KR101062951B1 - 피로 시험 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피로 시험 방법에 관한 것으로, 피로 시험기에 탄성파 측정기를 장착하고, 탄성파 측정기에 의해 계측되는 탄성파의 파형을 분석하여 탄성파의 진폭이 임계치 이상에서 일정 시간 유지되면 피로 파괴로 판단한다.

본 발명에 의하면, 자동차용 강재의 실물 부품의 내구 평가시 탄성파를 이용하여 균열 파괴를 정확히 검출할 수 있고, 그에 따라 자동차용 부품 소재의 선택 및 설계 시 정확한 내구 설계를 제공할 수 있다.

피로 시험, 탄성파, 탄성파 측정기, 자동차용 강재

Description

피로 시험 방법{Testing method of fatigue}

본 발명은 피로 시험 방법에 관한 것으로, 특히 탄성파(Acoustic Emission; AE)를 이용한 피로 시험 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 산업 현장에서 구조물, 기계부품, 자동차 및 항공기의 부재 등은 그 안전성이 보장되게 설계되어야 하며, 또한 재료의 절감을 위하여 고강도화, 경량화 설계를 도입하고 있다.

그런데, 상기 구조물 등은 반복 응력을 받게 되면 그 재질의 정적 강도(static strength)보다 상당히 작은 값이라도 오랫동안 반복되면 파괴에 이르게 되는데, 이러한 현상을 피로 파괴(fatigue failure)라고 한다. 실제 구조물의 90% 이상은 피로와 관련된 것이다. 이러한 피로 파괴는 소재의 불순물 또는 결함, 키웨이(keyway)와 같이 단면이 급격히 변하는 곳, 기계 가공 시 생기는 흠 등에서 시작된다.

피로 수명은 피로 파괴에 의한 수명으로서, 부재 설계의 필수적인 요소의 하 나이다. 피로 하중이 작용하는 부재에 대하여 피로 수명을 정확하게 예측함으로써 부재 파단의 원인을 정확하게 진단하여 수명을 연장시킬 수 있도록 하고, 그 결과에 따라 구조물의 사이즈나 가공을 설계 및 수행할 수 있도록 한다.

한편, 자동차용 강재의 피로 수명은 자동차 실물 부품의 내구 설계에서 초기 균열 발생 시 구조물의 파손으로 인정하게 된다. 따라서, 초기 균열의 정확한 평가가 중요하다.

그런데, 종래의 자동차용 강재는 내구 시험 시 현장 경험에 의지하여 균열을 발견하였다. 즉, 육안 식별과 일정한 하중-변위 제어에 의한 파손 제어 방법으로 균열을 발견하였다. 그러나, 이러한 방법들은 피로 시험의 일관성이 없으며, 시험을 중단하고 육안으로 균열을 식별해야 하기 때문에 정확한 균열 발견이 어렵다.

본 발명은 시편의 파손시 발생되는 탄성파를 이용하여 실물 부품의 내구 평가 시 정확한 피로 수명을 평가할 수 있는 피로 시험 방법을 제공한다.

본 발명은 피로 시험기에 탄성파 측정기를 장착하고, 탄성파 측정기에 의해 계측되는 탄성파의 파형을 분석하여 탄성파의 진폭이 임계치 이상에서 일정 시간 유지되면 피로 균열로 판단하는 피로 시험 방법을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따른 피로 시험 방법은 시편에 초음파를 인가하고 상기 시편에 응력을 가하는 단계; 상기 시편에 가해지는 응력에 따라 상기 시편으로부터 발생되는 탄성파를 검출하는 단계; 및 상기 탄성파의 진폭 및 유지 시간에 따라 상기 시편의 피로 균열을 판단하는 단계를 포함한다.

상기 탄성파가 설정된 임계치 이상의 진폭으로 설정된 유지 시간 이상 유지될 경우 상기 시편의 피로 균열로 판단한다.

본 발명은 피로 시험기에 탄성파 측정기를 장착하고, 탄성파 측정기에 의해 계측되는 탄성파의 파형을 분석하여 탄성파의 진폭이 임계치 이상에서 일정 시간 유지되면 피로 균열로 판단한다.

본 발명에 의하면 자동차용 강재의 실물 부품의 내구 평가시 탄성파를 이용하여 균열 파괴를 정확히 검출할 수 있고, 그에 따라 자동차용 부품 소재의 선택 및 설계 시 정확한 내구 설계를 제공할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 탄성파를 이용한 피로 파괴 시험 장치의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄성파를 이용한 피로 시험 장치는 컴퓨터(10), 콘트롤러(20), 서보밸브(30), 실린더(40), 거리 센서(50), 응력 측정 센서(60), 상하지지대(70), 시편(80), 고정체(90), 탄성파 측정기(100)를 포함한다.

