비정질 합금의 피로 변형 거동과 전기적 특성 변화 간 상관관계 고찰

Abstract

기존의 결정성 재료보다 월등히 높은 강도 및 탄성을 나타내는 비정질 합금의 실제 산업적 적용을 위해서는 급격한 파단의 원인이 되는 취성의 극복이 필요하다. 일반적으로 비정질 합금의 소성 변형과 파단은 전단띠의 생성과 급격한 전파에 의하여 일어난다고 알려져 있지만, 전반적인 변형에서 전단띠 및 free volume의 거동 원리는 아직까지 정확히 밝혀지지 않았다. 따라서, 비정질 합금의 제한된 소성능을 극복하기 위해서는 변형 기구를 명확히 규명하는 것이 필수적이다. 물질이 응력에 노출되면 그에 상응하는 변형을 보이게 되는데, 비정질 합금의 경우 변형을 구성하는 요소는 탄성, 비탄성, 점탄성, 소성으로 나눌 수 있다. 이 중 탄성 영역의 응력 조건에서 발현되는 점탄성 변형은 비정질 합금 내부의 free volume 및 원자들의 분포에 일정부분 변화를 주어 기계적 특성의 변화가 나타날 수 있음이 보고된 바 있다. 본 연구에서는 먼저 비정질 합금의 소성 변형에 의해 Free volume의 분율이 상대적으로 높은 전단띠 및 전단면이 비정질 기지에 형성됨에 따라 재료의 저항이 증가한다는 기존 결과에 기초하여 굽힘 시험을 통해 전단띠 밀도가 증가함에 따라 전기 저항의 크기가 비례하여 증가하는 것을 확인하였다. 이와 더불어 점탄성 변형 거동을 유발할 수 있는 굽힘 피로 시험과 동시에 전기 저항을 측정하여 피로 cycle 횟수가 증가함에 따라 비정질 합금 시편의 국부적 국소 영역에 free volume의 확장을 일으켜 나타나는 전기적 특성의 변화를 관찰하였다. 하지만 점탄성 변형 구간의 피로 시험에서는 육안으로 전단띠의 형성이 확인되지 않아서, 변화된 구조 분석을 위하여 XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) 분석이 추가적으로 수행되었고 그 결과로 피로가 진행됨에 따라 비정질 합금 내부의 원자 결합이 바뀌며 free volume이 증가하는 경향, 부연하면 보다 무질서한 구조로 변화한다는 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 피로 파단이 일어난 파단면의 관찰을 통해 피로 균열의 성장 속도 및 방향을 확인하였고, 이를 바탕으로 리본 형상의 비정질 합금 시편에서 균열이 전파되는 과정과 전기 저항의 변화를 함께 설명하고자 하였다. 이러한 결과는 실제 사용 환경에서 비정질 합금의 저항 변화 모니터링을 통하여 비정질 합금의 변형 정도 (재료 내부의 free volume 분포 및 밀도 변화)를 측정할 수 있는 가능성을 보여준다. 또한, 다양한 응력 조건에서의 점탄성 변형 거동 및 전단띠 거동에 관한 체계적인 고찰을 통하여 비정질 합금의 변형 기구에 관한 이해의 폭을 넓힐 수 있을 것으로 사료된다.

주요어 : 비정질 합금, 피로 변형 거동, 자유 부피(free volume), 전기 저항 측정, 구조-특성간 상관관계