KR100985601B1 - 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치 및 이를 이용한 시편의 강도 측정방법 - Google Patents

표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치 및 이를 이용한 시편의 강도 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 형상측정기와 압입시험기를 복합함으로써 산업현장에서도 실험실과 동일하게 압입자 침투 변형과정을 정밀하게 관찰하고, 이를 기초로 물성 측정 대상 부재의 강도를 측정할 수 있는 국소강도 측정장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법에 관한 것이기도 하다.
표면형상 측정기, 국소강도 측정장치, 압입자, 압흔의 형상

Description

표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치 및 이를 이용한 시편의 강도 측정방법{Apparatus for measuring local strength having surface profiler and strength measuring method by using the same}
본 발명은 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 형상측정기와 압입시험기를 복합함으로써 산업현장에서도 실험실과 동일하게 압입자 침투 변형과정을 정밀하게 관찰하고, 이를 기초로 물성 측정 대상의 강도를 측정할 수 있는 국소강도 측정장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법에 관한 것이기도 하다.
설비로부터 시편을 채취하여 단축인장시험 등의 역학시험을 수행하던 종래기술은 시편 채취 후 보수 및 설비 경제성 문제로 더 이상 현장 설비나 구조물에 적용하기 어렵다.
또한 현장에 설치된 설비부재가 받는 부하조건, 온도, 습도, 진동, 부식 등의 다양한 시험 영향인자에 대한 고려없이, 실험실 분위기에서 진행되는 단축인장시험은 설비부재의 정확한 물성정보를 제공할 수 없다.
따라서 시편채취 대신 현장설비에 직접 적용할 수 있는 휴대용 압입경도 측정법이나 계장화 압입시험법이 개발되었다. 이들 방법은 외부인가 하중, 압입자(누르개) 침투깊이를 측정하여 압압경도나 소성 유동특성을 평가한다.
그러나 침투깊이 측정만으로 압입자(누르개)와 대상부재 표면 간의 정확한 접촉정보를 확인할 수 없으며, 이로 인해 휴대용 압입경도 측정법은 상대적인 겉보기 경도값만을 도출할 수 있다. 또한 압입 유동특성을 측정하는 계장화 압입시험기법 역시 정확한 접촉을 유추하기 위한 별도의 회귀분석과정을 포함하고 있으며, 정적시험 분위기 제어가 곤란한 현장에서 마이크론 이하의 변위 측정 정밀도를 유지해야 하는 난점이 존재한다.
압입자(누르개) 침투를 통해 재료역학 물성을 측정하는 연구는 압입경도 시험법에서 출발하였으며, 실험실 환경 하에서 광학현미경을 통해 정밀한 접촉정보를 확인하고 있다. 즉 압입을 통해 신뢰도 높은 재료역학 물성 측정을 위해서는 현장에서도 압입자(누르개) 침투 변형을 정밀하게 관찰할 수 있어야 한다.
본 발명은 표면 형상측정기와 압입시험기를 복합함으로써 산업현장에서도 실험실과 동일하게 압입자 침투 변형과정을 정밀하게 관찰하고, 이를 기초로 물성 측정 대상의 강도를 측정하는 국소강도 측정장치 및 이를 이용한 강도 측정방법을 제공하고자 한다.
