KR100491295B1

KR100491295B1 - 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법

Info

Publication number: KR100491295B1
Application number: KR1020040091013A
Authority: KR
Inventors: 김광호; 이정석; 서양원; 최열
Original assignee: (주)프론틱스
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2005-05-24
Also published as: US20080010031A1; EP1815229A4; EP1815229B1; WO2006052060A1; US7487051B2; JP2008519963A; JP4784774B2; EP1815229A1

Abstract

본 발명은 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법에 관한 것으로서, 상기 연속압입법으로 재료의 응력계수, 가공경화지수, 항복응력을 측정하여 상기 재료의 환산탄성계수(E_r)를 계산하고, 유효탄성계수와 초기탄성계수를 구한 후, 공공분율을 이용하여 손상변수를 계산한다. 손상변수를 이용하여 임계탄성계수와 임계압입깊이를 구하고, 마지막으로 재료의 파괴인성값을 구한다.

본 발명에 따르면 연성재료에 대하여 비파괴적인 방법으로 파괴인성을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법{EVALUATING METHOD OF THE FRACTURE TOUGHNESS USING THE CONTINUOUS INDENTATION METHOD}

본 발명은 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속압입법에 의하여 측정된 압입깊이에 해당하는 재료의 탄성계수를 이용하여 파괴시점에 대응되는 임계압입깊이를 결정한 후, 임계압입깊이까지 흡수한 에너지와 재료의 파괴에너지와의 상관관계로부터 연성재료의 파괴인성을 비파괴적인 방법으로 정확하게 측정할 수 있는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법에 관한 것이다.

재료의 균열 진전에 대한 저항을 나타내는 파괴인성(Fracture Toughness; K_JC)은 구조적인 건전성을 측정하는 중요한 특성이다. 그러나 종래기술에 따른 파괴인성 측정방법은 타당성을 확보하기 위하여 특정한 모양과 크기의 시편을 필요로 한다. 즉, 시편에 균열을 형성하고, 그 균열 주위의 응력과 변형률을 역학적으로 해석하여, 균열의 크기와 진전방향 등을 예측한 올바른 시험법을 확립한 후, 그 시험을 통하여 파괴가 일어나는 조건을 구하게 된다. 대표적인 파괴인성 시험방법은 피로예비균열(Fatigue Precracking)을 도입한 컴팩트 인장시험(compact tension)과 3점 굽힘시험(3-point-single edge notched bend)이 있다. 이러한 실험을 위해서는 재료의 원판으로부터 소정의 방향과 크기(하중방향과 균열진전방향에 대한 ASTM 규격 참조)로 다수의 시편을 채취하고, 이를 실제로 파괴하면서 균열의 진전 정도를 파악하는 것이다.

그런데 피로예비균열과 균열길이측정을 포함하는 복잡한 시험과정은 파괴인성 측정을 상당히 어렵게 하는 원인이 된다. 게다가 종래의 파괴인성 측정방법은 재료로부터 시편을 떼어내서 실험하는 파괴적인 방법을 사용하고 있어서, 실제 가동되는 산업구조물에 적용되기에는 한계가 있다.

한편, 파괴인성 측정에서의 이러한 어려움들을 개선하기 위하여 압입(indentation)방법을 사용하는 여러 이론과 모델들의 개발이 진행되어 왔다. 그러나 기존의 압입방법을 이용해 파괴인성을 평가하는 모델들은 취성재료(brittle material)에 적용가능하며, 연성재료에 대하여 연성-취성 천이온도(ductile-brittle transition temperature; DBTT)의 lower shelf 에너지 영역에 존재하는 상태에만 적용이 가능하다. 연성-취성 천이온도 이상의 온도에서 연성재료는 압입에 의하여 균열이 발생되지 않기 때문에, 압입시험을 이용한 연성재료에 대한 파괴인성 평가는 미해결 문제로 남아있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연속압입법을 적용하여 연성재료의 파괴인성을 비파괴적으로 측정할 수 있는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 원재료에서 시편을 분리하지 않은 상태에서 연속압입법에 의한 데이터만을 이용하여 재료의 파괴인성을 구할 수 있는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 시편 또는 재료의 크기와 형상에 구애받지 않고 파괴인성을 측정할 수 있으며, 종래 기술에 비하여 간단하고 효율적으로 측정할 수 있는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