컴퓨터(10)는 작업자가 원하는 시험 조건을 입력하고, 시험 결과를 콘트롤러(20) 및 탄성파 측정기(100)로부터 수신한다. 특히 컴퓨터(10)는 탄성파 측정기(100)로부터 수신된 시편(80)의 파손에 따른 탄성파를 특정 파형의 그래프로 디스플레이한다. 컴퓨터(10)는 탄성파 측정 그래프가 설정된 범위를 벗어나고, 그 지속 시간이 설정된 시간을 벗어나는 경우 시편(80)의 파괴로 판정한다.

한편, 본 발명에 따른 시편(80)의 파괴에 따른 신호가 디스플레이되는 컴퓨터(10)는 이에 한정되는 것은 아니고 계측 장치 등과 함께 일체형으로 모듈화된 휴대용 장치일 수도 있다.

컴퓨터(10)에 의해 입력되는 시험 조건으로는 시편(80)에 가해지는 압력, 압력의 지속 시간, 압력의 변화 주기 등 다양하다.

콘트롤러(20)는 컴퓨터(10)로부터 시험 조건을 수신하고, 그에 따라 서보 밸브(30)를 구동한다. 또한, 콘트롤러(20)는 거리 센서(50) 및 응력 측정 센서(70)로부터 측정된 실린더(40)의 이동 거리 및 이에 따른 응력값을 입력받고, 이를 컴퓨터(10)에 전달한다.

서보 밸브(30)는 콘트롤러(20)로부터의 신호에 따라 실린더(40)를 이동시키기 위한 오일의 양을 결정한다. 또한, 실린더(40)는 서보 밸브(20)로부터 입출되는 오일의 양에 따라 업다운 동작을 하게 되며, 이에 따라 실시간으로 시편(80)에 압력을 인가하여 시편(80)의 파괴 시험을 실시한다.

거리 센서(50)는 실린더(40)의 업다운에 의한 위치를 검출하고, 그에 따른 신호를 콘트롤러(20)에 제공한다. 또한, 응력 측정 센서(60)는 실린더(40)의 이동에 의해 시편(80)에 가해지는 응력을 측정하며, 시편(80)에 가해지는 응력을 전기적인 신호로 변환하여 콘트롤러(20)에 제공한다.

상하 지지대(70)는 실린더(40) 및 시편(80)을 지지하고, 고정체(90)는 상하 지지대(70)에 고정되어 시편(80)을 고정하게 된다. 시편(80)은 피로 시험을 실시하는 대상으로, 본 실시 예에서는 자동차용 강재의 실물 부품을 이용한다.

한편, 탄성파 측정기(100)는 시편(80)에 초음파를 공급하고, 시편(80)의 상태, 즉 시편(80)의 균열 발생에 따른 탄성파를 수신하여 그에 따른 파형을 컴퓨터(10)를 통해 디스플레이한다. 탄성파 측정기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 계측부(110), 기록부(120) 및 신호 처리부(130)를 포함하며, 계측부(110)는 또한 초음파 송수신기(111) 및 변환기(112)를 포함한다. 계측부(110)의 초음파 송수신기(111)는 시편(80)에 초음파를 공급하고, 시편(80)의 균열 등의 파손에 따른 탄성파를 수신한다. 변환기(112)는 초음파 송수신기(111)로부터 시편(80)의 파손에 따른 탄성파를 수신하고, 이를 디지털 신호로 변환한다. 기록부(120)는 변환기(112)에 의해 변환된 디지털 신호로 저장하고, 신호 처리부(130)는 디지털 신호를 컴퓨터(10)에 디스플레이하기 위한 데이터 처리를 실시한다. 또한, 탄성파 측정기(100)를 구성하는 각 모듈은 신호의 잡음을 방지하기 위하여 동축 케이블(미도시)로 연결한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 피로 시험 장치를 이용한 피로 시험 방법을 도 3 및 도 4를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명에 따른 피로 시험 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 탄성파 측정기에 의해 측정된 탄성파의 일 예의 그래프이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 고정체(90)에 시편(80)을 고정한 후 탄성파 측정기(100)로부터 시편(80)에 초음파를 인가하고(S310), 컴퓨터(10)를 통하여 작업자가 원하는 시험 조건을 입력한다(S320).