특히 본 발명은 압입과정 중 압입자의 표면침투를 방해하지 않는 비접촉 광 학식 표면 형상측정기를 이용하는 한편, 물성 측정 대상 부재 표면에 수직방향으로 진행되는 압입시험 과정 중에도 표면 형상정보를 용이하게 취득할 수 있는 국소강도 측정장치 및 이를 이용한 강도 측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 "U"자형의 하중 인가축(110); 압입자(131)가 부착되며 상기 하중 인가축(110)에 연결되는 압입축(130); 상기 하중 인가축(110)에 의해 상기 압입축(130)에 하중이 인가되는 경우 상기 압입자(131)에 의해 시편(S)에 형성되는 압흔의 표면 형상을 획득할 수 있도록, 고정수단에 의하여 상기 하중 인가축(110)에 끼워져 입광부(220)의 입광면(221)에 수직한 직선 및 수광부(230)의 수광면(231)에 수직한 직선이 각각 상기 압입축(130)과 제1 소정 각도를 유지하며 설치되되, 상기 하중 인가축(110)이 상하로 이동 가능하도록 상기 하중 인가축(110)의 굴곡부(113)와 상하 유동 틈새를 이루며 설치되는 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200)는 일자형의 본체부(210)를 포함하되, 상기 입광부(220)는 상기 본체부(210)의 양측단을 통과하는 길이방향 중심선과 제2 소정 각도를 이루며 상기 본체부(210) 하부로 돌출되어 상기 본체부(210)의 일단부에 연결되고, 상기 수광부(230)는 상기 본체부(210)의 양측단을 통과하는 길이방향 중심선과 제2 소정 각도를 이루며 상기 본체부(210) 하부로 돌출되어 상기 본체부(210)의 타단부에 연결될 수 있는데, 상기 압입축(130) 은 상기 하중 인가축(110)의 개방된 양측단부(111, 112)에 고정 연결되는 일자형의 연결축(120) 중앙부에 수직으로 연결되며, 상기 본체부(210)는 상기 고정수단에 의해 상기 길이방향 중심선에 수직한 둘레면이 상기 하중 인가축(110)과 상기 연결축(120)에 의해 형성되는 직사각각형 형상의 수용공간에 끼워져 고정될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 어느 하나의 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법으로서, 상기 하중 인가축(110)을 통하여 상기 압입자(131)에 압입 하중을 가하는 하중 인가 단계; 상기 압입자(131)에 압입 하중이 인가됨에 따라 시편(S)에 형성되는 압흔의 표면 형상을 상기 비접촉 광학식 표면 형상측정기(200)를 통하여 획득하는 프로파일 획득단계; 상기 프로파일 획득단계에서 획득된 시편(S)의 표면 형상으로부터 재료쌓임 발생 영역을 확인하여 시편의 소성변형 영역의 직경 2C를 획득하는 소성변형 영역 획득단계; 상기 소성변형 영역 획득단계에서 획득된 C 값을 σys=3Lmax/(2πC2)에 대입하여 시편(S)의 항복강도 σys를 획득하는 항복강도 획득단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법에 관한 것이다. 여기서, Lmax는 압입자(131)에 가해지는 최대하중을 나타낸다.
한편, 본 발명은 상기 어느 하나의 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법으로서, 상기 하중 인가축(110)을 통하여 상기 압입자(131)에서 압입하중을 제거하는 하중 제거단계; 상기 압입자(131)에 가해진 압입 하중이 제거된 후 시편(S)에 형성된 압흔의 표면 형상을 상기 비접촉 광학식 표면 형상측정기(200)를 통하여 획득하는 프로파일 획득단계; 상기 프로파일 획득단계에서 획득된 시편(S)의 표면 형상으로부터 재료쌓임 발생 영역을 확인하여 시편(S)의 소성변형 영역의 직경 2C를 획득하는 소성변형 영역 획득단계; 상기 소성변형 영역 획득단계에서 획득된 C 값을 σys=3Lmax/(2πC2)에 대입하여 시편(S)의 항복강도 σys를 획득하는 항복강도 획득단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법에 관한 것이기도 하다. 여기서, Lmax는 압입자(131)에 가해지는 최대하중을 나타낸다.
본 발명은 상기 프로파일 획득단계에서 획득된 시편(S)의 표면 형상의 높낮이를 압흔의 중심으로부터의 거리를 변수로 미분하는 미분 단계; 상기 미분 단계에서 획득된 미분값이 0이 되는 두 지점을 결정하여 접촉경계 영역의 직경 2ac를 획득하는 접촉경계 획득단계; 상기 접촉경계 획득단계에서 획득된 ac 값을 H=Lmax/(πac 2)에 대입하여 시편(S)의 접촉경도 H를 획득하는 접촉경도 획득단계를 포함할 수 있고, 또한, 상기 접촉경도 H를 소성구속인자 3으로 나누어 시편(S)의 인장강도 σts를 획득하는 인장강도 획득단계; 를 포함할 수 있다. 여기서, Lmax는 압입자(131)에 가해지는 최대하중을 나타낸다.
본 발명은 표면 형상측정기와 압입시험기를 복합함으로써 산업현장에서도 실 험실과 동일하게 압입자 침투 변형과정을 정밀하게 관찰할 수 있고, 이를 기초로 물성 측정 대상 부재의 강도를 측정할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 압입과정 중 압입자의 표면침투를 방해하지 않는 비접촉 광학식 표면 형상측정기를 이용하고, 또한 입광면에 수직한 직선 및 수광면에 수직한 직선이 압입축과 경사를 형성함으로써 압입시험 과정 중에도 표면 형상정보를 용이하게 취득할 수 있는 장점이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
실시예1
실시예1은 본 발명에 따른 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치에 관한 것이다.