압입(Indentation)과정의 도중 또는 후의 파괴시작점에 대응되는 압입깊이(Characteristic Fracture Initiation Point; h^*)를 구하기 위하여 연속체손상역학(Continuum Damage Mechanics; CDM)과 임계 공공분율(Critical Void Volume Fraction; f)의 개념이 적용된다. 오직 연속압입법으로 획득한 데이터만을 사용하는 본 모델에 의한 파괴인성은 표준 파괴인성 측정방법에 의한 파괴인성 값과 비교된다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 하중의 인가와 제거를 반복하면서 하중과 압입깊이를 연속적으로 측정하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법으로서, 상기 연속압입법으로 재료의 응력계수, 가공경화지수, 항복응력을 측정하여 상기 재료의 환산탄성계수(E_r)를 계산하는 단계와; 상기 환산탄성계수로부터 유효탄성계수(E_eff)를 계산하는 단계와; 상기 연속압입법에 의한 다수회의 하중제거곡선으로부터 얻어진 유효탄성계수의 첫 구간의 탄성계수를 초기탄성계수(E₀)로 결정하는 단계와; 상기 재료의 균열형태(Fracture Type)가 I형인 경우, 공공분율(f)을 0.13 내지 0.17 중에서 특정한 값으로 결정하고, 상기 재료의 균열형태(Fracture Type)가 II형인 경우, 공공분율(f)을 0.23 내지 0.27 중에서 특정한 값으로 결정하는 단계와; 상기 공공분율로부터 손상변수(D)를 의 식으로부터 계산하는 단계와; 상기 손상변수로부터 임계탄성계수(E^*)를 계산하는 단계와; 상기 임계탄성계수로부터 임계압입깊이(h^*)를 계산하는 단계와; 상기 임계압입깊이로부터 상기 재료의 파괴인성(K_JC)을

의 식으로부터 계산하는 단계;를 포함하며, 여기서 k'은 하중제거곡선에서 최대하중-최대압입깊이의 기울기(L_max/h_max)인 것을 특징으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 다른 실시예에 따른 본 발명은 하중의 인가와 제거를 반복하면서 하중과 압입깊이를 연속적으로 측정하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법으로서, 상기 연속압입법으로 재료의 응력계수, 가공경화지수, 항복응력을 측정하여 상기 재료의 환산탄성계수를 계산하는 단계와; 상기 환산탄성계수로부터 유효탄성계수를 계산하는 단계와; 상기 연속압입법에 의한 다수회의 하중제거곡선으로부터 얻어진 유효탄성계수의 첫 구간의 탄성계수를 초기탄성계수로 결정하는 단계와; 상기 재료의 균열형태가 알려져 있지 않은 경우, 공공분율을 0.20으로 결정하는 단계와; 상기 공공분율로부터 손상변수를 의 식으로부터 계산하는 단계와; 상기 손상변수로부터 임계탄성계수(E^* _im)를 계산하는 단계와; 상기 임계탄성계수로부터 임계압입깊이(h^* _im)를 계산하는 단계와; 상기 임계압입깊이로부터 상기 재료의 파괴인성(K_JCim)을

의 식으로부터 계산하는 단계와; 상기 파괴인성으로부터 소성영역크기(PZS)를 계산하는 단계;를 포함하며, 여기서 k'은 하중제거곡선에서 최대하중-최대압입깊이의 기울기인 것을 특징으로 한다.

상기 임계압입에너지(2ω_f)를 구하는 식은 이며, 여기서, A_c는 재료와 압입자의 접촉면적, F는 압입하중, h는 압입깊이 그리고 h^*는 파괴시점에서의 임계압입깊이인 것을 특징으로 한다.

상기 환산탄성계수를 구하는 식은 이며, 여기서, S는 하중제거곡선의 기울기인 것을 특징으로 한다.

상기 유효탄성계수를 구하는 식은 이며, 여기서 ν와 ν_i는 재료와 압입자의 포아송 비(Poisson's ratio)를 각각 나타내며, E_i는 압입자의 탄성계수인 것을 특징으로 한다.

상기 임계탄성계수를 구하는 식은 인 것을 특징으로 한다.

상기 임계압입깊이를 구하는 식은 인 것을 특징으로 한다.

상기 임계탄성계수를 구하는 식은 인 것을 특징으로 한다.

