KR101529608B1 - 가스환경 소형펀치 시험장치, 이를 이용한 시험방법, 분석방법 및 기록매체 - Google Patents

가스환경 소형펀치 시험장치, 이를 이용한 시험방법, 분석방법 및 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 침식성 가스 환경의 금속 시험편에 대한 소형펀치 시험 시, 임계파괴점을 명확하게 파악하기 위한 가스환경 소형펀치 시험장치, 이를 이용한 시험방법, 분석방법 및 기록매체에 관한 것이다. 이를 위하여 가스환경 소형펀치 시험장치에 있어서, 시험대상인 금속의 박판 형태로 구성되는 시험편; 일측이 개방되고, 내부에 시험가스가 충전되는 공간이 구비되며, 공간이 밀폐되도록 시험편이 고정되고, 밀폐된 공간에 시험가스가 충전되는 실린더; 및 시험편의 시험가스와 접하지 않는 면에 수직으로 펀치하중을 인가하는 펀치;을 포함하고, 펀치는 시험편의 굽힘변위를 점진적으로 증가시키면서 펀치하중의 인가와 펀치하중의 제거를 반복하는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치를 제공할 수 있다. 이에 따르면 침식성 가스 환경에서 금속 시험편의 임계파괴점의 파악이 용이해지는 효과가 있다.

Description

가스환경 소형펀치 시험장치, 이를 이용한 시험방법, 분석방법 및 기록매체{Small Punch Testing Apparatus under Gas Environment, Testing Method, Analysis Method and Recording Medium using the same}
본 발명은 가스환경의 금속 시험편에 대한 소형펀치 시험장치, 이를 이용한 시험방법, 분석방법 및 기록매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 침식성 가스 환경의 금속 시험편에 대한 소형펀치 시험 시, 임계파괴점을 명확하게 파악하기 위한 가스환경 소형펀치 시험장치, 이를 이용한 시험방법, 분석방법 및 기록매체에 관한 것이다.
수소 가스환경에서 금속 소재의 손상에 대응하는 물성변화를 파악할 수 있는 가장 간단한 방법에는 초고압 오토클레이브와 재료역학시험기를 복합한 형태를 이용하는 방법이 있다. 하지만, 이러한 방법은 수소환경의 구현이나 복잡한 시험제어에서 오는 경제적인 문제와 함께 대규모의 초고압 수소가스를 운용하는 데서 오는 안전 문제가 부각되고 있다. 이러한 난제들의 해결할 수 있는 방법으로 제시된 것이 중공형 시험편을 이용한 역학시험이며, 최근에는 가스환경 소형펀치 시험장치가 또 다른 해결책으로 제시되었다.
가스환경 소형펀치 시험장치에 관하여, 도 1은 가스환경 소형펀치 시험장치를 도시한 분해도, 도 2는 가스환경 소형펀치 시험장치의 내부를 도시한 단면도이다. 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 가스환경 소형펀치 시험장치(1)는 상부지그(10), 하부지그(12), 시험편(3), 가스압 계측기(14), 가스주입구(16), 고정수단(18), 펀치(20)로 구성될 수 있다.
이러한 가스환경 소형펀치 시험장치(1)는, 0.5mm 두께의 시험편을 상부지그(10) 및 하부지그(12)의 사이에 고정하게 된다. 시험편(3)과 상하부 지그 사이에 오링이나 금속접촉(metal contact)을 통해 하부지그(12)의 내부에 밀폐된 가스실(19)을 형성하게 된다. 상기 밀폐된 가스실(19)에 가스 주입구(16)를 통해 시험가스를 채우고, 상부지그(10) 위에서 볼펀치, 플랫펀치 등의 펀치(20)를 삽입하여 시험편(3)에 하중을 인가하게 된다. 이러한 과정을 거쳐 펀치하중-굽힘변위 곡선 데이터를 얻게 된다.
