1. 서 론
종래의 아몰퍼스 금속은 melt spin 법을 이용하 는 ~10-6 K/s의 높은 냉각 속도에서 겨우 ~10μm 두께의 얇은 리본 시험편만을 얻을 수 있었다(1). 이러한 냉각속도의 영향으로 인해 벌크 형태의 소재를 얻을 수 없었기 때문에 아몰퍼스 금속의 응용분야는 제한되어져 왔다.
최근, 다수의 다원계 합금계의 개발로 인해, 보다 낮은 냉각 속도에서 유리상 형성이 100 K/s
가능하게 되었고, melt casting과 water quenching(1)
을 이용한 벌크 형태의 소재 제작이 가능하게 되 었다 이로 인해 벌크아몰퍼스금속. (BAM)과 벌크 금속유리(BMG)를 구조용 재료로 적용을 위한 기 계적 특성의 연구가 활발하게 진행되어 오고 있 다. 따라서 지금까지는 주로 벌크금속유리의 미 소 변형기구 구성관계식의 전개에 중점이 두어, 져 왔다 그러나 새로운 합금계의 개발시에는 사. 용할 수 있는 시료의 체적이 여전히 다대하지 않 기 때문에, 이를 극복하기 위한 방안의 하나는 작은 체적에서 간편하게 평가가 가능한 압입시험 을 통한 기계적 특성 및 변형거동 (indentation test)
을 평가하는 것이다.
한편 유리상 금속은 낮은 온도 상온 에서 변형( ) 될 때 다결정 금속재료와 달리 자유체적의 연결, , 과 합체에 따른 전단띠(shear bands)가 최대 전단 응력면을 따라서 국부적으로 발생하고 이 전단, 띠의 전파로 인해 급작스런 파괴에 도달하는 비
다른 하중속도 조건에서 압입에 의한 벌크 금속유리의 변형거동
신형섭† 장순남*
Deformation Behavior of Zr-based Bulk Metallic Glass by Indentation under Different Loading Rate Conditions
Hyung-Seop Shin and Soon-Nam Chang
Key Words:
Bulk Metallic Glass (벌크 금속 유리), Dynamic Deformation (동적 변형), Shear전단 띠 폭발 압입 계면
Bands ( ), Explosive Indentation ( ), Interface Bonded Specimen(
접합 시험편법)
Abstract
Metallic glasses are amorphous meta-stable solids and are now being processed in bulk form suitable for structural applications including impact. Bulk metallic glasses have many unique mechanical properties such as high yield strength and fracture toughness, good corrosion and wear resistance that distinguish them from crystalline metals and alloys. However, only a few studies could be found mentioning the dynamic response and damage of metallic glasses under impact or shock loading. In this study, we employed a small explosive detonator for the dynamic indentation on a Zr-based bulk amorphous metal in order to evaluate the damage behavior of bulk amorphous metal under impact loading. These results were compared with those of spherical indentation under quasi-static and impact loading. The interface bonded specimens were adopted to observe the appearances of subsurface damage induced during indentation under different loading conditions.
회원 책임저자 안동대학교 기계공학부, ,
†
E-mail : [email protected]
TEL : (054)820-5675 FAX : (054)820-5495 회원 국방과학연구소
* ,
균일 변형(inhomogeneous deformation)을 나타내었 다 이 전단띠의 발생은 국부적인 단열변형에 따. 른 용융에 기인하였고, 그로인해 파면은 입맥형 상(vein pattern) 을 나타내는 것이 특징이었다.
저자 등의 지금까지의 연구결과에 따르면(2,3), 기 벌크금속유리에 대한 구형입자의 준정
Zr- WC
적압입을 통한 변형거동의 조사결과는 압입부주, 위에 다중 전단띠를 형성하면서 거의 완전 소성 유동거동을 나타냄을 확인할 수 있었지만, 입자 충격과 같은 104 s-1를 넘는 고 변형률속도 하에 서는 WC구의 충격압입입부 주위에 전단띠의 발 생없이 치핑과 스폴링의 발생만을 초래하여, 준 정적압입의 경우와 다른 변형 및 손상거동을 나 타내었다. 이러한 결과는 시험편 표면관찰의 결 과로서 재료 내부, (subsurface)에서 전단띠 발생거 동과 같은 손상거동에 대한 검토의 필요성을 제 기하였다.