상기 임계압입깊이를 구하는 식은 인 것을 특징으로 한다.

상기 소성영역크기를 구하는 식은 이며, 상기 소성영역크기가 0.4 이하인 경우, 공공분율을 0.13 내지 0.17 중에서 특정한 값으로 결정하고, 0.4 이상인 경우, 공공분율을 0.23 내지 0.27 중에서 특정한 값으로 결정하여 파괴인성을 계산하는 것을 특징으로 하며, 여기서, YS는 연속압입법을 이용하여 측정된 재료의 항복응력(Yield Stress)인 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 본 발명에 사용되는 연속압입시험기의 구조를 나타낸 단면도이다. 본 발명에서는 선행공지된 특허출원 제2001-16070호(압입시험기 및 압입시험기를 이용한 압입시험 데이터 측정방법, 물성측정방법, 이 물성측정방법을 저장한 기록매체)에 개시된 압입시험기(100)를 사용하여 재료의 물성을 측정한다.

압입시험기(100)는 모터(111)의 회전으로 하중을 발생시키는 하중부가장치(110)와 하중센서(123), 압입자홀더(125), 압입자(127) 등으로 이루어진다.

모터(111)에서 발생한 회전력은 볼스크루(117)를 회전시키면서 외부의 볼스크루너트(118)를 상하로 직선운동시킨다. 이때의 수직압력이 압입자(127)를 통하여 시편에 전달되어 압축응력을 발생시킨다. 모터(111)가 회전하여 시편에 하중을 가하기 시작하면 하중센서(123)는 시편에 부가되는 하중의 변화를 연속적으로 측정한다. 또한 압입시험기(100)에 구비된 변위센서는 압입자(127)의 압입깊이를 연속적으로 측정한다.

하중센서(123)와 변위센서에 의해 하중 및 압입깊이를 일정 깊이까지 측정하고, 모터(111)를 반대방향으로 회전시켜 압입자(127)의 하중을 일정 정도 제거하면서 하중 및 압입깊이를 측정하여 응력 및 변형율을 구하는 과정을 한 위치에서 연속적으로 시행한다. 다시 상기 방법으로 압입자(127)에 하중을 가하여 더욱 압입깊이를 연장하여 하중 및 압입깊이를 측정하고, 다시 하중을 일정 정도 제거하여 하중 및 압입깊이를 연속적으로 측정하여 응력 및 변형률을 구한다. 이러한 과정을 반복하므로써 한 위치에서의 응력 및 변형율 곡선을 완성할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 압입시험기(100)를 이용하여 연속압입법으로 재료에 하중의 부가와 제거를 반복하면서 재료의 물성을 측정하는 방법을 사용하는데, 전술한 바와 같이 공지된 종래기술에 기재된 것과 동일한 방법을 사용하게 되므로 중복을 피하기 위하여 상세한 설명은 생략한다.

한편, 길이가 2a인 균열을 갖는 무한평면에서 파괴인성(K_JC)은 아래의 식으로 구해진다.

여기서 σ_f는 파괴시점에 외부로부터 가해지는 응력(Remote Tensile Stress at Fracture)을 나타낸다. 그리피스(Griffith) 이론에 의하면 σ_f는 아래와 같다.

여기서 E는 탄성계수이고 ω_f는 파괴시점까지 재료내부에 흡수되는 에너지이다. 식1과 식2를 결합하면 ω_f와 파괴인성(K_JC)의 관계가 아래와 같이 표현된다.

연속압입법을 사용하여 파괴인성(K_JC)을 구하기 위하여, ω_f는 반드시 압입변수만으로 표현되어야 한다. 압입자 하부의 응력삼축도(triaxiality)는 2~3의 범위에 이르며, 이러한 압입자 하부의 변형영역의 구속 정도는 균열 팁 전방의 구속 정도와 유사하다고 보고된다. 그러므로 만약 압입과정의 도중 또는 후의 파괴시작점에 대응되는 압입깊이(h^*)가 존재한다면, 이 압입깊이까지 재료가 흡수한 단위접촉면적당 압입에너지는 ω_f와 관련되게 된다.

도2는 압입하중-압입깊이 곡선을 나타낸 그래프이며, 그래프에서와 같이 임계압입에너지(Critical Indentation Energy; 2ω_f)는 압입하중-압입깊이 곡선에서 계산된다.