도1은 실시예1의 주요부의 정면도를, 도2는 실시예1의 하중 인가축 및 압입축의 분해 사시도를, 도3은 도2의 하중 인가축 및 압입축의 결합 사시도를 나타낸다.
도1 및 도2를 참조하면 실시예1은 하중 인가축(110)을 가진다. 하중 인가축(110)은 말굽자석 형상, 즉 "U" 자 형상으로 형성된다. 따라서, 하중 인가축(110)은 일측단(111)과 타측단(112)이 소정거리 이격되며 평행하게 형성된다. 하중 인가축(110)은 양측단(111, 112)이 하방을 향하도록 설치된다. 도면에는 도시되지 않았으나, 하중 인가축(110)은 양측단(111, 112)을 연결하는 굴곡부(113)가 하중 인가수단(도면 미도시)에 연결될 수 있다. 하중 인가수단(도면 미도시)은 통상 의 압입시험기에 사용되는 하중 인가수단일 수 있다.
도2를 참조하면 하중 인가축(110)의 양측단(111, 112) 하면에는 각각 일자형의 삽입홈(111-H, 112-H)이 형성된다. 일자형의 삽입홈(111-H, 112-H)은 상호 대칭을 이루도록 형성된다. 도면에는 도시되지 않았으나, 일자형의 삽입홈(111-H, 112-H)에는 상방으로 제1 체결홈(도면 미도시)이 형성된다. 각각의 제1 체결홈(도면 미도시)에는 나사체결을 위한 암나사부(도면 미도시)가 형성된다.
도2 및 도3을 참조하면 실시예1은 연결축(120)과 압입축(130)을 가진다. 연결축(120) 및 압입축(130)은 일자형의 봉 형상으로 형성되는데, 압입축(130)은 연결축(120)의 중앙부에 수직으로 연결된다. 즉, 연결축(120)과 압입축(130)은 "T"자형을 이루며 상호 결합된다.
도2 및 도3을 참조하면 연결축(120)은 그 양측단이 각각 삽입홈(111-H, 112-H)에 끼워지도록 형성된다. 도2를 참조하면 연결축(120)의 양측단에는 각각 제2 체결홈(121, 122)이 형성된다. 제2 체결홈(121, 122)은 연결축(120)의 양측단이 삽입홈(111-H, 112-H)에 끼워진 경우 각각 상기 삽입홈(111-H, 112-H)에 형성된 제1 체결홈(도면 미도시)에 연통되도록 형성된다. 제2 체결홈(121, 122)에는 나사체결을 위한 암나사부(도면 미도시)가 형성된다.
도2 및 도3을 참조하면 각각의 제2 체결홈(121, 122)에는 수나사(121-S, 122-S)가 끼워진다. 수나사(121-S, 122-S)는 제2 체결홈(121, 122)을 통하여 각각 상기 삽입홈(111-H, 112-H)에 형성된 제1 체결홈(도면 미도시)에 끼워진다. 수나사(121-S, 122-S)가 제2 체결홈(121, 122) 및 상기 삽입홈(111-H, 112-H)에 형성된 제1 체결홈(도면 미도시)에 끼워짐으로써 압입축(130)이 하중 인가축(110)에 고정된다. 즉, 압입축(130)은 연결축(120)을 통하여 하중 인가축(110)에 연결된다.
도2를 참조하면 압입축(130)의 단부에는 압입자(131)가 부착된다. 압입자(131)는 구형, 원뿔형 등일 수 있다.
도1을 참조하면 실시예1은 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200)를 가진다. 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200)는 레이저 등을 이용한 표면형상 측정기일 수 있는데, 일자형의 본체부(210), 입광부(220) 및 수광부(230)를 가진다. 도3을 함께 참조하면 본체부(210)는 고정수단(도면 미도시)에 의하여 본체부(210)의 양측단을 통과하는 길이방향 중심선에 수직한 둘레면이 하중 인가축(110)과 제1 압입축(121)에 의해 형성되는 직사각각형 형상의 수용공간에 끼워져 고정된다. 이때, 하중 인가축(110)이 상하로 이동 가능하도록 본체부(210)는 상기 하중 인가축(110)의 굴곡부(113)과 상하 이동 틈새를 이루며 고정된다.
