) 크기의 응력에서 응력비 R = 0.1의 정현파, 주 파수는 10 Hz로 하여 5 × 105 cycle 까지 하는 피로시험 을 행하여 시료를 손상 시켰다.

    2.3 미세조직 관찰

    용체화 처리된 시료와 응력 크기를 달리하여 피로 손 상시킨 시료의 미세조직을 광학현미경으로 관찰 하였고, 피로손상 된 시료에서의 미세조직을 보다 상세히 조사 하기 위하여 주사전자현미경과 투과전자현미경으로도 관 찰하였다. 이 때 투과전자현미경 관찰은 시료를 먼저 연 마와 정마과정을 통하여 약 80 μm두께를 갖는 직경이 3 mm 크기의 시편으로 만든 다음 jet polishing 하여 박 막으로 만들어 200 kV 가속전압의 투과전자현미경(JEOL JEM 2010)으로 조사하였다.

    2.4 X선 회절시험

    용체화처리 된 시료와 피로손상된 시료가 갖는 미세조 직의 체적분율은 X선 회절시험에 의해 측정하였다. 이 때 X-선 회절시험은 Mo-Kα 특성 X선을 사용하여 1°/ min의 속도로 10~80° 사이의 범위를 회절시험 하였고, 이 시험에서 얻은 회절선도로부터 얻은 각상에 해당하 는 피크의 상대 적분강도 값을 사용하여 체적분율을 측 정하였다.11)

    2.5 감쇠능 측정

    감쇠능은 용체화처리한 시료와 피로손상시킨 시료를 방 전가공하여 1 × 10 × 80 mm 크기를 갖는 시험편으로 제 작한 다음 횡 형 진동법을 이용하는 진동감쇠능 측정장 치를 사용하여 내부 마찰계수를 측정하는 방법으로 측 정하였다. 이 방법은 시험편에 자유진동을 가한 후 시간 에 따른 진동의 진폭변화를 potentiometer로 감지하고, 이 를 증폭기와 A/D converter를 통하여 digital 신호로 변 환시켜 컴퓨터에 입력한 후 noise는 filtering 하여 제거 하고 얻은 결과를 계산용 프로그램에 입력하여 stress와 strain에 따른 대수감쇠율(δ = 1/n ln A0/An, 여기서 n: 파수, A0: 최초 파의 진폭, An: n번째 파의 진폭)을 구 하는 방법이다.12)

    3. 결과 및 고찰

    3.1 미세조직 관찰

    Fig. 1은 본 연구에 사용된 Fe-22%Mn-12%Cr-3%Ni- 2%Si-4%Co의 조성을 갖는 용체화처리 한 시료의 미세 조직을 광학현미경으로 나타낸 것이다. 부분적으로 쌍정 들이 존재하고 있는 오스테나이트 조직에 마르텐사이트 조직이 함께 존재하고 있는 것을 확인 할 수 있다. 또 한 이 시료에서 마르텐사이트의 양은 약 24 % 정도로 나타났다.

    Fig. 2는 피로손상된 시료의 미세조직을 조사하기 위 하여 용체화처리 한 시료를 5 × 105 cycle, f = 10 Hz 및 R = 0.1 그리고 175 MPa 크기의 응력(이 재료가 갖는 항 복응력의 약 50 % 크기)으로 피로 손상시킨 다음 미세 조직을 광학현미경으로 나타낸 것이다. 피로손상 시키기 위해 가해진 응력에 의해 오스테나이트 조직의 일부가 마르텐사이트 조직으로 변태되는데 기인하여 오스테나이 트 조직에 용체화처리 한 시료인 Fig. 1에서 보다 많은 량의 마르텐사이트가 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 피로손상 된 시료에서도 가해진 응력에 의해 오 스테나이트가 마르텐사이트로 변태되는 것을 확인 할 수 있다.