그러나 벌크아몰퍼스금속의 동적 변형 거동에 관한 보고의 예는 많지 않고 실용 가능한 데이, 터는 제한적이다(4,5). 따라서 충격조건하에서의 벌 크 금속유리의 변형 및 손상거동의 파악이 구조 용에 적용을 위해 있어 필요하다 특히 재료내부. 에서 전단띠의 발생 및 손상거동에 관한 조사가 필요하다.
따라서 본 연구에서는 접합계면시험편 기법을, , 이용하여, Zr-기 벌크 금속유리(
)에 직경 3 mm의 WC구를 사용한 준정 적 및 충격 압입 시험, 그리고 직경 5 mm의
소형 기폭장치를 사용한 폭발압입
EBW (explosive
시험을 실시하여 벌크 아몰퍼스 금속 indentation) ,
의 변형시의 전단띠의 발생 및 파괴 거동에 미치 는 하중 부하속도의 영향을 조사하고자 하였다.
2. 실험방법
2.1 시험편
본 연구에는 을 구성원
소로 하는 시판의 Zr-기BMG 주물판재(Howmet, 를 사용하였다 구의 준정적 Inc.: Vitreloy) . WC
및 충격압입에는 두께 3.3mm의 주조판재를,
소형기폭장치 를 사용하는 폭
EBW (small detonator)
발압입에는 두께 16 mm의 주조블록을 사용하였 다 이때 시험편 내부에 발생한 변형 및 손상거.
동을 관찰하기 위하여 한 쌍의 시험편을 접촉한, 상태에서 하중을 가하는 계면접합시험편(interface
기법을 사용하였다 bonded specimen) (6).
구형입자의 압입실험 2.2 WC
의 준정적 압입 실험에는 유압식 만능 Zr-BMG
재료시험기(Instron 8516, Loadcell: 100 kN)를 사 용하였다. 시험편의 압입부 표면은 압입실험 후 전단 띠 발생의 관찰을 용이하게 하기 위해 경면 연마하였다. 한편 압입자로는 직경 3 mm의 WC 구를 사용하였다. 준정적 압입시험을 통하여 구 한 정적 경도 또는 Meyer경도는 시험편에 가한 압입 하중과 발생한 크레이트의 직경을 사용하여 다음과 같이 구하였다(7).
H=4P/ dp 2 (1)
여기서, P는 압입하중, d는 크레이트의 직경이다.
Zr-기 BMG 에 대한 변형 거동을 조사하기 위해서, 직경 3mmWC구를 이용한 입자충격실험은 30~250m/s 속도 영역에서 소규모 Air-gun을 사용하여 수행하였다(8).
입자충격실험시 시험편의 표면은 크레이 트 주위에서 전단 띠의 발생상황을 관찰하기 위하여 경면 연마하였다. 이때, W C 구의 충격속도는 총구 끝 에 설치한 두 개의 다이오드를 이용하여 비행시간을 측정함으로써 3%의 정도로 측정하였다. W C 구 충격 후 충격부의 손상 관찰에는 광학현미경과 전자현미 경을 사용하였다.
입자충격에 의해 형성된 크레이트
의 체적, Vcr 은 광학현미경으로 측정한
크레이트의 지름(d)으로부터 산하였다(7). WC 변형을 무시할만한 경도를 가진 재료이기 때문에, 크레이트의 체적은 충격입자의 운동에너 지, E와 시험편의 동적경도, Pd,와 다음과 같은 관 계로서 나타낼 수 있다(7). Z r -기 시험편에 WC구의 충 격이 가해지는 동안 동적경도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Pd= E / Vcr=0.5mV2/ Vcr (2) 여기서 m과 V는 각각 WC구의 질량과 충격 속도이 다. 구형입자 압입시 발생하는 평균 변형률은 크레 이트의 지름을 사용하여 계산될 수 있다(7).