도1을 참조하면 입광부(220)는 본체부(210)의 일측단에 설치되고, 수광부(230)는 본체부(220)의 타측단에 설치된다. 입광부(220)는 입광면(221)에 수직한 직선이 압입축(130)과 제1 소정 각도 α를 유지하도록 설치되고, 수광부(230)는 수광면(231)에 수직한 직선이 압입축(130)과 제1 소정 각도 α를 유지하도록 설치된다. 이는 하중 인가축(110)에 의해 압입축(130)에 하중이 인가되는 경우 압입자(131)에 의해 시편(S)에 형성되는 압흔의 표면 형상을 획득할 수 있도록 하기 위한 것이다. 입광부(220)는 입광면(221)에 수직한 직선이 본체부(210)의 양측단을 통과하는 길이방향 중심선과 제2 소정 각도 β를 이루며 본체부(210) 하부로 돌출 되고, 수광부(230)는 수광면(231)에 수직한 직선이 본체부(210)의 양측단을 통과하는 길이방향 중심선과 제2 소정각도 β를 이루며 본체부(210) 하부로 돌출될 수 있다.
표면 형상측정기는 압입시험 전후의 대상부재 표면 형상정보를 2차원 혹은 3차원으로 기록함은 물론 압입과정 중에도 대상부재 표면 형상정보를 2차원 혹은 3차원으로 기록할 수 있어야 한다. 실시예1은 입광부(220)의 입광면(221)에 수직한 직선 및 수광부(230)의 수광면(231)에 수직한 직선이 압입축(130)과 제1 소정 각도 α를 유지하도록 설치되어 있으므로, 압입축(130)이 강도측정 대상부재 표면에 수직방향으로 진행되는 압입시험 과정 중에도 강도측정 대상부재의 표면 형상정보를 용이하게 취득할 수 있다.
입광부(220) 및 수광부(230)를 갖는 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200)가 별도로 고정되어 있지 않고 압입 하중축(113)과 일체형으로 움직일 경우에는 레이져 빔의 초점거리가 달라지고, 사각으로 빔을 주사하기 때문에 수직거리가 달라져 측정 빔이 원래 측정지점과 다른 부분으로 이동하여 압입변형에 대응하는 변형 프로파일을 읽지 못하게 될 우려가 있다. 그러나 실시예1은 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200)가 압입자(131)가 부착된 하중 인가축(110)과 상하 이동 틈새를 이루며 별도로 고정되어 있어, 변형 프로파일 측정지점이 지정된 이후에는 표면형상 측정기는 압입시험 과정 중에 지속적으로 고정된 위치를 유지하고 압입자(131)가 부착된 하중 인가축(110)만 하부로 이동하여 변형을 유발하게 되므로 상기한 문제점이 없게 된다.
실시예2
실시예2는 실시예1에 따른 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법에 관한 것이다.
도4은 실시예1의 흐름도를, 도5는 실시예1을 이용하여 획득된 납표면에 형성된 압흔의 프로파일 그래프를 나타낸다.
도4를 참조하면 실시예2는 하중 인가단계(S10), 프로파일 획득단계(S20), 소성변형 영역 획득단계(S30), 항복강도 획득단계(S40)를 가진다.
도1을 함께 참조하면 하중 인가단계(S10)에서는 하중 인가수단(도면 미도시)을 통하여 하중 인가축(110)에 하중이 가해진다. 하중 인가축(110)에 하중이 가해지면 연결축(120) 및 압입축(130)에 하중이 가해지고, 따라서 압입자(131)가 시편을 압입하게 된다. 압입자(131)가 시편(S)을 압입하게 되면 시편(S)에 압흔이 발생하는데, 시편(S)과 압입자(131)의 접촉부위 주변에 재료 쌓임 현상이 발생하게 된다.
프로파일 획득단계(S20)에서는 압입자(131)에 가해지는 압입 하중이 서서히 증가하여 일정한 최대하중에 도달하게 됨에 따라 시편(S)에 형성되는 압흔의 형상을 표면 형상측정기(200)를 통하여 획득하게 된다. 즉, 프로파일 획득단계(S20)에서는 압입자(131)가 시편(S)의 표면과 접촉한 상태에서 시편(S)에 형성되는 압흔의 형상을 획득하게 된다. 도5의 실선 그래프는 압입자(131)에 가해지는 최대하중이 50 kgf인 경우 프로파일 획득단계(S20)에서 획득된 압흔의 형상을 나타낸다. 이 경 우 압입자(131)는 120도 첨단각을 갖는 원뿔형 텅스텐카바이드 경질 압입자를 사용하였고, 시편(S)은 연질 납(lead)을 사용하였다. 압입자(131)가 시편(S)과 접촉하고 있는 상태에서는 입광부(220)로부터 입사된 레이져 광이 압입자(131) 혹은 압입축(130)에 일부 가려질 수밖에 없으며, 이 결과 도5의 실선 그래프에 도시된 바와 같이 압흔의 프로파일 중앙에 압입자(131) 혹은 압입축(130)에 가려져 레이져 신호가 얻어지지 않는 영역(shaded or dead zone)이 발생한다.