콘트롤러(20)는 컴퓨터(10)로부터 시험 조건을 수신하고, 그에 따라 서보 밸브(30)를 동작시킨다. 이에 따라 서보 밸브(30)는 작업자의 시험 조건에 따른 오일의 유입량을 제어하여 실린더(40)가 작동하도록 한다(S330).

실린더(40)의 이동 거리는 거리 센서(50)에 의해 측정되고, 실린더(40)의 업다운 동작에 의해 시편(80)에 가해지는 응력의 변화는 응력 측정 센서(60)에 의해 측정되어 콘트롤러(20)를 통해 컴퓨터(10)에 전달된다. 그리고, 실린더(40)에 의한 압력에 따라 시편(80)의 상태가 변화하고, 그에 따른 탄성파가 발생되어 탄성파 측정기(100)를 통해 컴퓨터(10)에 전달된다(S340). 즉, 계속적인 실린더(40)의 반복적인 압력에 의해 시편(80)에 크랙 등의 균열이 발생하면, 시편(80)을 진행하던 초음파가 결함 부위 또는 경계면에 부딪혀 탄성파가 발생되고, 이러한 탄성파가 탄성파 측정기(100)에 의해 측정되어 컴퓨터(10)에 전달된다. 또한, 컴퓨터(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 예를들어 시간과 진폭에 따른 탄성파 그래프를 디스플레이한다.

이때, 탄성파 측정기(100)에 의해 측정된 탄성파가 설정된 임계치보다 높은 진폭을 갖는지 확인하고(S350), 또한 설정된 유지 시간 이상 동안 임계치보다 높은 진폭을 갖는지 확인한다(S360). 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 탄성파의 진폭이 임계치 이하(A)인지 임계치 이상인지 확인하고, 탄성파의 진폭이 임계치 이상으로 설정된 시간 이상(B)을 유지하는지 확인한다. 탄성파가 설정된 임계치 이상으로 설정된 유지 시간 이상 유지하면 시편(80)의 피로 균열로 판단하고(S370), 콘트롤러(20)를 통하여 서보 밸브(30)의 동작을 중지하고 피로 시험을 종료한다. 이때, 탄성파가 설정된 임계치 및 유지 시간 이상으로 발생될 때의 압력을 피로 압력으로 한다.

또한, 탄성파 측정기(100)에 의해 측정된 탄성파가 설정된 임계치보다 낮거나 설정된 유지 시간 이하로 유지될 경우 시험 조건을 변경하여 시편(80)에 압력을 인가한다.

도 5는 본 발명에 따른 탄성파를 이용한 피로 시험 방법을 적용한 일 예로서, 자동차용 샤시 부품의 피로 시험 결과이다. 도시된 바와 같이 자동차용 샤시 부품을 피로 시험 장치에 설치하고, 자동차용 샤시 부품에 초음파를 인가한다. 그리고, 자동차용 샤시 부품에 압력을 인가하고, 이때 발생되는 탄성파를 측정하여 자동차용 샤시 부품의 피로 시험을 실시한다. 또한, 탄성파는 컴퓨터를 통해 디스플레이된다.

이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 피로 시험 장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 피로 시험 장치에 이용되는 탄성파 측정기의 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 피로 시험 방법의 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 피로 시험 방법에서 탄성파 측정기에 의해 측정된 탄성파의 파형도.

도 5는 본 발명에 따른 피로 시험 방법을 자동차용 샤시 부품에 적용한 경우의 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 탄성파 측정기 110 : 계측부

120 : 기록부 130 : 신호 처리부

111 : 초음파 송수신기 112 : 변환기

Claims (2)

1. 탄성파 측정기로부터 시편에 초음파를 인가하는 단계;

   작업자가 원하는 시험 조건에 따라 상기 시편 상에 위치한 서보 밸브 및 실린더를 작동하여 상기 시편에 압력을 인가하는 단계;

   상기 실린더의 이동 거리 및 상기 시편에 가해지는 응력 변화를 측정하는 단계;

   상기 실린더에 의해 상기 시편에 인가되는 압력에 따라 상기 시편의 상태가 변화하고, 그에 따라 발생되는 탄성파를 상기 탄성파 측정기가 측정하는 단계; 및

   상기 탄성파의 진폭 및 유지 시간에 따라 상기 시편의 피로 균열을 판단하는 단계를 포함하는 피로 시험 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성파가 설정된 임계치 이상의 진폭으로 설정된 유지 시간 이상 유지될 경우 상기 시편의 피로 균열로 판단하는 피로 시험 방법.

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