=0.1d/R (3)
e
계면접합시험편법을 사용한 폭발압입시험 2.3
소형기폭장치의 경우 상당히 큰 폭발에너
EBW ,
지를 발생시키므로 5.5 mm x 8 mm x 27.8 mm의 치수를 갖는 시험편을 사용하였다. 시험편 표면 은 1 μm의 다이아몬드 페이스트까지 연마한 후 한 쌍의 시험편을 접착제를 사용하여 붙인 후 계 면이 있는 면을 다시 연마하여 가급적 틈새가 없 는 평면이 유지되도록 하였다.
한 쌍의 시험편을 바이스를 사용하여 체결하였 다 이때 시험편과 바이스 사이에. 6mm x 14 mm 크기의 금속 블록을 또한 시험편의 측
x 35 mm ,
면과 금속 블록사이에 테플론 시트를 삽입하였 다. EBW기폭장치를 시험편의 계면에 정확히 위 치시키기 위하여 접착제를 사용해서 고정하였다.
는 바이스에 시험편을 고정한 상태를
Fig. 1 (a) ,
는 소형기폭장치의 설치 사진을 보여준다
(b) EBW .
(a) (b)
Fig. 1 (a) Clamping for interface bonded specimen of Zr-based BMG, (b) experimental setup for the explosive indentation by small detonator.
실험 결과 및 고찰 3.
구의 준정적 압입에 의한 변형 3.1 WC
는 구를 사용한 준정적 압입시 얻어 Fig. 2 WC
진 압입하중과 표면에 형성된 크레이트 직경 사 이의 관계를 나타내고 있다. 압입부는 소성변형 을 일으켜 크레이트를 형성하였고, 압입 하중이 증가하면 크레이트 직경은 점차적으로 증가하였 다. 낮은 압입 하중에서는 Zr-BMG의 압입부에 소성 변형만을 가져왔고 압입하중이, 7 kN에 달 하면, 크레이트 주위에 전단띠의 발생이 시작되 었다 압입 하중의 증가와 더불어 전단띠의 발생. 은 더욱 현저해졌다. Fig. 3(a)는 15 kN과 20 kN 에서 압입시 크레이트 주위에 형성된 다중 전단 띠(multiple shear bands)의 발생양상을 나타내고 있다. 전단띠는 초기에는 크레이트 원주에 대하 여 45도의 각도로 한 방향으로만 발생하였으나, 압입하중이 더욱 증가하면 직교하는 형태로 발전
Fig. 2 Relationship between crater diameter and indentation load obtained by quasi-static indentation tests.
(a) (b)
Fig. 3 Appearances of shear bands developed by quasi-static indentation, (a) on surface at P=15kN and 2 0 k N , ( b ) o n surfaceandsubsurfaceatP=15kN.
하였고 그 후 바깥쪽에 원주방향의 다수 전단띠, 가 조밀하게 발생한 것을 볼 수 있다 그러나. 20 까지 압입하중이 증가하여도 크레이트 주위에 kN
스폴링(spalling)이나 파편의 탈락과 같은 손상은 발생하지 않았다. (b)는 15 kN에서 계면접합시험 편법을 사용한 시험편 내부에서 전단띠의 발생양 상을 나타내고 있다. 크레이트를 중심으로 원형 에 가까운 소성변형영역 크레이트 직경( (1.8mm)에 상당하는 깊 이 에 전 단 띠 가 형 성 되 었 고 크레이트) , 의 밑부분에는 방사형의 전단띠가 서로 교차하면 서 발생하였고, 이후에 크레이트를 중심으로 한 원형 전단띠가 조밀하게 발생하였다. 전단띠의 발생밀도는 깊이방향으로 갈수록 낮아졌다.