여기서 F는 압입하중, h는 압입깊이, A_C는 접촉면적 그리고 h^*는 파괴시점에서의 임계압입깊이(임계탄성계수값에 해당하는 압입깊이)이다. 2ω_f는 파괴에너지이며, ω_f앞의 2의 의미는 균열의 진전시 위쪽 영역과 아래쪽 영역의 2개의 표면이 생성되므로 이를 고려한 것이다. 즉, 연속압입법에 의하여 측정되는 데이터를 이용하여 2ω_f를 계산하고, 이를 재료의 탄성계수와 함께 식3에 대입하면 파괴인성값을 구할 수 있다. 식4의 2ω_f를 계산하기 위해서는 h^*값의 결정이 필요하다. 이를 위해 우선, 압입시의 탄성계수를 살펴보면 다음과 같다.

환산탄성계수(E_r)는 아래의 식에서 구할 수 있다.

식5와 같이 계산된 환산탄성계수로부터 유효탄성계수를 분석할 수 있다.

압입자 아래에 있는 재료의 손상이 커짐에 따라 압입깊이(h)가 증가하면 유효탄성계수(E_eff)는 감소한다. 또한 유효탄성계수는 압입변수(indentation parameter)로만 구성되는 함수로 표현된다.

이와 같이 계산된 환산탄성계수로부터 유효탄성계수를 분석할 수 있다.

여기서 ν와 ν_i는 재료와 압입자의 포아송 비(Poisson's ratio)를 각각 나타내며, E_r은 환산탄성계수, E_i는 압입자의 탄성계수, A_c는 압입자와 재료의 접촉면적 그리고 S는 하중제거곡선의 기울기이다. 다수회의 하중인가와 제거 후, 다양한 압입깊이에 따른 E_eff 값은 각각의 하중제거곡선으로부터 계산된다. 이상의 탄성계수를 이용해 h^*값을 결정하고, 이로부터 2ω_f를 계산해 최종적으로 K_JC를 평가하는 일련의 과정을 실시예에서 설명한다.

실시예1 : 재료의 Type이 알려진 경우

압입시험에서는 균열의 진전과 같은 파괴를 식별하는데 사용될 뚜렷한 특징이 없기 때문에, 임계압입깊이(h^*)는 직접적인 방법에 의하여 측정될 수는 없다.(광학현미경 또는 주사전자현미경에 의한 관찰 등) 따라서 임계압입깊이(h^*)를 결정하기 위하여, 압입과정에 연속체손상역학 및 임계공공분율의 개념이 적용된다.

도3은 일반적인 연성파괴에서 공공분율(f)의 증가에 따른 연성파괴 진행과정을 도식적으로 나타낸 개념도이다.

도3에 나타난 바와 같이 하중이 인가됨에 따라 재료 내부의 공공들이 발생하고, 더 큰 하중이 가해져 변형이 진행됨에 따라 공공들이 성장하면서 주위의 공공들과 결합하여 커지는 것을 알 수 있다. 이와 같은 연성파괴에서의 공공의 발생, 성장 및 합체와 관련된 기구를 압입시험의 응력상황을 고려하여 적용하였다.

도4는 압입에 따른 공공의 형성을 도식적으로 나타낸 개념도이다. 즉 재료에 대하여 하중을 인가하기 시작하면, 압입깊이(h) 만큼 변형이 일어나고, 압입깊이가 증가함에 따라 압입자 하부의 변형이 커져 공공(void)이 발생하게 된다. 즉, 압입하중은 하중인가축에 대하여 압축적이기 때문에 압입자 아래의 변형영역은 압축력을 받게 된다. 따라서 압축력에 의한 국부적인 전단응력에 의하여 공공(void)이 생성되고, 압입깊이가 증가할수록 공공분율이 증가하게 된다. 이는 재료가 손상을 입었음을 의미하는 것이다.

재료에서의 손상을 측정하기 위하여 식7에서 정의되는 손상변수 D가 도입되는데, D는 재료에서의 미세결함의 면적밀도와 관련된다.

여기서 s와 s_D는 각각 하중인가영역의 전체 단면적과, 전체 단면적 중에서 미세결함이 차지하고 있는 면적을 나타낸다. 식5에서 D는 레마터 변형율 평형원리(Lemaitre's strain equivalence principle)를 사용하여 탄성계수 변화로부터 계산될 수 있다.

or

여기서 E_eff는 손상된 재료의 유효탄성계수이며, E는 비손상재료의 초기 탄성계수이다.