소성변형 영역 획득단계(S30)에서는 프로파일 획득단계(S20)에서 획득된 시편(S)의 표면 형상으로부터 재료쌓임 발생 영역을 확인하여 시편(S)의 소성변형 영역의 직경 2C를 획득하게 된다. 압입변형은 접촉경계 폭의 2-3배 정도에 구속된 국소 변형형태로 나타난다. 따라서 접촉경계 폭이 미분을 통해 측정되게 되면 이 값의 2배 정도에 해당하는 압입자(131)와 접촉을 이룬 중심부 변형영역의 프로파일을 제거하게 된다. 중심부가 제거된 나머지 영역을 연마를 통해 얻어진 초기 미변형 표면의 프로파일로 보고, 이 값을 평균한 값을 원래 시편표면의 높이 값으로 지정하게 된다. 원래 시편표면의 높이 값을 소성변형 영역 전체에서 획득한 프로파일과 중첩하여, 미변형 표면의 평균 높이 값보다 위로 상승한 영역 전체를 소성변형으로 발생한 재료쌓임 영역의 크기로 결정하게 된다.
도5의 실선 그래프로부터 획득된 2C는 (5200.09±74.72) ㎛이다.
항복강도 획득단계(S40)에서는 소성변형 영역 획득단계(S30)에서 획득된 C 값을 아래의 [수학식1]에 대입하여 시편(S)의 항복강도 σys를 획득하게 된다.
σys=3Lmax/(2πC2)
여기서, Lmax는 압입자에 가해지는 최대하중을 나타낸다.
Lmax=50 kgf, C=(5200.09±74.72)/2 ㎛를 [수학식1]에 대입하고 단위를 변환하면 시편(S)의 항복강도 σys는 (34.62±0.99) MPa을 얻는다.
실시예2는 실제로 하중이 가해진 상태에서의 압흔의 형상으로부터 획득된 소성변형 영역의 직경을 사용하므로 하중이 제거된 상태에서의 소성변형 영역의 직경을 사용하는 경우에 비하여 보다 의미있는 강도를 측정할 수 있다. 소성변형 후 회복된 변형 프로파일을 통해 강도정보를 획득하는 경우와 비교하여 실시예2는 하중이 인가된 상태의 소성변형 프로파일을 얻을 수 있기 때문에 고무 등과 같은 탄성회복이 심각한 소재의 변형거동을 파악할 수 있다는 장점이 있다. 즉 고무소재의 압입시험시 하중이 인가되면 변형이 발생하지만 하중이 제거될 경우 원래 표면으로 회복됨으로 인해 정보의 획득이 불가능하다. 하중인가시의 변형프로파일을 얻을 수 있는 기술 확보가 중요성을 갖는 이유는 현재 계장화압입기술(instrumented indentation technique)로 얻어지는 압입곡선의 해석결과는 모두 하중인가 상태, 즉 압입자와 시편 표면이 접촉하고 있는 상태에서 얻어진 결과이기 때문에 실시예2를 통해 얻어진 강도특성의 경우 계장화압입시험 결과와 동등한 비교가 가능한 장점을 갖는다.
한편, 도5의 점선 그래프는 압입자(131)에 가해진 최대하중이 50 kgf인 경우 하중이 제거된 상태에서 획득된 압흔의 형상을 나타낸다. 도5의 점선 그래프는 120도 첨단각을 갖는 원뿔형 텅스텐카바이드 경질 압입자를 사용하였고, 시편(S)은 연질 납(lead)을 사용하였다. 즉, 도5의 점선 그래프는 하중이 제거된 상태에서 획득된 압흔의 형상이라는 점을 제외하고는 도5의 실선 그래프가 획득되는 조건과 동일하다. 따라서, 도5의 점선 그래프는 압입자(131)가 시편(S) 표면으로부터 완전히 이탈된 상태에서 획득되므로 압입자(131)에 의한 레이져 빔 차단이 없기 때문에 압입자(131)와 실제 접촉이 일어나는 접촉영역 형상까지 뚜렷하게 얻을 수 있다.
