Effect of Stress Ratio and Anisotropy on Fatigue Crack Propagation Behavior of AZ31B Magnesium Alloy

(1)

AZ31B 마그네슘합금의 피로균열성장에 미치는 응력비 및 이방성의 영향 Effect of Stress Ratio and Anisotropy on Fatigue Crack

Propagation Behavior of AZ31B Magnesium Alloy

김귀식․김명근․김현관․김충옥

K. S. Kim, M. K. Kim, H. K. Kim and C. O. Kim

(접수일 : 2010. 7. 7, 수정일 : 2010년 11월 2일, 채택확정 : 2010년 11월 8일)

Key Words：AZ31B Mg alloy(AZ31B 마그네슘합금), Stress ratio(응력비), Anisotropy(이방성), Fatigue Crack Growth(피로균열성장), Fractography(파단면)

Abstract：This study was to investigate the effects of stress ratio and anisotropy on Fatigue Crack Propagation(FCP) behavior of rolled magnesium alloy AZ31B. The experimental materials were a Mg-Al-Zn magnesium alloy. The FCP test was conducted on compact tension specimen by a servo-hydraulic fatigue testing machine in air at room temperature. Compact tension specimens were prepared from the extruded parallel and vertical rolling direction. The test condition was frequency of 10Hz and sinusoidal load stress ratios are 0.1 and 0.7. The FCP rates was automatically measured by a compliance method. In the case of the FCP of AZ31B, the FCP of both direction of LT and TL by anisotropy of specimens are almost same value. In lower stress ratio, the FCP of the LT, TL specimens are increased in lower  region but higher  regions are almost same value.

Finally, the result of observed the surface crack, it expressed the quasi-cleavage fracture in lower  region and straight mark on the aspect of the facet in high  region.

김귀식(교신저자): 제주대학교 기계공학전공 E-mail : [email protected], Tel : 064-754-3622 김명근 : 제주대학교 기계공학전공

김현관 : 제주대학교 대학원 기계공학전공 김충옥 : 제주대학교 대학원 풍력특성화협동과정

1. 서 론

마그네슘은 실용금속 중 가장 가벼운 금속으로 경량성 및 환경친화적인 리사이클 측면에서 우수한 특성을 가지고 있어 플라스틱을 대체할 수 있는 산 업분야의 부품소재로 매년 그 수요가 기하급수적으 로 늘어나고 있다.

마그네슘합금은 비중이 철강의 1/5, 알루미늄의 2/3로 대표적인 경량금속일 뿐 아니라 비강도가 우 수하고 기계가공성, 전자파 차폐특성을 가지고 있어 주로 자동차와 휴대용단말기 등의 구조재로 널리 이용되고 있다. 현재 구조용 재료로서의 마그네슘합 금은 다이캐스트 등의 주조품의 사용이 대부분이지 만 금속박판의 성형이 가능하고 경량성의 특징을 최대한 살릴 수 있는 압연재의 수요가 증가할 것으

로 기대하고 있다.^1,2)

현재 세계 각국에서 수송기기의 경량화를 위해 기존의 구조재를 대체할 새로운 재료에 대한 연구 가 활발하게 진행 중이며 대체품으로 가장 유력한 마그네슘합금에 대한 다양한 연구가 진행 중에 있 다. 그러나 가장 우선적으로 고려되어야 할 피로특 성에 대한 연구는 현재 미비한 실정이고 특히 강도 설계에 반영하기위한 피로특성은 충분한 연구가 되 어 있지 않은 상황이다.^3-6)

따라서 본 연구는 마그네슘합금 압연재 AZ31B에 대하여 응력비 R값과 재료의 이방성이 피로균열성 장에 미치는 영향에 대하여 검토 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 재료 및 시험편

마그네슘 합금은 Mg-Al-Zn 계와 Mg-Zn-Zr 계 의 두 종류로 나눌 수 있다. 본 실험에 사용한 재 료는 마그네슘합금 Mg-Al-Zn계인 AZ31B 압연재 로 그 화학 성분을 Table 1에 나타내었다. 실험으로

(2)

사용하는 AZ31B는 Al을 3%, Zn을 1% 함유한다.

