KR102096309B1 - 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법 - Google Patents

바크하우젠 측정방법의 비례교정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잔류 응력과 경도 측정 장치에 관한 것으로, 금속 소재의 변형이나 열응력 등에 의하여 발생하는 금속의 잔류 응력은 재료의 피로강도, 파괴 물성과 같은 기계적 특성을 악화시키고, 후 가공을 곤란하게 하는 등 여러 문제의 원인이 된다. 기존의 비파괴적인 바크하우젠 노이즈 측정방법을 이용한 응력측정방법은 모두 교정곡선을 구하는 것은 매우 어려웠다.
본 발명은 3개 이상의 응력에 대한 바크하우젠 노이즈 측정값의 교차점이 한 곳에 모이지 않은 경우 본 발명의 교정식을 이용하여, 하나의 교차점으로 상기 바크하우젠 노이즈 측정값을 스케일링하는 것에 의하여 교정 곡선을 쉽게 찾아냄으로써 금속의 응력을 바크하우젠 노이즈 측정방법으로 쉽게 측정하는 실용적인 방법을 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명은 기존의 바크하우젠 노이즈 측정 실험에서 교차점이 일치하지 않는 원인이 금속 내부의 미세구조와 금속 표면의 잔류응력 때문임을 밝혀냈다. 또한 상기 물리적 특성을 이용하여 금속재료의 기본 물성과 표면잔류응력을 찾아낼 수 있는 효과가 있다.