    Fig. 3은 피로손상된 시료에서 생성되는 마르텐사이트 를 보다 상세히 조사하기 위하여 Fig. 2 시료의 미세조 직을 주사전자현미경으로 나타낸 것이다. 피로손상시키기 위해 가해진 응력에 의해 오스테나이트 조직의 일부가 마르텐사이트 조직으로 변태되어 있는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 마르텐사이트는 변형을 수반하는 가공에 의 해 생성되는 마르텐사이트와 동일하게 표면기복을 일으 키며, 특정한 방향성을 띄면서 그리고 부분적으로는 서 로 교차하며 생성되는 것을 확인 할 수 있다.4)

    일반적으로 상온에서 오스테나이트 조직을 갖는 합금 을 가공하면 가공 시 가해지는 응력과 변형에 의해 FCC (면심입방정) 결정구조를 갖는 오스테나이트의 일부가 BCT(체심정방정) 결정구조를 갖는 α'-마르텐사이트와 HCP (조밀육방정) 결정구조를 갖는 ε-마르텐사이트로 변태되 는 것으로 알려져 있다. 또한 이들의 변태거동은 화학 조성, 가공온도 및 결정립크기 등에 따라 달라지는 이 들 재료가 갖는 오스테나이트 조직의 안정도와 가공량, 응 력의 크기 등에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다.13,14) 뿐만 아니라 이 때 생성되는 α'-마르텐사이트는 주로 이 재료의 기계적 성질에, ε-마르텐사이트는 감쇠능에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.15) 따라서 이러한 마 르텐사이트의 변태 거동을 조사하는 것은 중요하다.

    Fig. 4는 시료를 5 × 105 cycle, f = 10 Hz, R = 0.1 및 175 MPa 크기의 응력 조건으로 피로손상 시킨 시료에서 생성된 α'-마르텐사이트를 투과전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 여기서 사진 a)는 상을 암시야상으로 나 타낸 것이고, b)는 암시야상으로 나타낸 상의 제한시야 회절 패턴과 이를 분석하여 나타낸 것이다. 오스테나이 트의 일부가 체심입방정의 결정구조를 갖는 α'-마르텐사 이트로 변태되어 오스테나이트 조직에 α'-마르텐사이트가 존재하고 있는 것을 확인 할 수 있다.

    Fig. 5는 역시 피로손상 시키킨 시료에서 존재하는 ε- 마르텐사이트를 조사하기 위하여 Fig. 4의 시료에서 존 재하는 다른 영역의 미세조직을 투과전자현미경으로 관 찰하여 나타낸 것이다. 역시 사진 a)는 상을 암시야상으 로 나타낸 것이고, b)는 암시야상으로 나타낸 상의 제한 시야회절 패턴과 이를 분석하여 나타낸 것이다. 이 결 과로부터 조밀육방 결정구조를 갖는 ε-마르텐사이트가 생 성되어 오스테나이트와 함께 존재하고 있는 것을 확인 할 수 있다.

    이상의 미세조직관찰 결과로부터 오스테나이트 조직의 일부가 피로손상 시키기 위해 가해진 응력에 의해 마르 텐사이트 조직으로 변태되고, 이때 마르텐사이트는 방향 성을 지니고 그리고 서로 교차면서 표면 기복을 일으키 며 생성되고 있는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 가해 진 응력에 의해 서로 다른 결정구조를 갖는 두 종류의 ε-마르텐사이트와 α'-마르텐사이트가 모두 생성되어 존재 하고 있는 것을 알 수 있다.