Al은 기계적 성질을 개선하는 효과가 있으며 Zn은 내식성 및 강도를 개선하는 효과가 있다.

피로균열성장 시험편은 Fig. 1과 같은 형상 및 치 수로 가공한 CT 시험편이다. 압연재는 일반적으로 이방성이 있기 때문에 응력축과 압연방향과의 관계 가 중요하다. 따라서 압연방향과 응력축이 평행한 것을 LT재, 수직한 것을 TL재로 하여 두 종류의 시험편을을 제작하였다.

Fig. 1 Compact tension specimen

Fig. 2 Tensile test specimen

한편, 재료의 기계적 성질을 평가하기 위하여 인 장시험을 행하였다. 인장시험편은 Fig. 2와 같은 치 수로가공 하였으며 만능재료시험기(Zwick/Roell 1494

;10KN)를 사용하여 초기 변형률속도  ×^{ }sec 로 시행한 후, 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측 정하여 Table 2 및 Fig. 3에 나타내었다. 항복강도 는 0.2% 내력을 이용하여 구하였다.

Table 1 Chemical composition of AZ31B (wt.%) Al Zn Mn Si Fe Cu Ni ^other

2.5

~ 3.5 0.6

~ 1.4 0.2

~ 1.0 Max

0.10 Max 0.005

Max 0.04

Max 0.005

max 0.3

Table 2 Mechanical properties

_ (MPa)

_

(MPa)

Flongation (%)

LT 255.0 176.9 22.2

TL 256.2 177.6 22.5

2.2 실험방법

실험장치는 전기유압식 서보 피로시험기(EHF- ED10-20L; 10KN)를 사용하였다.

피로 균열 성장 시험에 있어서 CT시험편의 노치 부는 가공잔류응력을 방지하기 위하여 와이어컷 방 전가공기로 가공하였으며, 노치형상이 균열성장에 미치는 영향을 제거하기 위하여 노치선단에서 3 mm 예비균열을 발생시켰다. 본 실험에 있어서 부 하방식은 하중제어방식으로 하였으며 하중반복속도 10Hz의 정현파형으로 응력비 R=0.1과 R=0.7로 실 온, 대기 중에서 실험을 행하였다.⁶⁾

(a) LT

(b) TL

Fig. 3 Stress-Strain Curve

균열성장 길이는 컴플라이언스법에 의하여 자동 계측 하였으며 균열을 가진 시험편의 컴플라이언스

(3)

는 다음 식으로 정의된다.

 ≡ （ 

   

 (1)

여기서 a는 균열길이, W는 시험편 폭, P는 하중, V는 하중점 변위이다. 균열길이의 증가에 따른 에 너지 해방률 와 컴플라이언스 변화율 의 관 계는 (2)식으로 표현할 수 있다.

  

^



 (2)

여기에서 에너지 해방율 와 응력확대계수 의 관계는 (4)식과 같으며 (2)와 (3)식으로 유도된다.

^  (3)

여기에서 는 영률(Young`s modulus)이다.

   

^

^

 (4)

CT시험편을 예로 취하면 W, B, E가 일정하므로 위식은 아래와 같이 변형이 가능하다.



^  

 



^ (5)

(5)식에서

 ^^_^^^^^^{} ⁽⁶⁾

또는



 ^__^^_^^_^^^ ⁽⁷⁾



  _ __ __^__^ __^ __^(8)

_  ^_{  }

 (9)

컴플라이언스에 의한 균열길이는 위 (8), (9)식에 의해 환산하였고 그 계수들을 Table 3에 나타내었 다.

는 아래와 같은 식을 얻을 수 있다.