도5의 점선 그래프를 참조하면 기준면에 비해 위로 융기된 소성영역 직경 2C는 (5273.08±125.72) μm로 측정되었고, 이 값은 도5의 실선 그래프로부터 획득된 소성영역 직경((5200.09±74.72) ㎛)에 비해 1.4 % 미만의 오차를 나타내었다. 즉 시편(S)이 연질 금속인 경우 압입하중 인가 혹은 제거 상태에 상관없이 소성영역 직경 2C는 거의 동일하게 측정됨을 확인할 수 있다.
한편, [수학식1]에 Lmax=50 kgf, 도5의 점선 그래프로부터 획득된 C=(5273.08±125.72)/2 ㎛를 [수학식1]에 대입하고 단위를 변환하면 시편(S)의 항복강도 σys는 33.70±1.63 MPa를 얻는다. 이 값은 도5의 실선 그래프로부터 획득된 C 값을 [수학식1]에 대입하여 획득된 값과 거의 동일함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 경우 실시예1의 국소강도 측정장치로부터 하중이 제거된 상태에서의 압흔의 형상을 획득하고, 이로부터 시편의 강도를 측정할 수도 있는데, 이에 관하여는 아래의 실시예3에서 설명한다.
실시예3
실시예3은 실시예1에 따른 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법에 관한 것이다.
도6은 실시예3의 흐름도를, 도7은 압입자에 하중이 제거된 상태에서 실시예1을 이용하여 획득한 2종의 강과 1종의 알루미늄 합금 표면에 형성된 압흔의 프로파일 그래프를, 도8은 실시예3에 의한 분석결과와 일축 인장시험 결과의 비교 그래프를 나타낸다.
도6을 참조하면 실시예3은 하중 제거 단계(S110), 프로파일 획득단계(S120), 소성변형 영역 획득단계(S130), 항복강도 획득단계(S140), 미분단계(S150), 접촉경계 획득단계(S160), 접촉경도 획득단계(S170), 인장강도 획득단계(S180)를 가진다.
도1을 함께 참조하면 하중 제거 단계(S110)에서는 하중 인가축(110)을 통하여 압입자(131)에서 압입하중을 제거하게 된다. 하중 인가축(110)에 가해진 하중이 제거됨으로써 압입자(131)가 시편(S)으로부터 완전히 이탈하게 된다. 하중 인가축(110)에 하중이 제거됨에 따라 시편(S)에 압흔이 형성된다.
프로파일 획득단계(S120)에서는 압입자(131)가 시편(S)의 표면으로부터 완전히 이탈된 상태에서 표면 형상측정기(200)를 통하여 시편(S)에 형성된 압흔의 형상을 획득하게 된다. 실시예2에서 설명한 바와 같이 도5의 점선 그래프는 실시예3의 프로파일 획득단계(S120)에서 획득된 압흔의 형상을 나타낸다.
소성변형 영역 획득단계(S130)에서는 프로파일 획득단계(S120)에서 획득된 시편(S)의 표면 형상으로부터 재료쌓임 발생 영역을 확인하여 시편(S)의 소성변형 영역의 직경 2C를 획득하게 된다. 실시예2에서 설명한 바와 같이 도5의 점선 그래프를 참조하면 기준면에 비해 위로 융기된 소성영역 직경 2C는 (5273.08±125.72) μm이다.
항복강도 획득단계(S140)에서는 소성변형 영역 획득단계(S30)에서 획득된 C 값을 [수학식1]에 대입하여 시편(S)의 항복강도 σys를 획득하게 된다. 실시예1에서 설명한 바와 같이 [수학식1]에 Lmax=50 kgf, C=(5273.08±125.72)/2 ㎛를 대입하고 단위를 변환하면 시편(S)의 항복강도 σys는 33.70±1.63 MPa를 얻는다.
미분단계(S150)에서는 프로파일 획득단계(S120)에서 획득된 시편(S)의 표면 형상의 높낮이를 압흔의 중심으로부터의 거리를 변수로 미분하게 된다.