또한, 이러한 손상변수는 아래와 같이 공공분율과 관련되어 표현된다.

or

이상의 공공분율과 손상변수, 탄성계수의 관계로부터 임계 탄성계수를 결정하기 위하여 임계 공공분율의 개념이 도입된다. 브라운과 엠버리, 굿즈와 브라운의 실험은 f가 약 0.13 내지 0.17 정도에서 공공의 결합이 시작되는 것을 보여주며, 적어도 0.2를 넘지 않는 공공분율(f) 값에서 공공결합이 시작된다고 보고하고 있다. 게다가 앤더슨에 의한 수치해석들은 연성재료의 안정적인 균열의 성장의 시작이 f가 0.23 내지 0.27의 범위에 있을 때 일어난다는 것을 보여주며, 티버가드는 이러한 기준을 컵-콘(cup-corn) 파괴의 분석에 적용하였다.

이러한 실험적, 계산적 결과에 따르면, f_C(공공의 결합이 시작되는 공공분율)는 0.13 내지 0.17이고, f_F(안정적인 균열이 성장하기 시작하는 공공분율)는 0.23 내지 0.27이며, 두값은 탄성계수의 임계값을 결정하기 위하여 사용된다. 파괴 Type이 알려져 있는 재료라면 Type-I 의 재료에는 공공분율을 0.13 내지 0.17 중에서, Type-II 의 재료에는 0.23 내지 0.27 중에서 재료의 특성에 맞는 수치를 식9에 대입하여 손상변수(D)를 계산한다.

Type	재료	참값KJC(MPam^0.5)	0.13	0.15	0.17	0.23	0.25	0.27
Type I	SA508	144	117	131	145
	SUJ2	111	99	108	117
	SKS3	95	111	128	151
	S45C	150	115	131	153
Type II	X70	380				280	327	385
	X65	300				246	301	384
	SCM21	261				184	210	244
	SUS303	251				199	241	296

표1은 공공분율값의 변화에 따른 파괴인성 측정값의 변화를 나타낸 자료이며, 표1에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 재료마다 가장 정확한 측정값(굵은 글씨로 밑줄 친 수치)을 얻을 수 있는 공공분율의 값이 존재한다. 따라서 재료의 특성이나 종류에 따라 적당한 공공분율의 값을 설정하여 계산하는 것이 바람직하다.

Type-I 재료 및 Type-II 재료에 대해서는 실험결과에서 자세히 설명하기로 한다. 이때 Type-I 재료에 대해 f=0.13 내지 0.17로부터 계산된 D를 D_C라 정의하며, Type-II 재료에 대해 f=0.23 내지 0.27로부터 계산된 D를 D_F라 정의한다. 그리고 이러한 재료의 Type이 이미 알려져 있는 재료라면 실시예2에서와 같이 iteration에 의한 방법으로 계산한다.

이렇게 계산된 손상변수를 이용하여 임계탄성계수(E^*)를 계산할 수 있다.

for Type-I

or

for Type-II

이때 E값은 다중 하중인가-제거를 통해 얻은 하중제거곡선들 중에서 첫번째 하중제거 곡선의 분석을 통해 얻어진 탄성계수로 사용한다. 그 이유는 E는 전술한 바와 같이 비손상 재료의 초기 탄성계수인데, 압입 초기에는 공공에 의한 손상이 거의 없기 때문에 이를 비손상재료의 상태와 동일하게 취급할 수 있기 때문이다.

다음으로 임계탄성계수로부터 임계압입깊이(h^*)를 계산할 수 있다.

도5는 유효탄성계수(E_eff)와 압입깊이(h)의 관계를 나타낸 그래프이며, 유효탄성계수와 압입깊이 사이의 관계를 이와 같이 표현할 수 있다. 만약 임계탄성계수(E^*) 값을 결정한다면, 그에 해당하는 압입깊이를 파괴시점에 대응되는 압입깊이(임계압입깊이(h^*))로 결정할 수 있다. 이때 임계압입깊이는 각각의 도5의 점들의 사이에 존재하거나 외삽법을 사용해서 구해야 하므로 압입깊이와 유효탄성계수간의 ln-ln fitting 을 통해 얻어지는 y절편을 A, 기울기를 B로 정의한다. 이 A, B와 식10에서 구해진 E^* 값을 이용해 식11과 같이 h^* 값을 결정할 수 있다.

