형상기억합금은 어떻게 원래 모양으로 돌아가나요?

Question

니켈-티타늄 합금을 구부려도 가열하면 원래 모양으로 돌아간다고 합니다. 오스테나이트와 마르텐사이트 상변태 때문이라고 하는데 이해가 되지 않습니다. 소성변형과는 어떻게 다른지 궁금합니다. 초탄성 효과와 형상기억 효과의 차이도 헷갈립니다. 실제로 쓰이는 제품에는 무엇이 있는지도 알고 싶습니다. 조교는 치과 교정용 와이어에도 쓰인다고 했습니다. 열처리 온도에 따라 성질이 달라지는지도 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

일반 금속의 소성변형은 원자 층이 미끄러지며 원자들이 새 이웃과 결합하는 변화라 되돌아가지 않아요.

니켈-티타늄은 저온의 마르텐사이트 상태에서 결정이 서로 반대로 기운 층(쌍정)으로 이뤄져 있어요. 힘을 주면 결합이 끊어지지 않고 이 층들의 기울기 방향만 한쪽으로 정렬되며 모양이 바뀌어요. 가열해 고온의 오스테나이트가 되면 배열이 한 가지뿐이라 원자들이 원래 자리로 돌아가요.

사용 온도가 변태 종료 온도보다 낮으면 형상기억 효과가 나타나요. 구부린 채로 있다가 가열해야 원래 모양으로 돌아와요. 사용 온도가 더 높으면 평소에는 오스테나이트 상태예요. 힘을 줄 때만 마르텐사이트로 바뀌고, 힘을 빼면 가열 없이 바로 펴지는 초탄성이 나타나요. 치과 교정 와이어는 초탄성을 이용해 크게 휘어도 약하고 일정한 힘으로 치아를 밀어 줘요.

열처리 조건은 이 변태 온도를 바꿔요. 보통 500℃ 안팎에서 모양을 고정하는데, 온도와 시간에 따라 미세 석출물의 양이 달라져 변태 온도가 수십 ℃씩 움직여요. 그래서 같은 소재로도 혈관 스텐트, 안경테, 배관 이음쇠에 맞는 성질을 골라 만들어요 :)

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

형상 기억합금은 아시다시피 고온에서는 안정적인 오스테나이트 구조, 저온에서는 마르텐사이트 구조를 가집니다.

고온에서 기억할 모양을 지정한뒤 차갑게 식히면 구조가 변화하는데 이 저온 상태에서는 원자들 사이의 결합이 끊어지는 것이 아니라 격자의 구조가 미끄러지는 형태로 변형이 일어나는것 입니다. 그래서 다시 열을 가하면 원자들이 격자를 따라 원래 위치로 되돌아가는 형태로 모양을 회복하는 것 입니다.

원자결합이 영구적으로 뒤틀려 손상되는 일반 소성 변형과 달리 격자구조만 일시적으로 변화하는 거라 원형 회복이 가능한 것 입니다.

형상기억효과는 변형 후 열을 가해야 복원이 되지만 초탄성 효과는 별도의 가열없이 힘을 빼는 즉시 고무처럼 원래대로 돌아온다는 차이가 있습니다.

치과 교정용 와이어와 안경테 등은 체온이나 실온에서 초탄성이 유지되도록 만든 제품 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

형상기억합금은 고온의 오스테나이트 상에서 결정 구조를 기억시킨 뒤 저온의 마르텐사이트 상에서 변형을 가해도 가열 시 결정 격자의 결합이 깨지지 않고 원래 구조로 복원되는 원리를 가집니다 일반 금속의 소성변형은 원자층끼리 미끄러져 격자가 영구적으로 파괴되는 반면 형상기억합금은 격자가 파괴되지 않고 접혔다 펴지는 변형 쌍정 과정을 거쳐 상변태 온도 이상으로 열을 가하면 원상복구됩니다. 상변태 온도 이하에서 열을 가해야 복원되는 형상기억 효과와 달리 상변태 온도 이상에서 변형을 주었다가 힘을 빼는 즉시 고무처럼 되돌아오는 성질을 초탄성 효과라고 부르며 두 효과는 작용 온도 구간에 차이가 있습니다 실제 제품으로는 상온 초탄성을 활용한 치과 교정용 와이어와 안경테 형상기억 효과를 이용한 인공위성 안테나 온도 감지 밸브 혈관 스텐트 등이 있으며 열처리 온도와 시간에 따라 오스테나이트 변태 온도가 변하므로 제품의 작동 환경에 맞추어 상변태 특성을 정밀하게 조절합니다