접촉경계 획득단계(S160)에서는 미분 단계(S150)에서 획득된 미분값이 0이 되는 지점들을 연결한 폐곡선으로부터 접촉경계 영역의 직경 2ac를 획득하게 된다. 도5의 점선 그래프를 기초로 미분단계(S150) 및 접촉경계 획득단계(S160)를 수행한 결과 2ac는 (2540.74±35.37) μm이다. 미분단계(S150) 및 접촉경계 획득단계(S160)는 본 출원인에 의하여 출원되어 등록된 등록특허(등록번호 KR10-0736436)에 자세히 기술되어 있다.
접촉경도 획득단계(S170)에서는 접촉경계 획득단계(S160)에서 획득된 ac 값 을 아래의 [수학식2]에 대입하여 시편(S)의 접촉경도 H를 획득하게 된다.
H=Lmax/(πac 2)
여기서, Lmax는 압입자에 가해진 최대하중을 나타낸다.
Lmax=50 kgf, ac=(1270.37±17.69)㎛를 [수학식2]에 대입하고 단위를 변환하면 시편(S)의 접촉경도 H는 (96.68±2.66) MPa을 얻는다.
인장강도 획득단계(S180)에서는 접촉경도 획득단계(S170)에서 획득된 접촉경도 H를 소성구속인자 3으로 나누어 시편(S)의 인장강도 σts를 획득하게 된다. 따라서, 인장강도 획득단계(S180)에서 획득되는 시편(S)의 인장강도 σts는 (32.23±0.89) MPa이 된다. 실시예2에서 기술한 바와 같이 도5의 점선 그래프는 압입자(131)에 가해지는 최대하중이 50 kgf이고, 압입자(131)는 120도 첨단각을 갖는 원뿔형 텅스텐카바이드 경질 압입자이고, 시편(S)은 연질 납(lead)을 사용한 경우의 그래프이다.
도7에는 압입자(131)로 직경 1 mm 구형 텅스텐카바이드를 사용하여 2종의 강종과 1종의 알루미늄 합금 표면에 최대깊이 270 ㎛의 구형 압흔을 형성하고, 압입자(131)를 이탈시킨 뒤 실시예1의 표면형상측정기(200)로 측정된 하중이 제거된 상태에서 획득한 압흔 형상의 프로파일(load-off profile) 그래프를 나타낸다.
연질 납에서의 측정 및 분석방법과 동일하게 각 금속 표면에 형성된 프로파일을 미분하여 실제 접촉경계의 크기를 결정할 수 있고, 또한 기준면에 비해 융기된 표면으로부터 소성영역 직경을 결정할 수 있었다.
[수학식1]과 [수학식2]를 이용하여 항복강도와 함께 압입경도를 측정하였고, 또한 경험적인 소성구속인자 3.0을 도입하여 최대 인장강도의 예측도 진행하였다.
도8은 실시예3에 의한 분석결과와 일축 인장시험 결과의 비교 그래프를 나타낸다. 도8을 참조하면 항복강도는 일축 인장시험과 실시예3에 의한 분석결과가 거의 일치하였고, 인장강도의 경우 S45C 강을 제외한 2종의 재료에서 일치하는 양상을 나타내었다. 또한 압입하중-변위곡선의 분석을 통해 얻어진 경도와 프로파일 접촉경계를 이용한 압입경도는 재료쌓임에 대한 고려 유무에 따라서 큰 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다.
도1은 실시예1의 주요부의 정면도.
도2는 실시예1의 하중 인가축 및 압입축의 분해 사시도.
도3은 도2의 하중 인가축 및 압입축의 결합 사시도.
도4은 실시예1의 흐름도.
도5는 실시예1을 이용하여 획득된 납표면에 형성된 압흔의 프로파일 그래프.
도6은 실시예3의 흐름도.
도7은 압입자에 하중이 제거된 상태에서 실시예1을 이용하여 획득한 2종의 강과 1종의 알루미늄 합금 표면에 형성된 압흔의 프로파일 그래프.