한편 식 (1)과 (3)을 사용하여 얻은 정적 경도 와 평균변형률의 관계는, 준정적 압입시험을 통 해 국부적인 압축조건하이지만 평균변형률 15 % 까지 큰 범위에 걸쳐 Zr-BMG의 소성변형 거동을 나타내었다(3).
이와 같이 Zr-BMG시험편에 준정적 압입은 시 험편의 표면에서는 크레이트 주위 좁은 영역에 걸쳐서 다중 전단띠의 발생을 가져왔고, 내부의 깊이방향으로는 표면에서의 소형변형역에 상당하 는 깊이까지 전단띠의 발생을 가져왔다.
또한 전단 띠는 압입부에 형성된 크레이트 주 위에 제한적으로 발생하였고 이것이 일축압축시, 험의 경우처럼 시험편의 단부까지 급속 진전하여 파단까지 이르지는 않았다 이것은 평면 응력 하. 에서 단축 압축 실험시 단일 전단띠의 전파에 의 해 일어나는 파괴 거동과는 다르다는 것을 의미 한다 이러한 다중 전단띠의 발생기구는 결국 벌. 크아몰퍼스 금속의 연성(ductility)증대 및 파괴저 항의 개선을 위해 이용되어야 할 변형기구임을 확인할 수 있다.
구의 충격압입에 의한 동적 변형 거동 3.2 WC
는 에 대해 직경 구를
Fig. 4 Zr-BMG 3 mm WC 사용한 입자충격 실험 결과, 시험편의 충격부에 서 생긴 크레이트 직경, d와 입자충격속도, v의 관계를 나타낸 것이다 충격 속도가 증가하면 크. 레이트 직경은 점차적으로 증가한다 특히 충격. , 속도가 150m/s를 넘어서면 크레이트 직경의 현저 한 증가를 나타내었다. 충격속도가 50 m/s 이상 으로 증가하는 경우 크레이트 내에 국부적인 에, 지 치핑(edge chipping)과 링 크랙(ring crack)이 발 생하였고, 190 m/s를 초과하면 크레이트 내에서, 스폴링의 확장을 가져왔다 마지막으로. , Fig. 5와 같이, V>200 m/s를 넘는 충격속도에서는 치핑과, 스폴링이 크레이트의 전 영역으로 확산되었고, 이러한 손상영역에서는 용융(melting)의 증거인 베인 형태(vein-like pattern)와 액체 방울(droplet)이 혼재되어 관찰되었다 이는. WC구 충격시 압입변 형은 크레이트내에 높은 온도상승을 가져왔고, 국부적인 용융에 의한 스폴링을 발생시켰다는 것 을 의미한다 이와 같이. , Zr-BMG에 대한 동적압 입의 경우, 충격속도에 의존하여 충격속도가 증, 가하면 충격부에는 전단띠의 발생보다는 응력파 의 전파거동에 의해 취성재료에서와 마찬가지로
Fig. 4 Relationship between crater diameter and impact velocity caused by WC ball impact tests.
Fig. 5 SEM fractography of crater caused by WC ball impact test at V=206.6m/s in Zr-BMG.
Fig. 6 Appearance of crater and shear bands on subsurface caused by WC ball impact test at V=106 m/s in Zr-BMG.
1 2
1 2
발생하는 치핑 혹은 스폴링이 지배적인 손상거동 으로 나타나고 이는 압입부 주위에 균일한 다중, 전단띠의 발생에 의해 탄소성변형을 나타낸 준정 적 압입의 경우와는 다른 거동이다. 입자 충격 시험에 사용된 30~250 m/s의 속도는 2x104~3.5x 104 s-1의 변형률 속도에 해당한다 크레이트의 소. 성변형을 나타내는 충격속도가 50m/s보다 낮은 영역만을 고려했을 때 변형률 속도는 약, 2x104 s-1에 해당한다. 이러한 스폴링 거동은 Zr-BMG 를 고속 관통자와 같은 용도로 사용할 경우 고, 속변형시 충격자 선단이 무뎌지는 현상(blunting) 대신에 스폴링에 의한 변형부의 제거를 통해 을 가져올 수 있다는 측면에서 벌크 re-sharpening
비정질금속의 관통자에 적용가능성을 보여준다.