  ^

 

   ^

   

    ^

 ^ ^

Table 3 Regression coefficient

_ _ _ _ _ _ 1.0010 -4.6695 18.460 -236.82 1214.9 -2143.6

3. 결과 및 고찰

3.1 컴플라이언스와 균열길이와의 관계

Fig. 4는 균열길이와 컴플라이언스와의 관계를 나 타낸다. 균열길이와 컴플라이언스와의 관계를 보면 모든 시편에서 서로 같은 양상을 보이고 있으며 R

= 0.1인 경우 균열길이가 28 mm에서 35 mm까지는 서서히 증가하다가 그 이후부터 급격히 증가하는 양상을 보이고 있다. R=0.7인 경우에는 0.1일 때와 같은 양상을 보이고 있으나 균열길이가 35 mm부근 에서 파단이 일어났다.

Crack langth (mm)

26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

Compliance (mm/N)

0 2.0x10^-4 4.0x10^-4 6.0x10^-4 8.0x10^-4 10^-3 1.2x10^-3 1.4x10^-3 1.6x10^-3

LT(R=0.1) LT(R=0.7)

(a)

Crack langth (mm)

25 30 35 40 45

Compliance (mm/N)

0 2.0x10^-4 4.0x10^-4 6.0x10^-4 8.0x10^-4 10^-3 1.2x10^-3 1.4x10^-3 1.6x10^-3

LT(R=0.7) TL(R=0.7)

(b)

Fig. 4 Relationships between compliance and crack length

(4)

3.2 응력비 R값에 따른 피로균열성장 특성 응력비를 0.1과 0.7에서 AZ31B의 피로균열성장속 도를 Fig. 5에 나타낸다.

Fig. 5에서 LT재 TL재 모두 R=0.7의 경우가 R=0.1의 경우보다 저영역에서 피로균열성장속 도가 크며 고영역으로 갈수록 응력비의 영향이 줄어드는 경향을 보이고 있다. 그 증가폭이 LT재가 TL재 보다 크다. 고응력비가 저응력비보다 피로균 열성장속도가 가속되는 것은 균열닫힘(crack closure) 현상 때문이다.

한편, 이방성의 영향에 대하여는 동일한 응력비 R=0.1의경우 피로균열성장속도가 TL재가 LT재보다 약간 크며 R=0.7의 경우는 LT와 TL이 비슷하다.

ΔK (MPa· m^1/2)

2 3 4 5 6 7 8 9 20

1 10

Crack growth rate da/dN (m/cycle)

10^-8 10^-7 10^-6

R=0.1(LT) R=0.1(LT) R=0.7(LT) R=0.1(TL) R=0.7(TL)

Fig. 5 FCP rates of the AZ31B alloy

Fig. 6과 Fig. 7은 응력비에 따른 피로성장특성을 비교하기위해 송⁷⁾의 R=0.1, 0.75에서의 결과와 小野⁸⁾의 R=0.05, 0.3에서의 결과를 함께 나타내었다.

Fig. 6의 LT재의 경우 송의 R=0.1은 실선, R=0.75는 점선으로 나타내었고 小野의 LT재에 대한 R=0.3은 파선, R=0.05는 일점쇄선으로 나타내었고 Fig. 7의 TL재에 대한 R=0.3은 이점쇄선, R=0.05는 이점 점 선으로 나타내었다. 두보고 모두 균열닫힘으로 인한 응력비에 따른 균열성장속도의 차이를 보이고 있으 며 저응력비의 경우가 고응력비의 경우보다 고 영역으로 갈수록 균열닫힘으로 인한 영향이 줄어들 어 응력비의 영향이 줄어드는 경향을 보이고 있다.

한편, 小野의 결과에 비해 본 실험의 피로균열성 장속도가 가속되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 실험에 사용된 응력비의 차이에 의해 나타난 차이 점으로 판단된다. 또한 小野의 보고에 사용된 재료

가 AZ31M으로 합금의 종류에 의해 피로균열성장 속도가 다르게 나타나는 것으로 판단된다. 송의 결 과와 비교해본 결과로는 피로균열성장속도가 조금 가속되어 있으나 비슷한 경향을 보이고 있다.