펀치하중-굽힘변위 곡선 데이터와 관련하여, 도 3은 질소가스 및 수소가스 환경에서의 펀치하중-굽힘변위 곡선 데이터를 도시한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 펀치하중-굽힘변위 곡선 데이터는 탄성굽힘, 항복, 소성굽힘, 소성막신장 및 파괴단계를 포함한다.
이러한 가스환경 소형펀치 시험장치(1)는 중공형 시험편의 인장시험과 마찬가지로 탄/소성 변형과정과 파괴거동을 모두 초기데이터로 획득할 수 있는 장점 및 박판 형태의 시험편 만으로 시험이 가능한 장점이 있다.
이때, 침식성 가스에 의한 손상의 경우 소형펀치 에너지의 도출을 통한 취화정도 또는 연성 파괴 변형률의 감소가 주요 측정 인자가 되기 때문에 임계파괴점의 결정이 매우 중요하다. 소형펀치 에너지는 원점에서 임계파괴점까지의 펀치하중-굽힘변위 곡선 데이터의 적분값이다.
질소가스 시험결과는, 도 3에 도시된 바와 같이 파괴거동이 1회 일순간에 걸쳐 발생한다. 이와 달리 수소가스 시험결과는 낮은 펀치하중(punch load), 낮은 굽힘변위(deflection)에서 정점이 발생하고, 펀치하중 정점 이후 파괴거동이 계단식으로 발생하게 되며, 소성막신장구간에서 갑자기 파괴된다. 즉, 침식성 가스를 이용하여 가스환경 소형펀치 시험을 하는 경우 명확한 임계파괴점의 도출이 곤란한 문제점이 있다.
임계파괴점의 물리적 정의는 시험가스가 충전된 환경에서 시험편에 관통형 균열(through-thickness cracks)이 형성되는 지점이라고 할 수 있으나, 펀치와 시험편 사이에 역학적 접촉 실링(metal contact seal)이 형성되어 시험가스의 누출이 발생하지 않아서 시험가스의 누출로도 명확한 임계파괴점을 결정할 수 없었다.
따라서 종래에는 펀치하중 정점 또는 펀치하중 정점에 비해 수% 하중이 감소된 지점 등으로 임의적으로 임계파괴점을 결정하고 있는 실정이었다.
등록특허 10-1177429
Y.-H. Lee, H. M. Lee, Y.-i. Kim and S. H. Nahm, Mechanical degradation of API X65 Pipeline Steel by Exposure to Hydrogen Gas, Met. Mater. Int., Vol. 17 (2011) pp. 389-395.
따라서 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.
본 발명의 목적은, 침식성 가스 환경의 금속 시험편에 대한 소형펀치 시험 시, 단일 펀치하중만 인가하는 방법(monotonic punch loading) 대신에, 펀치하중의 인가와 제거를 반복하는 다중 펀치하중(multiple punch loading and unloading)을 통해 침식성 가스의 누출을 유도하고, 이를 통해 임계파괴점을 도출하는 가스환경 소형펀치 시험장치 및 이를 이용한 시험방법을 제공하는데에 있다.
이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.
본 발명의 제1목적은 가스환경 소형펀치 시험장치에 있어서, 시험대상인 금속의 박판 형태로 구성되는 시험편; 일측이 개방되고, 내부에 시험가스가 충전되는 공간이 구비되며, 상기 공간이 밀폐되도록 상기 시험편이 고정되고, 밀폐된 상기 공간에 상기 시험가스가 충전되는 실린더; 및 상기 시험편의 상기 시험가스와 접하지 않는 면에 수직으로 펀치하중을 인가하는 펀치;을 포함하고, 상기 펀치는 상기 시험편의 굽힘변위를 점진적으로 증가시키면서 상기 펀치하중의 인가와 상기 펀치하중의 제거를 반복하는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치를 제공하여 달성될 수 있다.