입자충격과 같은 고변형률속도하에서 발생하는 전단띠의 발생양상을 관찰하기 위해 계면접합시, 험편 기법을 사용한 충격손상거동을 Fig. 6에 나 타내고 있다 충격부인 크레이트 아래 시험편 단. 면에는 크레이트를 중심으로 발생한 반경방향 전 단띠만이 교차하여 발생하는 것을 볼 수 있고, 준정적압입의 경우 발생한 원형 전단띠의 발생은 볼 수가 없었다. 따라서 Zr-BMG에 입자충격과 같은 고변형률속도의 충격하에서는, 접촉시간이 짧은 관계로 인해 자유체적의 합체에 따른 변형, 은 없고 대신 표면에는 취핑 스폴링과 같은 취, , 성재료에 유사한 손상을 가져올 뿐 시험편 내부 에도 소성변형은 비교적 작게 발생한다는 것을 알 수 있다.
폭발압입에 의한 의 변형거동
3.3 Zr-BMG
은 직경 를 갖는 소형 기폭장치를 사 Fig. 7 5mm
용한 폭발압입후의 Zr-BMG의 충격부의 손상양상 과 시험편내부의 손상거동을 나타내고 있다.
먼저 (a) 표면손상을 보면, EBW detonator의 직 경에 해당하는 면적에 크레이트가 형성되었다.
그러나 3.2절에서 언급한 입자충격의 경우와는 달리 크레이트 저면은, 원래의 시험편 표면보다 저하를 나타내지만, 크레이트 내부에는 특별한 손상은 발생하지 않았고 매끈한 표면을 유지하였 다 크레이트 가장자리부에는 링형상의 손상부가. 발생하였고 이것은 EBW의 폭발시의 충격으로 인한 치핑(chipping)에 의한 표면부의 결락이라고 생각된다 경우에 따라서는 원형크랙이 손상부를. 따라서 원형으로 발생하였지만 세라믹이나 금속
재료에서 발생하는 단부의 pile-up은 발생하지 않 았다 또한 원형크랙이 발달하여 시험편의 단부.
(a)
A
B
Part A
3 mm
(b) (a)
A
B
Part A
3 mm 3 mm
(b)
Fig. 7 Surface and side views in Zr-BMG specimen explosively indented by small detonator.
BAM No.1 x500
10µm 10µm
10µm
BAM No.1 x500
10µm 10µm
10µm
Fig. 8 Appearance of shear bands developed underneath of the significantly deformed zone in Zr-BMG explosively indented by small detonator.
1 2 3
2
10µm
2
10µm
3
10µm
3
10µm
1
10µm h
w 1
10µm h h
w 3.9 mm 6.4 mm 9.1 mm 10.8 mm
Fig. 9 Appearance of shear bands developed underneath of the significantly deformed zone in Zr-BMG explosively indented by small detonator.
까지 연결되어 발생하는 경우도 있었다. 소성변 형한 크레이트 주위에 shear bands 등의 발생은 관측할 수 없었다.
한편 Fig. 7 (b) BAM시험편의 접촉계면인 내부 에 발생한 손상은 3가지로 크게 나눌 수 있다. 먼저 콘크랙이 크레이트의 단부에서부터 발생하 여 내부로 갈수록 넓어지는 형태로 발달하였고, 표면부근의 접촉계면에는 콘크랙의 바깥부에 다 수의 전단띠가 표면과 45도의 각도를 이루면서 표면상의 크레이트주위 손상역에서부터 발생해 있는 것을 볼 수 있다 크레이트 직하부에는 검. 은색의 타원형 손상역(significantly deformed
이 존재하였고 그 깊이는 의
region) , 2.2~2.6 mm 범위에 있었다 이것은. EBW시험시 높은 폭발압 력의 작용으로 인한 계면에서 변형과 온도상승 의 결과로 국부적인 유동에 따라 나타나는 순간 적인 접합이 발생하여 계면분리시 발생하는 표면 손상에 기인하였다고 생각된다.