    3.2 미세조직과 감쇠능에 미치는 응력크기의 영향

    Fig. 6은 피로손상 시키기 위해 가해진 응력크기가 미 세조직에 미치는 영향을 조사하기 위하여 응력크기를 달 리하여 피로손상 시킨 시료에서 존재하는 미세조직의 체 적분율을 조사하여 나타낸 것이다. 피로손상 시키기 위 해 가해진 응력에 의해 오스테나이트 조직의 일부가 α' 및 ε-마르텐사이트 조직으로 변태되고 또한 가해진 응력 의 크기가 증가할수록 오스테나이트 조직이 α' 및 ε-마 르텐사이트로 변태되는 양이 많아지는데 기인하여 α' 및 ε-마르텐사이트는 많아지고 상대적으로 오스테나이트의 양 은 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 가해진 응 력이 증가함에 따라 α'-마르텐사이트의 양은 빠르게 증 가하는데 반하여 ε-마르텐사이트의 양은 서서히 증가하 고 있고, 응력 크기에 따른 그 차이 또한 크지 않은 것 을 확인 할 수 있다. 뿐만 아니라 이 결과로부터 재료에 가해지는 응력에 의해서도 마르텐사이트가 생성되고, 응 력 크기가 증가할수록 마르텐사이트가 많이 생성되고 있 는 것을 알 수 있으며, 이는 가공유기 마르텐사이트변 태를 일으키는 응력의 영향을 연구한 다른 연구결과와 도 잘 일치하는 것을 알 수 있다.16)

    Fig. 7은 피로 손상된 시료에서 피로손상 시키기 위해 가해진 응력크기에 따른 감쇠능 변화를 조사하여 응력 크기에 대해 나타낸 것이다. 피로손상 시키기 위하여 가 해진 응력에 의해 내부마찰계수가 증가하고, 피로손상 시 키기 위해 가해진 응력의 크기가 증가함에 따라 내부마 찰계수가 서서히 증가하다 응력의 크기가 항복응력의 30 % 이상이 되면 약간 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 이유는 Fig. 6의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 피로손상 시키기 위해 가해진 응력 에 의해 오스테나이트 조직의 일부가 마르텐사이트 조 직으로 변태되고, 피로 손상시키기 위해 가해진 응력의 크기가 증가할수록 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조 직으로 변태되는 양이 많아지기 때문이라 판단된다.7,15)

    3.3 감쇠능에 미치는 미세조직의 영향

    상온에서 오스테나이트조직을 강을 가공하면 오스테나 이트 조직은 결정구조가 다른 α'-마르텐사이트와 ε-마르 텐사이트로 변태될 뿐만 아니라, 그 변태거동에 따라서 기계적 성질과 감쇠능이 등이 크게 달라지는 것으로 알 려지고 있다.10,15) 뿐만 아니라 본 연구에서도 피로손상 시킨 시료에서 두 종류의 마르텐사이트가 생성되고 있 고, 가해진 응력 크기에 따라 생성되는 양도 서로 달라 지고 있는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 감쇠능도 달 라질 것으로 판단된다. 따라서 이 들 미세조직과 감쇠 능과의 관계를 조사하였다.

    Fig. 8은 응력의 크기를 달리하여 피로손상시킨 시료 의 감쇠능에 미치는 α'-마르텐사이트의 영향을 조사하기 위하여 응력의 크기를 달리하여 피로손상 시킨시료의 감 쇠능과 α'-마르텐사이트 체적분율과의 관계를 조사하여 나 타낸 것이다. α'-마르텐사이트의 양이 많아질수록 감쇠능 은 서서히 증가하다 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.

    Fig. 9는 응력의 크기를 달리하여 피로손상시킨 시료 의 감쇠능에 미치는 ε-마르텐사이트의 영향을 조사하여 나타낸 것이다. ε-마르텐사이트의 양이 많아질수록 감쇠 능은 직선적인 비례 관계로 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 이 결과로부터 피로손상시킨 시료의 감쇠 능은 피로손상시키기 위해 가해진 응력에 의해 생성되 는 ε-마르텐사이트에 크게 영향을 받고 있다는 것을 확 인 할 수 있다.

    Fig. 10은 응력 크기를 달리하여 피로손상시킨 시료의 감쇠능에 미치는 피로손상 시키기 위해 가해진 응력에 의해 생성된 α'-마르텐사이트와 ε-마르텐사이트를 더한 전 체 마르텐사이트 체적분율과의 관계를 조사하여 나타낸 것이다.