마지막으로 이와 같이 결정된 임계압입깊이로부터 식12를 이용해 최종적으로 재료의 파괴인성값을 구할 수 있다.

여기서 k'은 하중인가곡선의 기울기(L_max/h_max)이며, R은 압입자 반경이다. 식12는 식3과 식4를 결합하여 압입시 얻어지는 data만으로 재구성한 것이다. 이 식에서 E₀는 첫번째 하중제거곡선으로부터 계산되며, h^*는 전술한 바와 같이 임계공공분율, 손상변수 및 E^*의 관계로부터 계산된다.

이와 같은 일련의 과정을 통해 연속 압입시험법을 통한 최종적인 파괴인성 평가가 가능하다.

실시예2 : 재료의 Type이 알려져 있지 않은 경우

실시예1에서는 그 Type이 이미 알려진 재료에 대하여 파괴인성을 평가하는 방법을 개시하고 있다.

그런데 그 Type이 알려져 있지 않은 경우에는 임계공공분율을 미리 결정할 수 없어서 임계탄성계수와 임계압입깊이를 설정할 수 없는 경우가 있다.

이같은 경우에는 Type-I과 Type-II의 공공분율의 평균값인 0.20을 대입하여 손상변수(D_0.20)와 임계탄성계수를 구한다.

즉 식9에 f=0.20을 대입하여 손상변수(D_0.20)를 구하고, 그로부터 임계탄성계수를 구하는데, 이때의 임계탄성계수는 E^* _im이라고 표시한다.

그리고 식11, 12를 각각 변형한 식에 E^* _im 를 대입하여 파괴인성값을 구한다.

이와 같이 구해진 파괴인성값에서 소성영역크기(Plastic Zone Size; PZS)를 구한다.

여기서 YS는 연속압입법을 이용하여 측정된 재료의 항복응력(Yield Stress)이다.

식16에서 구해진 소성영역크기가 0.4(m) 보다 작은 경우에는 Type-I 재료로, 0.4(m) 보다 큰 경우에는 Type-II 재료로 결정하고, 공공분율을 각각 0.13 내지 0.17 또는 0.23 내지 0.27로 하여 실시예1에 의한 방법을 다시 사용한다. 즉, 실시예2에서는 공공분율을 Type-I과 Type-II의 공공분율의 평균값인 0.20으로 가정하여 소성영역크기를 계산한 후, 그 크기에 따라 보다 정확한 공공분율을 결정하여 다시 한 번 파괴인성값을 구하게 되는 것이다.

실험결과

임계 균열개구변위(Crack Tip Opening Displacement: CTOD)는 δ_C, δ_U 그리고 δ_m으로 분류되는데, 연성재료들은 일반적으로 δ_U와 δ_m을 갖는다. δ_m은 최대 하중평면이 얻어졌을때의 CTOD 값인 반면에, δ_U는 불안정한 균열확장이나 진행의 시작에서의 CTOD 값이다. 이러한 관계는 도6에 나타나 있는데, 도6a와 6b는 Fracture Type 따른 균열첨단에서의 인가하중과 변위곡선의 모양을 나타낸 그래프이다. 도6a는 δ_U-type 재료에 대한 곡선이고, 도6b는 δ_m-type 재료에 대한 곡선이다. 여기서 상대적으로 취성인 δ_U-type의 파괴거동을 나타내는 재료를 Type-I 재료로 분류하며, 상대적으로 연성인 δ_m-type의 파괴거동을 나타내는 재료를 Type-II로 분류한다.