또한 상기 펀치하중의 제거는, 인가된 상기 펀치하중의 99.2% 이상이 제거되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 펀치하중의 인가는, 상기 펀치하중의 인가 시의 상기 굽힘변위를 10~100μm 씩 점진적으로 증가시키면서 반복되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 펀치하중 제거 시, 상기 시험가스의 실린더 내부 가스압이 감소되는 것을 기초로 상기 시험편의 임계파괴점을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 펀치하중 제거 시, 상기 시험편에서 발생되는 상기 시험가스의 누출에 의한 상기 펀치하중의 반등을 기초로 상기 시험편의 임계파괴점을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 시험편의 파괴가 발생되지 않는 상기 시험편의 소성막신장구간 중 어느 하나의 점까지는, 상기 펀치하중의 제거를 시행하지 않고, 단일 펀치하중이 인가되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 펀치하중 정점에서 굽힘변위 100~200μm 이전의 점까지는, 상기 펀치하중의 제거를 시행하지 않고, 단일 펀치하중이 인가되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 시험가스는 침식성 가스인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치를 이용한 시험대상인 금속의 박판형태로 구성되는 시험편의 가스환경 소형펀치 시험방법에 있어서, 상기 시험편을 상기 가스환경 소형펀치 시험장치의 일구성인 실린더에 설치하는 시험편 설치단계; 상기 시험편과 상기 실린더에 의해 밀폐되는 공간에 시험가스를 주입하는 시험가스 주입단계; 상기 가스환경 소형펀치 시험장치의 일구성인 펀치로 상기 시험편의 일면에 펀치하중을 인가하여 상기 시험편에 굽힘변위를 제공하는 펀치하중 인가단계; 상기 펀치가 상기 시험편에 인가하는 상기 펀치하중을 제거하는 펀치하중 제거단계; 및 상기 시험편의 임계파괴점을 확인하는 파괴확인단계;를 포함하고, 상기 시험편의 임계파괴점이 확인될 때까지 상기 펀치하중 인가단계와 상기 펀치하중 제거단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험방법을 제공하여 달성될 수 있다.
또한 상기 펀치하중 제거단계는, 인가된 상기 펀치하중의 99.2% 이상을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 펀치하중 인가단계는, 상기 펀치하중 인가 시의 굽힘변위를 10~100μm씩 점진적으로 증가시키면서 반복되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 파괴확인단계는, 상기 펀치하중 제거단계에서 상기 시험가스의 실린더 내부 가스압이 감소되는 것을 기초로 상기 시험편의 임계파괴점을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 파괴확인단계는, 상기 펀치하중 제거단계에서 상기 시험편에 발생되는 상기 시험가스의 누출에 의한 상기 펀치하중의 반등을 기초로 상기 시험편의 임계파괴점을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 펀치하중 인가단계는, 상기 시험편의 파괴가 발생되지 않는 상기 시험편의 소성막신장구간 중 어느 하나의 점까지는, 상기 펀치하중 제거단계를 시행하지 않고, 단일 펀치하중을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 펀치하중 인가단계는, 펀치하중 정점에서 굽힘변위 100~200μm 이전의 점까지는, 상기 펀치하중의 제거를 시행하지 않고, 단일 펀치하중을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 시험가스는 침식성 가스인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 시험대상인 금속의 박판형태로 구성되는 시험편의 가스환경 소형펀치시험 분석방법에 있어서, 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치를 이용하여 상기 시험편의 펀치하중-굽힘변위 그래프를 도출하는 제1단계; 상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 펀치하중값과 굽힘변위값이 동시에 감소하는 펀치하중 제거구간에서, 상기 펀치하중값이 일시적으로 상승하는 리바운딩 포인트를 도출하는 제2단계; 도출된 상기 리바운딩 포인트가 발생된 펀치하중 값을 임계파괴점으로 결정하는 제3단계; 및 상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 원점에서부터 결정된 상기 임계파괴점까지의 적분을 통해 소형펀치 에너지를 도출하는 제4단계;를 포함하는 가스환경 소형펀치시험 분석방법을 제공하여 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 시험대상인 금속의 박판형태로 구성되는 시험편의 가스환경 소형펀치시험 분석방법이 저장된 기록매체에 있어서, 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치를 이용하여 상기 시험편의 펀치하중-굽힘변위 그래프를 도출하는 제1단계; 상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 펀치하중값과 굽힘변 위값이 동시에 감소하는 펀치하중 제거구간에서, 상기 펀치하중값이 일시적으로 상승하는 리바운딩 포인트를 도출하는 제2단계; 도출된 상기 리바운딩 포인트가 발생된 펀치하중 값을 임계파괴점으로 결정하는 제3단계; 및 상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 원점에서부터 결정된 상기 임계파괴점까지의 적분을 통해 소형펀치 에너지를 도출하는 제4단계;를 실행하는 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하여 달성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따르면 침식성 가스 환경에서 금속 시험편의 임계파괴점의 파악이 용이해지는 효과가 있다.
