형상기억합금(shape memory alloy; SMA)은 소성가공을 통하여 원하는 형태로 변형시킨 이후에도(현재로서는 최대 10%미만의 변형) 일정조건의 열을 가하면 원래의 형상으로 복원되는 합금을 말한다. 형상기억효과는 고상(solid state)에서의 금속조직이 오스테나이트(austenite: 이하 A 또는 B2상)로부터 마르텐사이트(martensite: 이하 M 또는 B19'상)로, 다시 역으로 마르텐사이트에서 오스테나이트로의 변태에 기인되는 것으로 밝혀지고 있으며 이러한 변태는 온도유기변태(temperature induced transformation)와 응력유기변태(stress induced transformation)로 분류할 수 있다.(중략)
Ti-Ni합금은 CsCl구조의 B2상, monoclinic 구조의 B19'(M)상과 rhombohedral 구조의 R상(R)이 나타난다고 알려져 있고, 이들 상의 변태에 의해 열탄성 마르텐사이트와 응력유기 마르텐사이트에 의한 형상기억효과와 초탄성 효과를 가지고 있다. 또한 Ti-Ni 합금은 우수한 형상기억특성을 가질 뿐만 아니라 생체적합성, 가공성 및 내식성 등이 뛰어나 공업분야 및 생체분야에서 폭 넓게 활용되고 있다. Ti-Ni합금의 형상기억특성은 냉간가공 후 어닐링 처리의 온도와 시간에 따른 matrix 내 Ni의 농도, 석출물의 밀도와 크기, 전위밀도와 전위주위의 응력장에 의해 영향을 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Ti-Ni합금의 형상기억 특성 및 변태온도에 미치는 영향을 조사하기 위해 다양한 냉간가공률의 시료를 제작하여 다양한 온도에서 Annealing 처리를 하여 냉간가공률 및 Annealing 온도가 형상기억특성에 미치는 영향을 조사하였다. Ti-50.4 at.% Ni 합금은 진공 아크 용해로에서 용해 하였으며, 용해된 Ingot는 열간단조 및 열간 압출한 후 냉간 인발과 중간온도에서 어닐링을 반복하면서 직경 0.5mm의 선재로 만들었다. 최종적으로 제작한 선재의 냉간가공률은 9.5%, 18.2%, 34.5%, 45% 이었다. 각 시편은 5X10-5torr의 진공으로 석영관에 진공 봉입하여 각각 673K, 723K, 783K에서 1hr 열처리 하였다. 합금의 형상기억특성과 변태온도는 DSC에 의해 조사되었다. DSC 측정 결과, 냉간가공률이 증가함에 따라 마르텐사이트 변태 온도는 감소하였고, 어닐링 온도가 증가함에 따라 마르텐사이트 변태 온도는 증가하였다. 또한 가공률이 증가하여도 R상 변태온도는 큰 변화가 없었고, Annealing온도가 증가함에 따라 R상 변태온도는 감소하였다. 또한, 형상기억특성은 인장시험기를 이용한 정하중 열싸이클 테스트를 이용하여 평가 하였다. 냉간 가공률이 증가함에 따라 안정한 형상기억특성을 나타내었다.
The effect of deformation induced martensite transformation on the mechanical properties in austenitic stainless steel with high Mn was studied. ${\alpha}$'-martensite was formed by deformation in austenitic stainless steel with high Mn. Deformation induced ${\alpha}$'-martensite was formed with surface relief by cold rolling. With the increase of deformation degree, volume fraction of deformation induced martensite was increased rapidly in early stage of deformation and then, increased slowly. With the increase of deformation degree, hardness and tensile strength were rapidly increased with linear relations, while elongation was rapidly decreased and then slowly decreased. Hardness, tensile strengths and elongation were influenced strongly by deformation induced martensite.
Ti합금은 생체적합성이 우수하여 생체재료로 널리 사용되어 왔으며, 특히 Nitinol로 알려진 Ti-Ni합금은 형상기억특성 및 초탄성특성을 지녀 치열교정용 와이어나 혈관확장용 스텐트 등으로 사용되어 왔다. 최근 Ni과 같은 세포독성 합금원소의 용출가능성이 문제가 되어 Ni을 함유하지 않는 Ti합금이 주목받고 있다. 본 연구에서는 Ti-Nb-Ge 합금의 집합조직과 초탄성 및 기계적 특성의 관계를 고찰함으로써, 사용목적이나 요구특성에 부합되는 가공열처리방법을 도출하고자 하였다. 비소모전극식 진공아크용해장치를 이용하여 Ti-Nb-Ge 합금 버튼을 만들고, 이를 $1000^{\circ}C$에서 30분간 유지 후 얼음물에 급랭처리하였다. 이후 집합조직 제어를 위해 등속압연 및 이속압연의 두가지 방법으로 냉간압연한 후, $850^{\circ}C$에서 30분~2시간까지 열처리하였다. 광학현미경과 투과전자현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하고, X-선 회절분석법을 이용하여 집합조직을 분석하였다. 또한 순환식 인장시험을 통해 시편의 초탄성 특성 및 기계적 성질을 평가하였다. 등속압연재는 {001}<110>에서 {111}<110>에 이르는 $\alpha$-fiber가 발달하는 한편, 이속압연재는 {001} 및 {111}가 발달하는 것으로 나타났다. 또한 압연방향으로 <110>이 평행한 집합조직이 발달할수록 초탄성 특성이 높게 나타났다. 이는 응력유기 마르텐사이트 변태 시 $\beta$의 <110>방향이 $\alpha$" <010>방향으로 변할 때 길이가 증가하므로, 시편에 인장방향으로 <110>이 평행한 집합조직이 발달할수록 응력유기 마르텐사이트 변태가 용이해지기 때문인 것으로 사료된다.