δ_U-type 재료는 상대적으로 취성재료이며 δ_m-type 재료에 비하여 공공 사이의 리가먼트를 변형시키는 힘에 대한 저항력이 약하기 때문에, 공공의 결합이 시작하자마자 하중지탱능력이 급격하게 감소된다. 이에 반해서, δ_m-type 재료는 안정적인 균열의 성장이 시작되면서 지탱능력의 점진적인 손실을 나타내면서 공공의 결합 시작 이후에도 하중지탱능력을 유지하게 된다. 이러한 특성을 고려하여, f_C는 δ_U-type 재료(type-I)의 임계 공공분율로 사용되고, f_F는 δ_M-type 재료(type-II)의 임계 공공분율로 사용된다. f_C와 f_F는 식8을 통해 대응되는 손상변수 D_C와 D_F로 전환될 수 있다. 그리고 이에 대응되는 E^*(E_C와 E_F)는 식6에 의하여 계산된다. 따라서 h^*는 임계탄성계수에 대응되는 h로 결정되는데, type-I 재료에서는 E^*=E_C, type-II 재료에서는 E^*=E_F를 사용한다.

도7a와 7b는 Fracture Type에 따른 재료의 유효탄성계수와 압입깊이의 관계를 나타낸 그래프이며, 도7a는 Type-I 재료에 대하여, 도7b는 Type-II 재료에 대한 그래프이다. 도8은 유효탄성계수-압입깊이 곡선으로부터 임계압입깊이를 결정하는 방법을 나타낸 그래프, 도9는 외삽법을 이용하여 유효탄성계수-압입깊이 곡선으로부터 임계압입깊이를 결정하는 방법을 나타낸 그래프이다. 도8은 E^*=E_C 인 Type-I 재료에 대하여, 도9는 E^*=E_F 인 Type-II 재료에 대한 그래프이다.

도10은 연속압입법과 CTOD에 의한 각각의 파괴인성 측정치를 비교한 그래프이다.

도10에서 알 수 있는 것과 같이, 13종의 재료에 대하여 본 발명에 따른 비파괴적인 방법인 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법에 의한 파괴인성 측정값이 종래 기술인 CTOD에 의한 파괴인성 측정값과 거의 일치한다. 따라서 본 발명에 의한 파괴인성 측정방법은 종래의 파괴적인 실험방법에 의한 측정방법을 대체할 수 있는 유용한 수단이 될 수 있을 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리는 이러한 실시예에 제한되지 않으며, 당업자가 용이하게 변형할 수 있는 범위에도 권리가 미친다.

종래 시험법에서의 시편을 방향과 크기에 맞춰서 원재료로부터 채취하여 실험하여야 했으나, 본 발명에 따르면 원재료를 파괴하지 않은 상태에서 특정한 위치에 압입시험기를 부착하여 재료의 물성과 파괴인성을 측정할 수 있으므로, 시편의 크기 및 형상에 따른 제약이 적은 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 실제 가동 전. 중. 후 파이프라인 및 산업구조물에 부착하여 파괴인성을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있으며, 간단한 연속압입시험만으로 파괴인성을 측정하게 되므로 생산적이며 효율적인 평가 방법이다.

도1은 본 발명에 사용되는 연속압입시험기의 구조를 나타낸 단면도.

도2는 압입하중-압입깊이 곡선을 나타낸 그래프.

도3은 압입에 따른 공공의 형성을 도식적으로 나타낸 개념도.

도4는 공공분율의 증가에 따른 연성파괴 진행과정을 도식적으로 나타낸 개념도.

도5는 유효탄성계수(E_eff)와 압입깊이(h)의 관계를 나타낸 그래프.

도6a와 6b는 Fracture Type 따른 파괴인성 실험에서의 인가하중과 변위곡선 모양을 나타낸 그래프.

도7a와 7b는 Fracture Type에 따른 재료의 유효탄성계수와 압입깊이의 관계를 나타낸 그래프.

도8은 유효탄성계수-압입깊이 곡선으로부터 임계압입깊이를 결정하는 방법을 나타낸 그래프.

도9는 외삽법을 이용하여 유효탄성계수-압입깊이 곡선으로부터 임계압입깊이를 결정하는 방법을 나타낸 그래프.

도10은 연속압입법과 CTOD에 의한 각각의 파괴인성 측정치를 비교한 그래프.