둘째, 본 발명에 따르면, 과도한 균열 전파 없이 초기 파괴지점을 선정할 수 있는 효과가 있다. 종래에는 과도한 균열의 성장과정이 이루어진 후에 파괴를 확인할 수 있었기 때문에 파원(fracture origin)을 찾거나 파괴분석에 어려움이 있었다.
셋째, 본 발명에 따르면, 관통형 균열이 발생하는 임계파괴점까지의 펀치하중-굽힘변위 곡선을 적분함으로써, 침식성 가스로 인한 소형펀치 파괴에너지의 변화 등의 물성정보를 보다 정확하게 판단하기가 용이해지는 효과가 있다.
넷째, 본 발명에 따르면, 일정 굽힘변위까지 단일 펀치하중을 인가하여 시험 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다. 임계파괴점은 소성막신장 구간의 어느 순간에 발생된다.
다섯째, 본 발명에 따르면, 리바운딩 포인트와 가스압 계측기를 이용하여 동시에 시각적으로 임계파괴점을 확인할 수 있는 장점이 있다. 종래의 경우 펀치하중이 크게 떨어져 완전히 파괴가 진행되었다고 판단되는 시점까지 가스압이 유지되기 때문에 파괴지점을 정확히 파악할 수 없었다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 가스환경 소형펀치 시험장치를 도시한 분해도,
도 2는 가스환경 소형펀치 시험장치의 내부를 도시한 단면도,
도 3은 질소가스 및 수소가스 환경에서의 펀치하중-굽힘변위 곡선 데이터를 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치에서 펀치하중이 인가된 상태의 모식도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치에서 시험편에 투과성 균열이 형성된 상태의 모식도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘변위를 시간에 대해 도시한 굽힘변위-시간 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 펀치하중을 굽힘변위에 대해 도시한 펀치하중-굽힘변위 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치의 리바운딩 포인트를 도시한 모식도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험방법을 도시한 흐름도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험에서 도출된 펀치하중-굽힘변위 그래프를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<가스환경 소형펀치 시험장치>
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치에서 펀치하중이 인가된 상태의 모식도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치에서 시험편에 투과성 균열이 형성된 상태의 모식도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치(1)는 상부지그(10), 하부지그(12), 시험편(3), 가스압 계측기(14), 가스주입구(16), 고정수단(18), 펀치(20)로 구성될 수 있다.
시험편(3)은 예를 들어 금속재질의 0.5mm 두께의 박편으로 구성될 수 있다. 연성 또는 취성의 금속으로 구성될 수 있다. 상부지그(10), 하부지그(12) 및 고정수단(18)에 의해 상부지그(10) 및 하부지그(12)의 사이에서 고정될 수 있다. 시험편(3)과 상부지그(10) 또는 하부지그(12)에는 메탈 컨택으로 인한 역학적 접촉 실링에 의해 실링 구성될 수 있다. 침식성 시험가스에 의해 손상이 발생될 수 있고, 이에 의해 취화될 수 있으며 파괴거동이 상이해질 수 있다. 펀치(20)에 의하여 펀치하중이 인가되어 펀치하중-굽힘변위 그래프가 도출된다.