Fig. 6 Effect of Stress Ratio of on FCP rates of the AZ31B alloy (LT)

Fig. 7 Effect of Stress Ratio of on FCP rates of the AZ31B alloy (TL)

3.3 재료의 이방성에 대한 피로균열성장속도 재료의 이방성이 피로균열성장 특성에 미치는 영 향을 알아보기 위하여 LT재와 TL재의 실험을 실시 한 결과를 Fig .8과 Fig. 9에 나타내었으며 小野의 실험결과를 함께 나타내었다.

그 결과로서 재료의 이방성에 대한 피로균열성장속 도에 미치는 영향은 R=0.1에서는 저하에서는 TL 재가 LT재보다 약간 크나 고하에서는 비슷해지 는 양상을 보이고 있으며 R=0.7에서는 LT재, TL재 양방향 모두 비슷한 양상을 보이고 있다. 또한, 재료 의 이방성에 대한 영향은 적은 것으로 판단된다.

(5)

小野의 결과에서도 마찬가지로 재료의 이방성에 대한 영향은 적은 것으로 나타났다.

한편, 3.2절에서 언급한 것처럼 小野의 결과보다 피로균열성장속도가 가속되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8 Effect of anisotropy of on FCP rates of the AZ31B alloy (LT)

Fig. 9 Effect of anisotropy of on FCP rates of the AZ31B alloy (TL)

3.4 파단면 관찰

Fig. 10은 피로시험 종료 후 SEM을 이용하여 관 찰한 파단면의 형상으로서 저영역에서는 준벽 개파면(quasi-cleavage fracture)양상이 나타났으며 고영역에서는 직선을 가진 패싯(facet) 양상이 나타났다.

패싯(facet) 양상은 곧고 평행한 균열표면이 나타 나는 것이 특징이며 준벽개파면 양상은 금속의 결 정립이 균열표면에 나타나는 것이 특징이다. Fig.

10 (a)와 (c)를 보면 R=0.1일 때 이 양상이 뚜렷하 며 고영역에서는 LT재가 TL재 보다 패싯(facet)

   ∙ ^    ∙ ^

(a) LT(0.1)

   ∙ ^    ∙ ^

(b) LT(0.7)

   ∙ ^    ∙ ^

(c) TL(0.1)

(6)

   ∙ ^    ∙ ^

(d) TL(0.7)

Fig. 10 SEM images of fatigue fracture surface

이 뚜렷히 나타나며 Fig. 10 (b), (d)를 보면 R=0.7 일 때는 저영역에서는 준벽개파면 양상을 보이 고 있으며 고영역에서는 패싯(facet)이 나타나 고 있으나 R=0.1보다는 그 양상이 덜한 것으로 나 타났다.

4. 결 론

경량금속인 마그네슘합금 압연재 AZ31B에 대한 재료의 이방성과 응력비가 피로균열성장에 미치는 영향을 조사하기 위하여 LT, TL재의 CT시험편을 이용하여 응력비 R=0.1과 0.7에서 피로균열성장속도 를 측정한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 재료의 이방성에 관한 피로균열성장속도는 응 력비 R=0.1의경우 TL재가 LT재보다 약간 크며 R=0.7의 경우는 LT재와 TL재가 거의 같다.

2. 균열성장속도의 자동계측을 위한 컴플라이언스 와 균열길이와의 관계는 이방성과 응력비에 관계없 이 동일한 거동을 나타내었다.

3. 피로균열성장속도에 미치는 응력비의 영향은 R=0.7의 경우가 R=0.1의 경우보다 저영역에서 피로균열성장속도가 크며 고영역으로 갈수록 응력비의 영향이 줄었고 그 증가폭이 LT재가 TL재 보다 크다.

4. 피로 파단면은 재료의 이방성에 관계없이 저

 영역에서는 준벽개파면(quasi-cleavege fracture surtacl)이 고 영역에서는 패싯(facet) 양상이 나 타났다.

참고 문헌

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