KR100916091B1

KR100916091B1 - 시편 열피로 측정 장치

Info

Publication number: KR100916091B1
Application number: KR1020070122129A
Authority: KR
Inventors: 김정길; 홍승갑
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-09-08
Also published as: KR20090055282A

Abstract

시편의 열특성 측정 도중에 시편의 변형을 방지할 수 있는 홀더유닛을 갖는 시편 열피로 측정 장치가 개시된다.

상기한 시편 열피로 측정 장치는 프레임과, 상기 프레임에 설치되되 시편의 열변형을 측정토록 제공되는 측정수단 및 상기 측정수단에 고정수단을 통하여 장착되되 상기 시편이 변형 방지토록 장착되는 홀더유닛을 포함한다.

이러한 시편 열피로 측정 장치에 의하면, 시편의 열특성을 측정하는 경우 홀더유닛을 통하여 시편의 변형을 방지토록 하고, 따라서 시편의 열특성 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 봉상의 시편을 제작하지 않고도 시편의 열특성을 측정할 수 있어 시편의 열특성 측정에 따른 시편 제작 비용을 줄일 수 있다.

열특성, 홀더유닛, 시편, 좌굴

Description

시편 열피로 측정 장치{apparatus for measuring a thermal specific of test piece}

본 발명은 시편 열피로 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시편의 가열, 냉각을 반복하여 시편의 열특성을 측정하는 시편 열피로 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열피로 특성의 측정은 먼저 시편을 구속시킨 상태에서 가열과 냉각을 반복한다. 가열과 냉각에 의한 온도변화에 따라 시편은 팽창, 수축 작용을 반복하고, 열피로 특성의 측정은 이러한 팽창, 수축에 의한 시편의 사용수명을 측정하는 방법으로 수행된다.

이러한 방법으로 열피로 특성을 측정하는 경우, 측정 도중 시편의 좌굴을 방지하기 위하여 시편을 봉상으로 가공하여 측정하여야 한다.

한편, 환경문제의 고조로부터 자동차의 연비 향상, 나아가 차체의 경량화 뿐 아니라 자동차의 배기 가스의 정화가 갈망되었다.

이와 같은 배경으로부터 자동차 배기계에 사용되는 재료로 스테인레스강이 이용되고 있으며, 최근에는 오스테아니트계 스테인레스 강에 비해 상대적으로 낮은 가격을 가지며, 내응력 부식 특성이 우수하고, 또한 온도 변화에 대한 열팽창율이 적은 페라이트계 스테인레스강이 사용되고 있다.

이러한 자동차 배기계용 페라이트계 스테인레스강에 요구되는 고온특성으로는 고온 내식성, 고온 강도, 고온 피로 및 열피로 특성 등이 있다. 특히, 최고 1000℃ 정도까지의 온도 상승과 주위 온도까지의 온도 하강을 반복하는 배기 매니폴드는 우수한 내열성, 특히 열피로 특성이 필요해지고 있다.

따라서, 제품의 열피로 특성 측정이 필요한데, 상기한 바와 같이 열피로 특성을 측정하기 위해서는 시편을 봉상으로 가공하여야 한다.

그런데, 봉상의 시편은 소정 두께, 일반적으로 5mm 이상의 두께를 가진 제품으로부터 제작되어야 한다. 따라서 5mm 이하의 두께를 가진 제품의 열피로 특성을 측정하기 위해 제품으로 생산된 박판재로부터 시편을 가공할 수 없고, 강괴(ingot) 상태에서 봉상으로 시편을 가공하여야 한다.

결국, 강괴(ingot) 상태에서 시편을 가공하여야 하기 때문에 제품의 생산시 가해졌던 압연, 열처리의 영향을 평가할 수 없을 뿐만 아니라, 특히 용접부에 대한 열피로 특성의 측정이 불가능하다.

또한, 두께가 5mm 이상인 제품의 열피로 특성을 측정하는 경우에도 제품을 봉상으로 가공하여 열피로 특성을 측정하여야 하므로 열피로 측정에 따른 시편 제작 비용이 발생하게 된다.