시험가스는 불활성 기체, 수소 기체 등 각종 시험기체가 가능하나, 본 발명에서는 주로 H2, H2S, HCl 등의 침식성 기체환경에 대한 시험에 이용되는 것이 바람직하다. 오링과 같은 실링부재가 아닌 메탈 컨택에 의한 역학접 접촉 실링이 구현된 경우 20MPa 이내, 바람직하게는 10MPa의 압력으로 시험될 수 있다. 불활성 기체환경에서 형성되는 시험편의 균열은 침식성 기체환경에서의 균열보다 더 중심부에 가깝게 형성된다.
상부지그(10), 하부지그(12)는 고정수단(18)에 의해 밀착되도록 고정되어 내부에 가스실(19)을 구비하는 실린더를 형성할 수 있다. 상부지그(10)와 하부지그(12)의 사이에는 시험편(3)이 장착될 수 있도록 공간이 구비되며, 시험편(3)과 상부지그(10) 또는 하부지그(12)는 메탈 컨택에 의한 역학적 접촉 실링이 구현될 수 있다. 오링 등에 의한 실링부재에 의해 실링이 구현될 수도 있다. 시험편(3)과 하부지그(12)에 의해 밀폐된 가스실(19)이 구현된다. 이러한 가스실(19)에는 시험가스가 충전되게 된다.
가스압 계측기(14)는 밀폐된 가스실(19)의 시험가스 가스압을 계측하는 구성이다. 시험편(3)에 관통형 균열(100)이 발생한 경우, 시험가스가 누출되어 가스실(19)의 시험가스 가스압 하강이 발견될 가능성이 있다.
펀치(20)는 시험편(3)에 펀치하중을 인가하는 구성이다. 예를 들어 1.5mm 반경의 WC-Co 펀치가 이용될 수 있다. 펀치(20)의 형상은 볼(ball) 펀치 형태 또는 플랫(flat)펀치 형태 등으로 구성될 수 있다.
펀치(20)에 관하여, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘변위를 시간에 대해 도시한 굽힘변위-시간 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치(1)는 펀치하중의 인가와 제거를 반복적으로 제공하는 것을 특징으로 한다. 10~100μm의 단위로 굽힘변위를 증가시키면서 펀치하중을 점진적으로 크게 인가할 수 있다.
본 발명의 제1실시예와 관련하여, 도 6의 굽힘변위-시간 그래프에 실선으로 도시된 바와 같이, 굽힘변위가 점진적으로 커지도록 펀치하중을 점진적으로 상승시키면서 펀치하중의 인가와 제거를 반복할 수 있다. 이를 다중 펀치하중의 인가 및 제거(Multiple punch-load loading and unloading)라고 칭할 수 있다.
본 발명의 제2실시예와 관련하여, 도 6의 굽힘변위-시간 그래프에 점선으로 도시된 바와 같이, 기설정된 굽힘변위까지는 단일 펀치하중을 인가(Monotonic punch-load)하고, 그 이후부터 다중 펀치하중의 인가 및 제거를 실행할 수 있다. 기설정된 굽힘변위는 소성막신장구간의 어느 한 점으로 설정될 수 있다. 또는 기설정된 굽힘변위는 펀치하중 정점에서 100~200μm 이전의 굽힘변위로 설정될 수 있다. 침식성 시험가스에 의한 소형펀치 시험의 경우, 소성막신장구간 중에 갑자기 임계파괴가 일어나기 때문이다.
펀치하중의 제거 시, 펀치하중을 95% 제거한 경우에도 펀치와 시험편의 물리적 밀착이 유지된다. 따라서 95% 정도 펀치하중을 제거한 경우에도 관통형 균열(100)로 시험가스가 용이하게 누출되기 어렵다. 따라서 99.9% 이상 펀치하중을 제거한 경우에 시험가스의 누출을 확정적으로 확인할 수 있다. 바람직하게는 99.2% 이상 펀치하중을 제거한 경우 시험가스의 누출을 어느 정도 원활하게 확인할 수 있다.