The damping capacity and strength of Fe-2Al-26Mn alloys have been studied for the development of new materials with high strength and damping capacity. Particularly, the effect of ${\alpha}'\;and\;{\varepsilon}$ martensite phase, which constitutes the microstructure of cold rolled Fe-Al-Mn alloys, has been investigated in terms of the strength and damping capacity of the alloys. The damping capacity rises with increasing the degree of cold rolling and reveals the maximum value at 25% reduction. The damping capacity is strongly affected by the volume fraction of ${\varepsilon}$ martensite, while the other phases, such as ${\alpha}'$ martensite and austenite phase, actually exhibit little effect on damping capacity. Considering that tensile strength increases and elongation decreases with increasing the volume fraction of ${\alpha}'$ martensite, it is proved that tensile strength is mainly affected by the amount of ${\alpha}'$ martensite.
Transformation of austenite to martensite during cold rolling has been widely used to strengthen metastable austenitic stainless steel grades. Aging treatment of cold worked metastable austenitic stainless steels, including ${\alpha}'$-martensite phase, results in the further increase of strength, when aging is performed in $200^{\circ}C$ to $450^{\circ}C$ temperature range. The purpose of the present study was to evaluate the effect of time and temperature on the stress-strain behavior of cold worked austenitic stainless steels. The amount of ${\alpha}'$-martensite during cold working and aging was examined by ferrite scope and X-ray diffraction (XRD). During aging at $450^{\circ}C$ for 1hr, tensile strength dramatically increased by 150MPa. Deformed metastable austenitic steels containing the "body-centered" ${\alpha}'$-martensite are strengthened by the diffusion of interstitial solute atoms during aging at low temperature.
The tensile properties of high manganese austenitic stainless steel with the two phase structures of deformation-induced martensite and reversed austenite were studied. Reversed austenite with an ultra-fine grain size of less than $0.3{\mu}m$ was obtained by reversion treatment. The two phases structures of deformation-induced martensite and reversed austenite were obtained by an annealing treatment in the range of $500^{\circ}C-700^{\circ}C$ for various times in 70% cold- rolled high-manganese austenitic stainless steel. The volume fraction of the reversed austenite increased rapidly with increases in the annealing temperature and time. In the stainless steel with the two phases of austenite and martensite, the strength decreased rapidly, while the elongation increased slowly and then rapidly increased with an increase in the volume fraction of the reversed austenite. Therefore, the strength and elongation were strongly controlled by the volume fraction of reversed austenite. A good combination of high strength and elongation could be obtained by the mixed structure of reversed austenite and deformation-induced martensite.
The damping property of Fe-12Cr-22Mn-X alloys has been investigated to develop high damping and high strength alloy. Particularly, the effect of the phase of austenite, alpha and epsilon martensite, which constitute the structure of the alloys Fe-12Cr-22Mn-X alloys, on the damping capacity at room temperature has been investigated. Various fraction of these phases were formed depending on the alloy element and cold work degree. The damping capacity is strongly affected by ${\varepsilon}$ martensite while the other phase, such as ${\alpha}'$ martensite, actually exhibit little effect on damping capacity. In case of Fe-12Cr-22Mn-3Co alloy, the large volume fraction of ${\varepsilon}$ martensite formed at about 30% cold rolling, and in case of Fe-12Cr-22Mn-1Ti alloy, formed at about 20% cold rolling and showed the highest damping capacity. Damping capacity showed higher value in Fe-12Cr-22Mn-1Ti alloy than one in Fe-12Cr-22Mn-3Co alloy.
This study investigates the effect of thermo-mechanical treatment on the damping capacity of the Fe-20Mn-12Cr-3Ni-3Si alloy with deformation induced martensite transformation. Dislocation, ${\alpha}^{\prime}$ and ${\varepsilon}-martensite$ are formed, and the grain size is refined by deformation and thermo-mechanical treatment. With an increasing number cycles in the thermo-mechanical treatment, the volume fraction of ${\varepsilon}-martensite$ increases and then decreases, whereas dislocation and ${\alpha}^{\prime}-martensite$ increases, and the grain size is refined. In thermo-mechanical treated specimens with five cycles, more than 10 % of the volume fraction of ${\varepsilon}-martensite$ and less than 3 % of the volume fraction of ${\alpha}^{\prime}-martensite$ are attained. Damping capacity decreases by thermo-mechanical treatment and with an increasing number of cycles of thermo-mechanical treatment, and this result shows an opposite tendency for general metal with deformation induced martensite transformation. The damping capacity of the thermo-mechanical treated damping alloy with deformation induced martensite transformation greatly affect the formation of dislocation, grain refining and ${\alpha}^{\prime}-martensite$ and then ${\varepsilon}-martensite$ formation by thermo-mechanical treatment.
We examined the martensitic transformation kinetics for metastable stainless steel during electrochemical polishing (EP) using different types of electrolytes. Martensite fraction measured with EBSD showed that the electrolyte with high relative permittivity exhibited comparably higher levels of martensitic transformation. The amount of charge build-up on the specimen surface during EP with different types of electrolytes was calculated using COMSOL multiphysics simulations to understand these phase transformation characteristics. The effect of charge build-up-induced stress was analyzed using previously published first-principles calculations. We discovered that the electrolyte with high relative permittivity accumulated a greater amount of charge build-up, resulting in a stronger driving force for stress-induced martensitic transformation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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