본 발명은 시편의 열특성 측정 도중에 시편의 변형을 방지할 수 있는 홀더유닛을 갖는 시편 열피로 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 봉상의 시편을 제작하지 않고 시편의 열특성을 측정할 수 있는 시편 열피로 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치는 프레임과, 상기 프레임에 설치되되 시편의 열변형을 측정토록 제공되는 측정수단 및 상기 측정수단에 고정수단을 통하여 장착되되 상기 시편이 변형 방지토록 장착되는 홀더유닛을 포함한다.

상기 홀더유닛은 상기 시편이 삽입 고정되는 시편 결합홀을 구비할 수 있다.

상기 홀더유닛은 상기 시편과 동일하게 열변형되도록 상기 시편과 동일 재질로 이루어질 수 있다.

상기 홀더유닛은 상기 시편의 온도측정을 위하여 상기 시편 결합홀과 연통되도록 상기 홀더유닛의 중앙에 형성되는 설치홈을 더 구비할 수 있다.

상기 고정수단은 상기 시편이 삽입 고정되는 홀더유닛의 양측면을 지지하되 상기 시편의 양끝단이 삽입되는 삽입홈을 구비하는 고정지그일 수 있다.

상기 측정수단은 열에 의해 팽창된 상기 시편에 의해 가압되는 정도를 측정하는 로드셀일 수 있다.

본 발명은 시편의 열특성을 측정하는 경우 홀더유닛을 통하여 시편의 변형을 방지토록 하고, 따라서 시편 열특성 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 봉상의 시편을 제작하지 않고도 시편의 열특성을 측정할 수 있어 시편의 열특성 측정에 따른 시편 제작 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치에 대하여 설명하기로 한다.

또한 아래에서는 시편의 열특성을 측정하는 것으로 기재되어 있으나 시편의 열특성은 시편의 가열, 냉각의 반복에 의해 발생되는 열피로 특성일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치를 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 시편 열피로 측정 장치(100)는 프레임(120), 측정수단(140) 및 홀더유닛(160)을 포함한다.

프레임(120)은 상부 프레임(122)과 하부 프레임(124)을 구비하고, 상부 프레임(122)과 하부 프레임(124)은 도시되지 않은 구동원에 연결되어 각각 승강된다.

즉, 시편(F)의 열특성을 측정하는 경우 상부 프레임(122)이 하강하고 하부 프레임(124)이 상승하여 홀더유닛(160)은 상부 프레임(122)과 하부 프레임(124) 사이에 고정된다. 시편(F)의 열특성 측정이 종료하면 홀더유닛(160)이 용이하게 분리될 수 있도록 상부 프레임(122)은 상승하고 하부 프레임(124)은 하강한다.

측정수단(140)은 상부 프레임(122)과 하부 프레임(124)에 각각 설치되어 시편(F)의 열특성을 측정한다. 즉, 측정수단(140)은 반복하여 가열, 냉각된 시편(F) 이 더 이상 팽창, 수축되지 않는 시점을 측정하여 열특성을 측정한다.

다시 말해, 시편(F)이 가열되면 팽창되고 시편(F)이 냉각되면 수축되는데 가열과 냉각을 반복하면 시편(F)은 팽창과 수축을 반복한다. 이와 같이 시편(F)이 팽창과 수축을 반복하다가 어느 시점에서 시편(F)이 더 이상 팽창,수축하지 못하는 상태, 즉 열피로상태에 도달하는데, 측정수단(140)은 이러한 상태를 측정하고 실험자는 이를 통하여 시편(F)의 열특성을 알 수 있다.

또한, 측정수단(140)은 로드셀일 수 있다. 즉 시편(F)이 가열에 의하여 팽창되면 로드셀을 가압하는데 로드셀은 시편(F)에 의하여 가압된 정도를 측정한다.