이러한 다중 펀치하중의 인가 및 제거와 관련하여, 첫째로 침식성 가스 환경에서 금속 시험편의 임계파괴점의 파악이 용이해지는 효과가 있다. 둘째로 과도한 균열 전파 없이 초기 파괴지점을 선정할 수 있는 효과가 있다. 종래에는 과도한 균열의 성장과정을 거쳐서 임계파괴점을 확인하였다. 이 때문에 종래에는 파원을 확인할 수 없는 문제점이 있었다. 셋째로 관통형 균열(100)이 발생하는 임계파괴점까지의 펀치하중-굽힘변위 곡선을 적분함으로써, 침식성 가스로 인한 소형펀치 파괴에너지의 변화 등의 물성정보를 보다 정확하게 판단하기가 용이해지는 효과가 있다. 넷째로 일정 굽힘변위까지 단일 펀치하중을 인가하여 시험 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다. 임계파괴점은 소성막신장 구간의 어느 순간에 발생된다.
임계파괴점의 판단과 관련하여, 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치(1)는 리바운딩 포인트와 시험가스의 가스압 감소를 기초로 임계파괴점을 판단할 수 있다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 펀치하중을 굽힘변위에 대해 도시한 펀치하중-굽힘변위 그래프, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치의 리바운딩 포인트를 도시한 모식도이다. 도 7에서 실선은 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 펀치하중의 인가 및 제거에 의한 시험이고, 점선은 본 발명의 제2실시예에 따라 기설정된 굽힘변위까지는 단일 펀치하중을 인가하는 방법의 시험을 도시한 것이다. 펀치하중 제거 시 굽힘변위가 감소하는 것은 시험편(3)의 탄성회복 때문이다.
도 7, 8에 도시된 바와 같이, 펀치하중 제거 시 시험편(3)의 투과성 균열로 시험가스가 누출되면서 펀치(20)를 밀어올려 펀치하중에 반등이 발생된다. 이러한 반등으로 펀치하중-굽힘변위 그래프에는 리바운딩 포인트가 도시되는 것이다. 이러한 리바운딩 포인트가 발생되는 펀치하중이 임계파괴점으로 정의된다.
임계파괴점의 판단은 원칙적으로 시험가스 가스압의 하강에 의해서 도출되어야 한다. 그러나 이러한 리바운딩 포인트에 의하면, 시각적으로 임계파괴점을 확인할 수 있는 장점이 있다. 종래에는 가스압 계측기로 시험가스량을 수시로 확인해야하는 문제점이 있었으나, 본 발명은 가스압 계측기를 계속 눈으로 볼 필요 없이 실험결과만 보고 임계파괴점을 파악할 수 있는 장점이 있다.
<가스환경 소형펀치 시험방법>
본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험방법과 관련하여, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험방법을 도시한 흐름도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험방법은 시험편 설치단계(S10), 시험가스 주입단계(S20), 펀치하중 인가 및 제거 반복단계(S30), 파괴확인단계(S40)로 구성될 수 있다.
시험편 설치단계(S10)는, 상부지그 및 하부지그 사이에 시험편을 설치하고 오링과 같은 실링부재 또는 역학적 접촉 실링을 통해 밀폐된 가스실을 구현하는 단계이다.
시험가스 주입단계(S20)는 시험가스, 예를 들면 불활성 기체 또는 침식성 기체를 밀폐된 가스실 내에 주입하는 단계이다. 가스압은 역학적 접촉 실링인 경우 20MPa 이내로 설정할 수 있다. 바람직하게는 10MPa 정도가 적당하다.
펀치하중 인가 및 제거 반복단계(S30)는 수십 μm 단위로 굽힘변위를 증가시키면서 펀치하중을 인가하고 제거하는 것을 반복할 수 있다. 또는 소성막신장구간의 어느 한 점까지는 단일 펀치하중을 인가하고, 그 이후부터 다중 펀치하중의 인가 및 제거를 실시할 수 있다.