    감쇠능은 두 마르텐사이트를 더한 전체 마르텐사이트 의 양이 많아 질 수록 서서히 증가하다 빠르게 증가하 고 있으며 이러한 거동은 응력크기를 달리하여 피로손 상시킨 시료의 감쇠능에 미치는 α'-마르텐사이트의 영향 과 비슷한 것을 알 수 있다. 또한 이러한 이유는 이전 의 Fig. 6, 89로부터 알 수 있는 바와 같이 본 연구 에서 피로손상 시키기 위해 가해진 응력에 의해 생성된 ε-마르텐사이트는 10 % 이하로 적은량이 생성되지만 α'- 마르텐사이트는 ε-마르텐사이트보다 많은 20 % 이상 생 성되고 있는 것을 알 수 있다. 때문에 피로 손상된 시 료가 갖는 감쇠능은 양이 적은 ε-마르텐사이트 보다는 양 이 많은 α'-마르텐사이트에 더 크게 영향을 받았기 때 문이라 판단된다. 따라서 이러한 결과로 부터 피로손상 된 시료에서 감쇠능이 증가는 피로손상시 가해진 응력 에 의해 생성되는 ε-마르텐사이트에 영향을 받고 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 피로손상된 그 재료가 갖는 감 쇠능은 양이 많은 α'-마르텐사이트에 지배를 받고 있다 는 것을 알 수 있다.

    4. 결 론

    응력의 크기를 달리하여 피로손상 시킨 Fe-22Mn-12Cr- 3Ni-2Si-4Co 제진합금의 감쇠능에 미치는 피로응력의 영 향을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 파로손상 시키기 위해 가해진 응력에 의해 α' 마 르텐사이트와 ε-마르텐사이트가 생성되었다.

    • 2) 마르텐사이트는 방향성을 띄고, 표면기복을 일으키 며, 부분적으로 서로 교차하며 생성되었다.

    • 3) 피로손상 시키기 위해 가해진 응력의 크기가 증가 함에 따라서 생성되는 α' 및 ε-마르텐 사이트의 양은 증 가하였다.

    • 4) 피로손상 시킨 시료에서 가해진 응력의 크기가 증 가함에 따라 감쇠능은 증가하였다.

    • 5) 피로손상된 재료에서 감쇠능의 증가는 피로손상시 생성된 ε-마르텐사이트에 크게 영향을 받았다. 그러나 그 재료가 갖는 감쇠능은 α'-마르텐사이트에 지배되었다.

    Figure

    MRSK-28-583_F1.gif

    Optical micrograph of Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy.

    MRSK-28-583_F2.gif

    Optical micrograph of fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni- 4Co-2Si damping alloy. Fatigue stress : 175 MPa.

    MRSK-28-583_F3.gif

    SEM micrograph of fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni- 4Co-2Si damping alloy. Fatigue stress : 175 MPa.

    MRSK-28-583_F4.gif

    TEM micrograph showing the α'-martensite in fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy. a) Dark field image b) SADP and indexing of SADP.

    MRSK-28-583_F5.gif

    TEM micrograph showing the ε-martensite in fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy. a) Dark field image b) SADP and indexing of SADP.

    MRSK-28-583_F6.gif

    Effect of stress on the volume fraction of each phases in fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy.

    MRSK-28-583_F7.gif

    Effect of stress on the logarithmic decrement in fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy.

    MRSK-28-583_F8.gif

    Effect of α'-martensite on the logarithmic decrement in fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy.

    MRSK-28-583_F9.gif

    Effect of ε-martensite on the logarithmic decrement in fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy.

    MRSK-28-583_F10.gif

    Effect of α'+ε-martensite on the logarithmic decrement in fatigue damaged Fe-22Mn-12Cr-3Ni-4Co-2Si damping alloy.

    Table

    Mechanical properties.

    Chemical compositions(wt%).

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