즉, 시편(F)이 가열되어 팽창되면 로드셀은 가압되고 시편(F)이 냉각되어 수축되면 로드셀은 가압되지 못하는데, 로드셀이 가압되었다가 가압되지 않았다가를 반복하다 어느 시점에서 시편(F)에 의하여 로드셀이 더 이상 가압되지 못한다. 이 시점을 측정하여 실험자는 시편(F)의 열특성을 알 수 있다.

측정수단(140)은 로드셀에 한정되지 않고 시편(F)의 팽창과 수축을 측정할 수 있는 어떠한 구성도 채용 가능하다.

한편, 고정수단(126)은 측정수단(140)에 설치되고, 시편(F)의 양끝단이 삽입되는 삽입홈(126a)을 구비한다. 홀더유닛(160)에 결합된 시편(F)의 양끝단이 삽입홈(126a)에 삽입되고 홀더유닛(160)의 양측면이 고정수단(126)에 지지되어 홀더유닛(160)과 시편(F)은 고정수단(126)에 고정된다.

도면에는 고정수단(126)이 고정지그인 경우를 도시하였으나, 고정수단(126)은 시편(F)과 홀더유닛(160)을 고정시킬 수 있는 어떠한 구성도 채용 가능하다.

또한, 발열체(102)는 상부 프레임(122)과 하부 프레임(124)의 사이에 배치되도록 시편 열피로 측정 장치(100)에 설치된다. 그리고, 발열체(102)는 고주파 유도 코일일 수 있다. 즉, 고주파 유도 가열방식으로 시편(F)을 가열할 수 있다.

홀더유닛(160)은 측정수단(140)에 설치되는 고정수단(126)에 시편(F)과 함께 지지되며, 발열체(102)에 인접하도록 배치된다. 도면에는 홀더유닛(160)이 발열체(102)의 내부에 배치되도록 도시하였으나, 발열체(102)가 고주파 유도 코일이 아닌 경우에는 홀더유닛(160)은 발열체의 주위에 배치될 수 있다.

또한, 홀더유닛(160)은 시편(F)의 변형, 예를 들면 좌굴을 방지하는 역할을 한다.

도 2는 본 발명에 따른 홀더유닛을 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 X-X'선에 따른 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 홀더유닛(160)은 시편(F)과 동일한 재질로 이루어져 시편(F)과 동일한 열팽창 계수를 가진다. 이를 통해 홀더유닛(160)과 시편(F)은 가열, 냉각에 의해 동일하게 팽창, 수축하게 되고, 따라서 시편(F)의 열특성은 홀더유닛(160)에 의하여 영향을 받지 않는다.

또한, 홀더유닛(160)은 시편(F)이 삽입 결합되는 시편 결합홀(162)을 구비한다. 시편(F)은 시편 결합홀(162)에 결합된 상태로 가열,냉각되므로 변형, 예를 들면 좌굴되지 않는다.

한편, 홀더유닛(160)에는 중앙에 시편 결합홀(162)과 연통되도록 형성되는 설치홈(164)을 구비할 수 있다. 실험자는 설치홈(164)에 열전대(104)와 같은 온도측정장치를 설치하여 시편(F)의 열특성을 측정하는 동안에 시편(F)의 온도를 측정할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치의 작동을 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치의 작동을 나타내는 작동도이고, 도 5는 본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치의 작동을 나타내는 작동도이다.

도 4를 참조하면, 먼저 상부 프레임(122)이 상승하고 하부 프레임(124)이 하강하여 상,하부 프레임(122,124)은 발열체(102)로부터 이격된 상태에 위치한다. 이때 실험자는 시편(F)을 홀더유닛(160)의 시편 결합홀(162)에 삽입 결합시킨다.

이후 시편(F)이 하부 프레임(124)에 설치된 고정수단(126)의 삽입홈(126a)에 삽입되도록 홀더유닛(160)을 고정수단(126)에 안착시킨다.

도 5를 참조하면, 이후 실험자는 홀더유닛(160)이 상부 프레임(122)에 설치된 고정수단(126)에 접촉될 때가지 상부 프레임(122)을 하강시키고 하부 프레임(124)을 상승시킨다. 이를 통해 홀더유닛(160)과 시편(F)은 고정수단(126)에 의하여 고정된다.