펀치하중의 제거 시, 펀치하중을 95% 제거한 경우에도 펀치와 시험편의 물리적 밀착이 유지된다. 따라서 95% 정도 펀치하중을 제거한 경우에도 관통형 균열로 시험가스가 용이하게 누출되기 어렵다. 따라서 99.9% 이상 펀치하중을 제거한 경우에 시험가스의 누출을 확정적으로 확인할 수 있다. 바람직하게는 99.2% 이상 펀치하중을 제거한 경우 시험가스의 누출을 어느 정도 원활하게 확인할 수 있다.
파괴확인단계(S40)는 펀치하중-굽힘변위 그래프의 리바운딩 포인트로 임계파괴점을 확인하는 단계 또는 가스압 계측기를 통해 시험가스의 가스압 감소를 확인하는 단계이다.
<가스환경 소형펀치시험 분석방법 및 기록매체>
본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치시험 분석방법은 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치를 이용하여 펀치하중-굽힘변위 그래프를 도출하는 단계, 펀치하중-굽힘변위 그래프에서 리바운딩 포인트를 도출하는 단계, 리바운딩 포인트를 통해 임계파괴점을 결정하는 단계, 펀치하중-굽힘변위 그래프에서 임계파괴점까지 적분하여 소형펀치 에너지를 도출하는 단계로 구성될 수 있다. 도출된 소형펀치 에너지를 토대로 시험금속의 취성강도 또는 소재 흡수 에너지 등을 분석할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시스템상에서 수행되는 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체는, 상술한 가스환경 소형펀치시험 분석방법의 각 단계에 의해 수행되도록 컴퓨터 시스템상에서 판독 가능한 프로그램이 기록된 것을 특징으로 한다.
< 실시예 >
본 발명의 실시예에 관하여, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 가스환경 소형펀치 시험에서 도출된 펀치하중-굽힘변위 그래프를 도시한 것이다. 도 10에 도시된 본 발명의 실시예는 0.5mm 두께의 API X70 강재 박판을 반경 1.5mm WC-Co 펀치로 누르는 수소가스 환경의 소형펀치 시험결과이다. 도 10에 도시된 바와 같이 최대 펀치하중은 230kg에 육박하는 반면에, 수소가스의 가스압 누출에 따른 펀치하중의 반등은 2kg 이내에서 발생하였다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 펀치하중 인가 및 제거를 이용한 방법을 통해 박판 시험편의 관통형 균열의 발생 및 수소가스의 누출을 유효하게 탐지하기 위해서는 99.2% 이상으로 펀치하중을 제거하는 것이 필요하다는 의미이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 가스환경 소형펀치 시험장치
3: 시험편
10: 상부지그
12: 하부지그
14: 가스압 계측기
16: 가스주입구
18: 고정수단
19: 가스실
20: 펀치
100: 관통형 균열

Claims (18)

  1. 가스환경 소형펀치 시험장치에 있어서,
    시험대상인 금속의 박판 형태로 구성되는 시험편;
    일측이 개방되고, 내부에 시험가스가 충전되는 공간이 구비되며, 상기 공간이 밀폐되도록 상기 시험편이 고정되고, 밀폐된 상기 공간에 상기 시험가스가 충전되는 실린더; 및
    상기 시험편의 상기 시험가스와 접하지 않는 면에 펀치하중을 인가하는 펀치;
    을 포함하고,
    상기 펀치는 상기 시험편의 굽힘변위를 점진적으로 증가시키면서 상기 펀치하중의 인가와 상기 펀치하중의 제거를 반복하며,
    상기 펀치하중의 제거 시에 상기 시험편에서 발생되는 상기 시험가스의 누출에 의한, 상기 펀치하중의 반등, 상기 시험편의 굽힘변위의 급감 및 상기 시험가스에 관한 실린더 내부 가스압의 감소 중 적어도 하나를 기초로 상기 시험편의 임계파괴점이 판단되는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펀치하중의 제거는, 인가된 상기 펀치하중의 99.2% 이상이 제거되는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펀치하중의 인가는, 상기 펀치하중의 인가 시의 상기 굽힘변위를 10~100μm 씩 점진적으로 증가시키면서 반복되는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시험편의 파괴가 발생되지 않는 상기 시험편의 소성막신장구간 중 어느 하나의 점까지는, 상기 펀치하중의 제거를 시행하지 않고, 단일 펀치하중이 인가되는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치.