검게변한 영역의 아래부분에는 약간의 변형된 영역(slightly deformed region)이 콘크랙의 내부에 서 타원형 손상역을 포함하는 원형으로 발생하였 다. 이것을 고배율의 광학현미경에서 관찰한 결 과 촘촘히 발생한 짧고 가는 밴드가 전체적으로, 원형을 이루면서 발생하였다(Fig. 8). 그 간격은 의 충격면으로부터 거리가 멀어질수록 전단 EBW
띠의 밀도가 작아지면 넓게 발생하였고, 길이도 다소 증가하는 거동을 나타내었다. 3~7μm의 간 격을 가지는 것이 뒷면부근에서는 6~15μm의 간 격으로 넓게 되었다(Fig. 9).
한편 EBW 충격시험시 계면접합시험편의 뒷면 을 구속하지 않은 경우는 다른 손상양상은 동일, 하였으나 시험편 뒷면에서 폭발압축파의 반사에, 따른 스폴링이 발생하여 약 0.7 mm두께의 재료 탈락을 가져왔다.
4. 결론
에 직경 구를 사용한 준
(1) Zr-BMG 3 mm WC
정적 압입 시험 결과, 15%의 변형률까지 소성변 형거동을 나타내었다. 압입 하중 7 kN에서부터 압입부 주위에 전단띠가 발생하였고 압입하중의, 증가에 따라 다중 전단띠가 현저하게 발생하였 다 국부적인 구속조건에서. , Zr-BMG는 다중 전단 띠의 발생을 가져오면서 파단 없는 큰 변형을 나
타내었다.
직경 구의 충격 속도
(2) 3 mm WC 30~250 m/s 의 범위에서 동적 압입 결과, Zr-BMG는 충격속 도가 증가함에 따라 충격부에 소성 변형, 치핑 그리고 스폴링 등 다양한 파괴 (chipping) (spalling)
양상을 나타내었고 특히, , 200 m/s이상의 높은 충 격속도에서는 충격부 전 영역에 걸쳐 치핑과 스 폴링이 발생하였지만 시험편내부에 발생은 소성, 변형의 정도는 비교적 현저하지 않음을 알 수 있 었다.
시험편에 폭발압입시험결과 내부에
(3) Zr-BMG ,
발생한 손상은 크레이트의 단부에서부터 발생하, 여 내부로 갈수록 넓어지는 형태로 발달한 콘크 랙, 크레이트 직하부에는 검은색의 타원형 손상 역(significantly deformed region), 그리고 검게 변 한 영역의 아래부분과 콘크랙의 내부에 약간 변 형된 영역(slightly deformed region)의 미소 전단띠 의 발생을 포함하는 손상역으로 나눌 수 있었다.
특히 약간 변형된 손상영역의 관찰 결과 촘촘히, 발생한 짧고 가는 전단띠가 전체적으로 원형을 이루면서 발생하였고, 그 간격은 EBW의 충격면 으로부터 거리가 멀어질수록 전단띠의 밀도가 작 아지면 넓게 발생하였다.
후 기
본 연구는 한국과학재단 목적기초 연구사업중 지방대우수연구자사업(Grant No. R05-2003-000-
의 지원으로 수행되었습니다 또한
11614-0) . EBW
시험과 관련한 시료준비과정에 도움을 준 KAIST 재료공학부 김도경교수님께 감사를 드린다.
참고문헌
(1) Inoue, A., 2000, "Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys", Acta mater, Vol. 48, pp. 279~306.
(2) Shin, H., S., Ko, D. K. and Oh, S. Y., 2003,
"Deformation and Fracture Behavior of Strucutral Bulk Amorphous Metal under Quasi-static Compressive Loading, Trans, KSME A, Vol. 27, pp. 1630~1635.
참고문헌 일부 생략
[ ]