Claims

하중의 인가와 제거를 반복하면서 하중과 압입깊이를 연속적으로 측정하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법에 있어서,

상기 연속압입법으로 재료의 응력계수, 가공경화지수, 항복응력을 측정하여 상기 재료의 환산탄성계수(E_r)를 계산하는 단계와;

상기 환산탄성계수로부터 유효탄성계수(E_eff)를 계산하는 단계와;

상기 연속압입법에 의한 다수회의 하중제거곡선으로부터 얻어진 유효탄성계수의 첫 구간의 탄성계수를 초기탄성계수(E₀)로 결정하는 단계와;

상기 재료의 균열형태(Fracture Type)가 I형인 경우, 공공분율(f)을 0.13 내지 0.17 중에서 특정한 값으로 결정하고, 상기 재료의 균열형태(Fracture Type)가 II형인 경우, 공공분율(f)을 0.23 내지 0.27 중에서 특정한 값으로 결정하는 단계와;

상기 공공분율로부터 손상변수(D)를 의 식으로부터 계산하는 단계와;

상기 손상변수로부터 임계탄성계수(E^*)를 계산하는 단계와;

상기 임계탄성계수로부터 임계압입깊이(h^*)를 계산하는 단계와;

상기 임계압입깊이로부터 상기 재료의 파괴인성(K_JC)을

의 식으로부터 계산하는 단계;를 포함하며,

여기서 k'은 하중제거곡선에서 최대하중-최대압입깊이의 기울기(L_max/h_max)인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
하중의 인가와 제거를 반복하면서 하중과 압입깊이를 연속적으로 측정하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법에 있어서,

상기 연속압입법으로 재료의 응력계수, 가공경화지수, 항복응력을 측정하여 상기 재료의 환산탄성계수를 계산하는 단계와;

상기 환산탄성계수로부터 유효탄성계수를 계산하는 단계와;

상기 연속압입법에 의한 다수회의 하중제거곡선으로부터 얻어진 유효탄성계수의 첫 구간의 탄성계수를 초기탄성계수로 결정하는 단계와;

상기 재료의 균열형태가 알려져 있지 않은 경우, 공공분율을 0.20으로 결정하는 단계와;

상기 공공분율로부터 손상변수를 의 식으로부터 계산하는 단계와;

상기 손상변수로부터 임계탄성계수(E^* _im)를 계산하는 단계와;

상기 임계탄성계수로부터 임계압입깊이(h^* _im)를 계산하는 단계와;

상기 임계압입깊이로부터 상기 재료의 파괴인성(K_JCim)을

의 식으로부터 계산하는 단계와;

상기 파괴인성으로부터 소성영역크기(PZS)를 계산하는 단계;를 포함하며,

여기서 k'은 하중제거곡선에서 최대하중-최대압입깊이의 기울기인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 임계압입에너지(2ω_f)를 구하는 식은 이며,

여기서, A_c는 재료와 압입자의 접촉면적, F는 압입하중, h는 압입깊이 그리고 h^*는 파괴시점에서의 임계압입깊이인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 환산탄성계수를 구하는 식은 이며,

여기서, S는 하중제거곡선의 기울기인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 유효탄성계수를 구하는 식은 이며,

여기서 ν와 ν_i는 재료와 압입자의 포아송 비(Poisson's ratio)를 각각 나타내며, E_i는 압입자의 탄성계수인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제1항에 있어서,

상기 임계탄성계수를 구하는 식은 인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제1항에 있어서,

상기 임계압입깊이를 구하는 식은 이며,

여기서, A는 임계탄성계수(E^*)와 임계압입깊이(h^*)의 곡선을 ln-ln 피팅(fitting)을 통해 얻은 직선의 Y축 절편이며, B는 상기 피팅을 통해 얻은 직선의 기울기인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제2항에 있어서,

상기 임계탄성계수를 구하는 식은 인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제2항에 있어서,

상기 임계압입깊이를 구하는 식은 이며,

여기서, A는 임계탄성계수(E^* _im)와 임계압입깊이(h^* _im)의 곡선을 ln-ln 피팅(fitting)을 통해 얻은 직선의 Y축 절편이며, B는 상기 피팅을 통해 얻은 직선의 기울기인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.
제2항에 있어서,

상기 소성영역크기를 구하는 식은 이며,

상기 소성영역크기가 0.4 이하인 경우, 공공분율을 0.13 내지 0.17 중에서 특정한 값으로 결정하고, 0.4 이상인 경우, 공공분율을 0.23 내지 0.27 중에서 특정한 값으로 결정하여 파괴인성을 계산하는 것을 특징으로 하며,

여기서, YS는 연속압입법을 이용하여 측정된 재료의 항복응력(Yield Stress)인 것을 특징으로 하는 연속압입법을 이용한 파괴인성 측정방법.