  7. 제1항에 있어서,
    펀치하중 정점에서 굽힘변위 100~200μm 이전의 점까지는, 상기 펀치하중의 제거를 시행하지 않고, 단일 펀치하중이 인가되는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시험가스는 침식성 가스인 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험장치.
  9. 제1항에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치를 이용한 시험대상인 금속의 박판형태로 구성되는 시험편의 가스환경 소형펀치 시험방법에 있어서,
    상기 시험편을 상기 가스환경 소형펀치 시험장치의 일구성인 실린더에 설치하는 시험편 설치단계;
    상기 시험편과 상기 실린더에 의해 밀폐되는 공간에 시험가스를 주입하는 시험가스 주입단계;
    상기 가스환경 소형펀치 시험장치의 일구성인 펀치로 상기 시험편의 일면에 펀치하중을 인가하여 상기 시험편에 굽힘변위를 제공하는 펀치하중 인가단계;
    상기 펀치가 상기 시험편에 인가하는 상기 펀치하중을 제거하는 펀치하중 제거단계; 및
    상기 시험편의 임계파괴점을 확인하는 파괴확인단계;
    를 포함하고,
    상기 시험편의 임계파괴점이 확인될 때까지 상기 펀치하중 인가단계와 상기 펀치하중 제거단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펀치하중 제거단계는, 인가된 상기 펀치하중의 99.2% 이상을 제거하는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 펀치하중 인가단계는, 상기 펀치하중 인가 시의 굽힘변위를 10~100μm씩 점진적으로 증가시키면서 반복되는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 펀치하중 인가단계는, 상기 시험편의 파괴가 발생되지 않는 상기 시험편의 소성막신장구간 중 어느 하나의 점까지는, 상기 펀치하중 제거단계를 시행하지 않고, 단일 펀치하중을 인가하는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 펀치하중 인가단계는, 펀치하중 정점에서 굽힘변위 100~200μm 이전의 점까지는, 상기 펀치하중의 제거를 시행하지 않고, 단일 펀치하중을 인가하는 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 시험가스는 침식성 가스인 것을 특징으로 하는 가스환경 소형펀치 시험방법.
  17. 시험대상인 금속의 박판형태로 구성되는 시험편의 가스환경 소형펀치시험 분석방법에 있어서,
    제1항에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치를 이용하여 상기 시험편의 펀치하중-굽힘변위 그래프를 도출하는 제1단계;
    상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 펀치하중값과 굽힘변위값이 동시에 감소하는 펀치하중 제거구간에서, 상기 펀치하중값이 일시적으로 상승하는 리바운딩 포인트를 도출하는 제2단계;
    도출된 상기 리바운딩 포인트가 발생된 펀치하중 값을 임계파괴점으로 결정하는 제3단계; 및
    상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 원점에서부터 결정된 상기 임계파괴점까지의 적분을 통해 소형펀치 에너지를 도출하는 제4단계;
    를 포함하는 가스환경 소형펀치시험 분석방법.
  18. 시험대상인 금속의 박판형태로 구성되는 시험편의 가스환경 소형펀치시험 분석방법이 저장된 기록매체에 있어서,
    제1항에 따른 가스환경 소형펀치 시험장치를 이용하여 상기 시험편의 펀치하중-굽힘변위 그래프를 도출하는 제1단계;
    상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 펀치하중값과 굽힘변위값이 동시에 감소하는 펀치하중 제거구간에서, 상기 펀치하중값이 일시적으로 상승하는 리바운딩 포인트를 도출하는 제2단계;
    도출된 상기 리바운딩 포인트가 발생된 펀치하중 값을 임계파괴점으로 결정하는 제3단계; 및
    상기 펀치하중-굽힘변위 그래프의 원점에서부터 결정된 상기 임계파괴점까지의 적분을 통해 소형펀치 에너지를 도출하는 제4단계;
    를 실행하는 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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