KR100354837B1

KR100354837B1 - 금속재료의 균열길이 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100354837B1
Application number: KR1020000004271A
Authority: KR
Inventors: 김상식; 장우길; 진병진; 현용택
Original assignee: 대한민국(관리청:특허청장, 승계청:경상대학교총장); 한국기계연구원; 김상식; 진병진; 장우길
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2002-10-05
Also published as: KR20010076858A

Abstract

본 발명은, 금속 시편에 소정의 인장력(P)을 가한 후, 발생되는 시편의 균열길이(a)를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 시편에 전류를 공급하여 초기 전압(V₁)을 측정하여 열유도 보정하여 보정된 전압(V₀)을 유지시키고, 시편에 인장력(P)을 가하여 시편이 균열됨에 따라 변화된 전압(V₂)을 측정하여 열유도 보정하여 보정된 전압(V₃)을 유지하여, 이 보정된 전압(V₀,V₃)을 기초로 시편의 균열길이(a)를 측정하는 금속재료의 균열길이 측정 방법을 제공한다. 또한, 본 발명에 의하면, 시편의 넓이(w)당 균열길이(a)가 a/w = -0.5051+0.8875*(V₃/V₀)-0.1398*(V₃/V₀)²+0.0002398*(V₃/V₀)³의 관계를 만족한다.

Description

금속재료의 균열길이 측정 장치 및 방법{CRACKLENGTH MEASURING DEVICE AND METHOD OF METALLIC MATERIALS}

본 발명은 금속의 파괴인성 시험 및 피로 균열성장 실험에서 균열길이를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 기존에 행해지는 파괴인성(K) 및 피로 균열(a) 성장 실험에서는 측정되는 시험편의 균열길이를 측정하기 위해서, 시편 표면에 심도가 깊은 광학 현미경을 설치한 후 균열이 성장함에 따라 현미경을 이동시켜 그 길이를 측정하고 있다.

그러나, 이러한 균열길이 측정 방법은 시편에 대한 현미경 이동방향의 평행 정도와 현미경 작동자의 개인차에 의해 오차의 확률이 증가되어, 정확한 균열길이값을 얻기 어려운 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서는 리플(ripple) 0.05% 이하의 정전류 공급장치와 증폭률 10000배의 고성능 증폭기를 이용하여 시편 넓이의 대략 0.1% 미만의 분해능을 갖는 데이터를 획득하고, 획득된 데이터를 재 분석함으로써, 장시간이 소요되는 피로 균열성장 시험시 수시로 균열길이를 측정해야 하는 실험의 단점을 극복할 수 있는 금속재료의 균열길이 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.또한, 시편의 형상 및 실험 조건(진공, 수용액, 고온 및 저온)에 대한 객관적인 균열 길이 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 균열길이 측정시험에 사용되는 시편을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 측정 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도,

도 3은 본 발명의 컴퓨터에 의해 수행되는 데이터처리의 순서를 나타낸 블록도이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 본 발명은 파괴인성 및 피로균열 시험시, 균열길이를 측정하기 위해 시편에 전류를 공급하는 파워서플라이와, 시편의 균열시험이 진행됨에 따라 센서에 의해 시편으로부터 감지되는 전압신호를 증폭하는 증폭기, 이 증폭기로부터의 신호를 이용하여 시편의 균열길이에 해당하는 전압을 결정함과 더불어 소정의 프로그램에 의해 열유도 보정 (및 전류 전압보정(reference)) 후 파괴인성값 또는 da/dN-ΔK 그래프의 형태로 출력시키는 계산기(컴퓨터)를 구비하여 구성된다.

따라서, 시험자는 정확하게 보정된 시험값을 얻을 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 의하면 상기 측정 데이터 및 계산값은 컴퓨터에 저장될 수 있으며, 이 저장된 데이터를 이용하여 차후 시험을 재분석할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 설명한다.

도 1은 균열시험에 사용되는 시편을 나타낸 도면이다. 도면에 있어서, 시편(10)은 소정 두께(B)와, 넓이(w)를 갖는 바, 도시생략된 장치에 의해 인장력(P)이 상하 방향으로 작용함에 따라 균열(a)이 증가된다.