그런데 고정수단(126)은 상,하부 프레임(122,124)에 마련된 측정수단(140)인 로드셀에 설치되어 있어서, 홀더유닛(160)과 시편(F)은 고정수단(128)을 통하여 측정수단(140)에 장착된다.

이후 실험자는 발열체(102)를 통해 시편(F)을 가열시킨다. 가열된 시편(F)이 팽창되면 시편(F)은 측정수단(140)을 가압한다. 소정 온도까지 시편(F)이 가열되면 가열을 멈추고 시편(F)을 냉각시킨다. 시편(F)이 냉각되면 시편(F)은 수축되어 측정수단(140)을 가압하지 못한다.

실험자는 시편(F)이 더 이상 팽창,수축되지 않아서 측정수단(140)을 더 이상 가압하지 못하는 시점까지 가열,냉각을 반복한다. 이를 통하여 실험자는 시편(F)의 열특성을 측정할 수 있다.

그런데, 시편(F)의 가열,냉각을 반복하는 동안 시편(F)은 동일 재질로 이루어진 홀더유닛(160)의 시편 결합홀(162)에 삽입 결합되어 있어, 시편(F)의 변형 예를 들면 좌굴을 방지할 수 있다. 즉, 시편(F)이 결합홀(162)에 삽입된 상태로 홀더유닛(160)과 동시에 팽창 수축됨으로써 열특성의 측정 중 변형의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 시편(F)의 열특성 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

시편(F)의 변형, 특히 좌굴을 방지할 수 있으므로 봉상의 시편을 제작하지 않고도 열특성을 측정할 수 있어 시편(F)의 열특성 측정에 따른 비용을 줄일 수 있다.

또한, 홀더유닛(160)의 설치홈(162)에 열전대(104)와 같은 온도 측정장치를 설치하여 가열, 냉각되는 시편(F)의 온도를 측정하면서 열특성을 측정할 수 있다.

도면에는 시편(F)이 박판형 시편인 경우를 도시하였지만, 시편(F)은 박판형 시편에 한정되지 않고, 열특성을 측정하고자 하는 어떠한 형상의 시편에도 본 발명의 기술적 사상은 적용 가능할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 홀더유닛을 나타내는 사시도이다.

도 3은 도 2의 X-X'선에 따른 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치의 작동을 나타내는 작동도이다.

도 5는 본 발명에 따른 시편 열피로 측정 장치의 작동을 나타내는 작동도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 시편 열피로 측정 장치

120 : 프레임

140 : 측정수단

160 : 홀더유닛

F : 시편

Claims

승강 가능하게 제공되는 상,하부 프레임(122,124)을 구비하는 프레임(120);

상기 프레임(120)에 설치되되 박판형 시편(F)의 열변형을 측정토록 제공되는 측정수단(140); 및

상기 측정수단(140)에 고정수단(126)을 통하여 장착되되 상기 박편형 시편(F)이 변형 방지토록 장착되는 홀더유닛(160);을 포함하며,

상기 홀더유닛(160)은

상기 박판형 시편(F)이 관통되어 삽입 고정되는 슬릿 형상의 시편 결합홀(162)과, 상기 박판형 시편(F)의 온도측정을 위하여 상기 시편 결합홀(162)과 연통되도록 중앙에 형성되는 설치홈(164)을 구비하는 시편 열피로 측정장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 홀더유닛(160)은

상기 박판형 시편(F)과 동일하게 열변형되도록 상기 박판형 시편(F)과 동일한 재질로 이루어지는 시편 열피로 측정장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 고정수단(126)은

상기 박판형 시편(F)이 삽입 고정되는 홀더유닛(140)의 양측면을 지지하되 상기 박판형 시편(F)의 양끝단이 삽입되는 삽입홀(126a)을 구비하는 고정지그인 시편 열피로 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 측정수단(160)은

열에 의해 팽창된 상기 박판형 시편(F)에 의해 가압되는 정도를 측정하는 로드셀인 시편 열피로 측정장치.