도8은 실시예3에 의한 분석결과와 일축 인장시험 결과의 비교 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110:하중 인가축 111:일측단
112:타측단 113:굴곡부
111-H, 112-H:삽입홈
120:연결축 121, 122:제2 체결홈
121-S, 122-S:수나사
130:압입축 131:압입자
200:비접촉 광학식 표면형상 측정기
210:본체부 220:입광부
221:입광면 230:수광부
231:수광면 S:시편

Claims (7)

  1. "U"자형의 하중 인가축(110);
    압입자(131)가 부착되며 상기 하중 인가축(110)에 연결되는 압입축(130);
    고정수단에 의하여 상기 하중 인가축(110)에 끼워져 설치되며,
    상기 하중 인가축(110)에 의해 상기 압입축(130)에 하중이 인가되는 경우 상기 압입자(131)에 의해 시편(S)에 형성되는 압흔의 표면 형상을 획득할 수 있도록, 입광부(220)의 입광면(221)에 수직한 직선 및 수광부(230)의 수광면(231)에 수직한 직선이 각각 상기 압입축(130)과 제1 소정 각도를 유지하며 설치되되, 상기 하중 인가축(110)이 상하로 이동 가능하도록 상기 하중 인가축(110)의 굴곡부(113)와 상하 유동 틈새를 이루며 설치되는 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비접촉 광학식 표면형상 측정기(200)는 일자형의 본체부(210)를 포함하되,
    상기 입광부(220)는 상기 본체부(210)의 양측단을 통과하는 길이방향 중심선과 제2 소정 각도를 이루며 상기 본체부(210) 하부로 돌출되어 상기 본체부(210)의 일단부에 연결되고,
    상기 수광부(230)는 상기 본체부(210)의 양측단을 통과하는 길이방향 중심선과 제2 소정 각도를 이루며 상기 본체부(210) 하부로 돌출되어 상기 본체부(210)의 타단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압입축(130)은 상기 하중 인가축(110)의 개방된 양측단부(111, 112)에 고정 연결되는 일자형의 연결축(120) 중앙부에 수직으로 연결되며,
    상기 본체부(210)는 상기 고정수단에 의해 상기 길이방향 중심선에 수직한 둘레면이 상기 하중 인가축(110)과 상기 연결축(120)에 의해 형성되는 직사각각형 형상의 수용공간에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 표면형상 측정기를 구비한 국소강도 측정장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법으로서,
    상기 하중 인가축(110)을 통하여 상기 압입자(131)에 압입 하중을 가하는 하중 인가 단계;
    상기 압입자(131)에 압입 하중이 인가됨에 따라 시편(S)에 형성되는 압흔의 표면 형상을 상기 비접촉 광학식 표면 형상측정기(200)를 통하여 획득하는 프로파일 획득단계;
    상기 프로파일 획득단계에서 획득된 시편(S)의 표면 형상으로부터 재료쌓임 발생 영역을 확인하여 시편의 소성변형 영역의 직경 2C를 획득하는 소성변형 영역 획득단계;
    상기 소성변형 영역 획득단계에서 획득된 C 값을 σys=3Lmax/(2πC2)에 대입하여 시편(S)의 항복강도 σys를 획득하는 항복강도 획득단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법.
    여기서, Lmax는 압입자(131)에 가해지는 최대하중을 나타낸다.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법으로서,
    상기 하중 인가축(110)을 통하여 상기 압입자(131)에서 압입하중을 제거하는 하중 제거단계;
    상기 압입자(131)에 가해진 압입 하중이 제거된 후 시편(S)에 형성된 압흔의 표면 형상을 상기 비접촉 광학식 표면 형상측정기(200)를 통하여 획득하는 프로파 일 획득단계;
    상기 프로파일 획득단계에서 획득된 시편(S)의 표면 형상으로부터 재료쌓임 발생 영역을 확인하여 시편(S)의 소성변형 영역의 직경 2C를 획득하는 소성변형 영역 획득단계;
    상기 소성변형 영역 획득단계에서 획득된 C 값을 σys=3Lmax/(2πC2)에 대입하여 시편(S)의 항복강도 σys를 획득하는 항복강도 획득단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법.
    여기서, Lmax는 압입자(131)에 가해지는 최대하중을 나타낸다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로파일 획득단계에서 획득된 시편(S)의 표면 형상의 높낮이를 압흔의 중심으로부터의 거리를 변수로 미분하는 미분 단계;
    상기 미분 단계에서 획득된 미분값이 0이 되는 두 지점을 결정하여 접촉경계 영역의 직경 2ac를 획득하는 접촉경계 획득단계;
    상기 접촉경계 획득단계에서 획득된 ac 값을 H=Lmax/(πac 2)에 대입하여 시편(S)의 접촉경도 H를 획득하는 접촉경도 획득단계;
    여기서, Lmax는 압입자(131)에 가해지는 최대하중을 나타낸다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접촉경도 H를 소성구속인자 3으로 나누어 시편(S)의 인장강도 σts를 획득하는 인장강도 획득단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소강도 측정장치를 이용한 시편의 강도 측정방법.
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