도 2는 본 발명에 따른 측정 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도로, 상기 시편(10)에 전류를 인가시키는 파워서플라이(20;정전류 공급장치)와, 전압이 인가된 시편(10)의 소정 지점으로부터 전압신호를 감지하는 센서(21), 이 센서(21)의 신호를 증폭하는 증폭기(22) 및, 이 신호를 처리하여 균열길이(a)와 파괴인성값(K)을 계산하는 컴퓨터(23)를 구비하여 구성된다. 도면에 있어서, 이점쇄선은 파워서플라이(20)로부터 시편(10)으로의 전원 인가를 나타내고, 실선은 변하는 균열길이(a)에 따라 시편(10)에서 측정된 전위차 데이터가 컴퓨터(23)로 전달되는 것을 나타내며, 점선은 열유도 전압보정을 위해 컴퓨터(23)에서 파워서플라이(20)로 인가되는 신호를 나타낸다. 한편, 미설명부호 24는 컴퓨터로의 신호입출력을 위한 터미널이다.

한편, 상기 파워서플라이(20)는 리플율이, 바람직하게는 0.05% 이하이고, 5A~30A의 전류를 공급하고, 상기 증폭기(22)는 증폭률이 10000배인 고성능 증폭기를 이용한다.또한, 센서(21)는 24비트 이하이고, 16Hz 이상의 속도이며, 필터링 기능을 갖는다.

바람직하게는, 상기 측정시스템은, 시편 넓이의 대략 0.1% 미만의 분해능으로 데이터를 습득한다.

이하, 균열시험의 진행에 따라 본 발명을 설명한다.

우선, 상기 시편(10)에 반복하중(예컨대, 20Hz)을 인가한다. 이에 따라 시편(10)은 소정시점(t₀)에서 균열되기 시작한다.

한편, 상기 파워서플라이(20)에 의해 시편(10) 양단에 전압이 공급되고, 상기 센서(21)에 의해 시편(10) 양단에서 전압(V₁)이 측정된다. 예컨대, 이 전압(V₁)은 시편(10)의 a/w비가 0.241일 때 측정한다.

이 측정된 전압(V₁)은 일시적으로 컴퓨터(23)의 메모리에 저장된다. 이어서, 상기 컴퓨터(23)는 상기 파워서플라이(20)를 구동시켜 극성이 바뀐 전압(-V)을 인가하고, 상기 센서(21)에 의해 이 전압(-V)은 다시 센싱되며, 상기 전압(V₁)에 대한 열유도 보정을 행하여 초기전압(V₀)을 얻는다. 예컨대, 보정식(보정된 전압=초기측정전압-{초기측정전압+극변환후 측정된 전압}/2)에 의해 초기측정 전압(V₁)이 200V 이고 극변환후 측정된 전압(-V)이 -200V이면, 열유도 보정된 전압(V₀)은, 200V가 되고, 초기 측정된 전압(V₁)이 200V이고 극변환 후 측정된 전압(-V)이 -180V이면, 열유도 보정된 전압(V₀)은 190V가 된다.

이어서, 상기 시편(10)에 가해지는 하중(P)을 증가시켜 균열길이(a)를 증가시킨다. 다시, 상기 센서(21)를 이용하여 소정시점(t₁)에서 시편(10) 양단의 전압(V₂)을 감지하고, 상기 과정을 통해 이 전압(V₂)을 보정하여 보정된 전압(V₃)을 얻는다.

이상과 같이 2시점(t₀,t₁)에서 측정된 전압(V₁,V₂)의 열유도 보정된 전압(V₀,V₃)를 얻으면, 이하의 관계식(1)과 관계식(2)에 의해 균열실험 후 소정시점(t₁)에서의 균열길이(a) 및 파괴 인성값(K)을 얻을 수 있게 된다.

여기서, 관계식(1)은 a/w = -0.5051+0.8875*(V₃/V₀) - 0.1398* (V₃/V₀)²+0.0002398*(V₃/V₀)³이고, 관계식(2)는 K = P/(B*B_nw)*f(a/w)(여기서, f(a/w) = ((2+a)/w)/(1-a/w)^3/2*[0.886+4.64*(a/w)-13.32*(a/w)²+14.72*(a/w)³-5.60*(a/w)⁴])이다.

한편, 균열시험의 진행중, 상기 센서(21)는 시편(10)의 균열에 따른 전압변화를 소정 시간간격으로 계속 센싱하고, 컴퓨터(23)는 상기 관계식 (1) 및 (2)를 이용하여 이 테이터를 계산하므로 균열길이값(a) 및 파괴인성값(K)을 연속적으로 측정할 수 있게 된다.

또한, 필요에 따라서는 da/dN - ΔK 그래프를 디스플레이할 수도 있다. 여기서, N은 시편으로 공급되는 전류의 주파수이다.

상기와 같은 계산은 컴퓨터의 소정의 프로그램에 의해 수행되는 바, 이러한 프로그램은 시편의 제원을 가변적으로 입력할 수 있도록 된다. 즉, 종래의 시험이 일정한 규격의 시편만으로 시험을 하거나 소정 규격으로 시편을 제작하여야 실험을 행할 수 있다. 즉, 프로그램에 시편의 규격을 입력하는 기능을 추가한다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 센서(21)에 의해 습득된 데이터처리에있어서, 사용자는 우선 컴퓨터(23)에 시편의 제원과 프로브거리, 샘플링레이트, 데이터율, 플립레이트 등의 변수를 입력한다.

이어서, 시편의 종류(소정의 통상의 CT이거나, 그밖의 것)에 따라 각각 계산이 수행된다. 우선, 파일이 개방되고, 채널이 개방되며, 습득된 데이터 및 상기 식 (1)과 (2)를 이용하여 K값 및 △K와 a 및 da값이 계산된다. 이 값은 필요에 따라 인쇄되거나 디스플레이 될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기준 전압과 시편이 균열됨에 따라 변화되는 전압을 측정하고, 이들 전압을 이용하여 시편의 균열길이(a) 및 파괴인성값(K)를 측정하게 되므로, 통상 실험자의 능력에 의존하던 균열길이 측정의 정확성이 향상되며, 필요에 따라 측정된 전압을 인터페이스를 통해 컴퓨터에 입력하여, 소정의 연산 후 디스플레이 및 저장하므로, 측정 데이터의 이용성이 향상된다.

Claims

금속 시편에 소정의 인장력(P)을 가한 후, 발생되는 시편의 균열길이(a)를 측정하는 장치에 있어서,

상기 시편에 5A~30A의 전류를 인가시키는 리플률이 0.05% 이하의 파워서플라이(20)와; 전압이 인가된 시편의 소정 지점으로부터 전압신호를 감지하며, 24비트이하이고, 16Hz 이상의 속도를 가지며 필터링 기능을 갖는 센서(21); 이 센서(21)의 신호를 증폭하며, 리플률이 0.05%이고, 100~10000배의 증폭률을 갖는 증폭기(22), 이 신호를 처리하여 균열길이(a)와 파괴인성값(K)을 계산하는 컴퓨터(23) 및; 이 컴퓨터(23)에 의해 계산된 값을 디스플레이 하는 표시수단을 구비하여 구성되되,

상기 컴퓨터(23)는 상기 센서(21)에 의해 소정 시점에서 측정된 신호 전압(V₁,V₂)을 열유도 전압보정하여 보정된 전압(V₀,V₃)을 얻도록 하고, 이 신호를 기초로 관계식(1) {a/w = -0.5051+0.8875*(V₃/V₀)-0.1398*(V₃/V₀)²+0.0002398*(V₃/V₀)³(여기서 V₀는 a/w가 0.241일 때 균열 양단간의 전위차)}와, 관계식(2) {K = P/(B*B_nw)*f(a/w)(여기서, f(a/w) = ((2+a)/w)/(1-a/w)^3/2*[0.886+4.64*(a/w)-13.32*(a/w)²+14.72*(a/w)³-5.60*(a/w)⁴]), (여기서, B는 시편 두께)}에 따라 상기 균열길이(a)와 파괴인성값(K)을 계산하는 것을 특징으로 하는 균열 길이 측정장치.
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균열길이 측정방법에 있어서,

진동장치에 의해 소정의 인장력(P)으로 시편을 소정시간(t₀)동안 진동시킴과 더불어 진동하는 시편에 파워서플라이를 이용하여 전류를 인가하며, 전류가 인가된 시편의 소정 부분에서 전압(V₁)을 감지하고,

검퓨터에 의해, 이 감지된 전압을 보정하여 초기 전압(V₀)을 구하며, 상기 시간(t₀) 이상으로 시간이 경과됨에 따라 시편이 더욱 균열됨과 더불어 변화된 전압(V₂)을 감지하고, 이 전압(V₂)을 보정하여 전압(V₃) 구하며,

관계식(1) {a/w = -0.5051+0.8875*(V₃/V₀)-0.1398*(V₃/V₀)²+0.0002398*(V₃/V₀)³(여기서 V₀는 a/w가 0.241일 때 균열 양단간의 전위차)}와, 관계식(2) {K = P/(B*B_nw)*f(a/w)(여기서, f(a/w) = ((2+a)/w)/(1-a/w)^3/2*[0.886+4.64*(a/w)-13.32*(a/w)²+14.72*(a/w)³-5.60*(a/w)⁴]), (여기서, B는 시편 두께)}에 따라 귤열길이(a) 및 파괴인성값(K)을 계산함과 더불어 디스플레이 하는 것을 특징으로 하는 금속재료의 균열길이 측정방법.