Description

바크하우젠 측정방법의 비례교정방법{Calculation of scaled Barkhausen-measurements}
본 발명은 바크하우젠 노이즈 측정방법에 의한 강자성 금속의 표면 잔류응력과 경도를 측정하기위한 기술이다.
본 발명은 잔류 응력과 경도 측정 장치에 관한 것으로, 금속 소재의 변형이나 열응력 등에 의하여 발생하는 금속의 잔류 응력은 재료의 피로강도, 파괴 물성과 같은 기계적 특성을 악화시키고, 후 가공을 곤란하게 하는 등 여러 문제의 원인이 된다.
본 발명은 여러 가지 잔류응력 측정방법 중 바크하우젠 노이즈 방법(Barkhausen Noise Method)을 이용하는 방법이다. 이 방법은 강자성 금속 물질의 자화 과정에서 상기 강자성 금속에 포함된 비균일한 성분과 내부 결함으로 인해 자기 영역 벽의 이동이 중단된 결과로 발생하는 소리를 바크하우젠 노이즈라한다. 이렇게 생성된 바크하우젠 노이즈의 크기는 금속 재료의 잔류응력과 경도와 관련 있다.
본 발명 이전의 바크하우젠 노이즈 측정과 관련된 선행기술로는 차량 또는 엔진에 사용하기 위한 주철재 부품을 취급하는 방법에 관한 기술이 개시되어 있다. 주철재 부품의 표면에서 바크하우젠 노이즈 파라미터를 측정하는 단계와, 측정된 바크하우젠 노이즈 파라미터를 이용하여 주철재 부품의 재료의 경도를 산출하는 단계와, 상기 산출된 경도가 허용 경도 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 기술이 개시되어 있다.
또 다른 선행기술로는 고압의 환경에서 소성변형이 일어날 수 있는 항복강도 이상의 인장응력을 가한 금속 재료에 대해 자계를 인가하여 수반되는 바크하우젠 효과를 이용하여 금속 재료에 대한 물리적 특성을 보다 신뢰성 있게 계측할 수 있는 바크하우젠 노이즈를 이용한 고압 환경에서 금속 재료의 물성 측정 장치가 개시되어 있다. 이를 위하여 금속 재료의 물성 측정 장치는 케이스의 내부에 고압의 환경을 조성하는 압력 조절부, 상기 케이스의 내부 압력과 온도를 계측하기 위한 압력 측정부와 온도 측정부, 상기 케이스의 내부에서 시험편에 인장응력을 가하는 지그, 상기 시험편에 대한 자기 특성을 검출하는 바크하우젠 노이즈 센서, 상기 바크하우젠 노이즈 센서로부터 검출되는 신호를 기반으로 시험편의 물성을 분석하는 바크하우젠 노이즈 측정부, 및 상기 압력 측정부와 상기 온도 측정부로부터 입력되는 정보를 매개로 상기 압력 조절부의 작동을 조절하는 제어부를 포함한 구성이 개시되어 있다.
공개특허공보 10-2008-0053491 등록특허공보 10-1511740
본 발명은 기존의 바크하우젠 노이즈 측정 장치에서 해결하지 못한 정밀한 잔류응력과 경도를 측정하는 방법을 복잡한 다중회귀분석을 이용하지 않고 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 하기의 과제해결 수단을 제공한다.
3개 이상의 응력에 대한 바크하우젠 노이즈 측정값의 교차점이 한 곳에 모이지 않은 경우 하기의 식(2) 및 식(3)을 이용하여 하나의 교차점으로 상기 바크하우젠 노이즈 측정값을 스케일링하는 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법에 있어서,
상기 바크하우젠 노이즈 측정을 위한 BHN 탐침으로 검출 된 자기 신호의 침투 깊이는 하기 식(6)으로 계산하며, 해당 깊이에 대해 선형으로 변형되는 평균 된 응력 값과 비교하는 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법을 제공한다.
xBNA(yHm*)measered = BNAref(H*) .......... 식(2)
Σn(xBNA(Hn응력별)-BNAref(Hn))2
Figure 112020006103208-pat00001
0 .......... 식(3)
Figure 112020006103208-pat00002
...........................식(6)
(H* 는 교차점, Hm*는 측정된 값의 교차점, x, y는 스케일링 값, ref는 측정된 값 중 하나를 골라 선정함 일반적으로 응력이 0인 곡선을 선택, measured는 측정된 값 중 ref로 사용하지 않은 그래프 곡선, n은 각 응력별로 측정된 측정 점의 수; 상기 식(6)은 20kHz를 기준으로 하는 침투 깊이 1mm에 대한 측정 주파수 f에 대한 상대적인 침투 깊이ds(f)를 계산한 식임)
또한, 상기 바크하우젠 노이즈 측정값의 X축은 자기장, Y축은 바크하우젠 노이즈인 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법을 제공한다.
본 발명은 선행연구를 통하여 기존의 바크하우젠 노이즈 측정 실험에서 교차점이 일치하지 않는 원인을 찾아냈다. 그 원인은 금속 내부의 미세구조(마이크로 스트럭처)와 금속 표면의 잔류응력 때문임이 밝혀졌다. 즉, 측정 대상이 되는 금속에 원하지 않는 잔류응력이 존재하고 있어, 기존의 바크하우젠 노이즈 측정 실험에서 교차점이 일치하지 않는 것이 었다.
그러나, 바크하우젠 노이즈 측정 실험을 위해서는 응력이 없는 금속이 필요하고, 이러한 금속이 없으면 원점을 잡는 것이 거의 불가능하였다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의하여 실험을 통하여 측정된 바크하우젠 노이즈 측정 결과에서 교차점이 일치하지 않았던 그래프를 스케일링을 통하여 교차점을 일치시킴으로써 금속재료의 기본 물성과 표면잔류응력을 찾아낼 수 있는 수단을 제공하였다.
도 1은 본 발명에서 측정하고자 하는 금속의 서로 다른 응력 스트레스에 따른 자기장 속에서의 히스테리시스이다. B는 금속의 자속밀도이고, H는 금속에 적용한 자기장의 크기이다.
도 2는 본 발명의 바크하우젠 노이즈 측정방법의 기본 측정 구성도이다. 왼쪽 상단의 그래프는 자기장의 파형이고, 바로 밑의 그래프는 자기장과 바크하우젠 노이즈를 보여주고 있다. 여기서 자기장을 필터링한 바크아우젠 노이즈만을 그 아래 그래프에서 보여주고 있다. 왼쪽 하단의 그래프는 the measured tangential field strength를 보여주고 있다. 오른쪽의 그래프는 자기장이 커짐에 따라 변화되는 자성체 내부의 변화를 보여주고 있다.
도 3은 본 발명의 바크하우젠 노이즈 신호를 시간 축에 대하여 보여주고 있다. 검은색은 바크하우젠 노이즈 신호를, 하단의 싸인곡선은 자기장의 신호를, 검색 노이즈 내부에 그러진 하얀색 신호는 평활화한 바크하우젠 노이즈를 보여주고 있다.
도 4는 본 발명의 바크하우젠 노이즈를 이용한 잔류 응력(잔류 스트레스) 축을 X축으로 하고, Mmax과 Hcm을 Y축으로 하여 여러 Vickers hardness HV를 가지는 미세구조에 대한 그래프이다.
도 5는 잔류 응력이 전혀 없는 금속 소재 ST37 Type를 접착하여 인장에 대한 바크하우젠 노이즈 측정결과를 보여주고 있다. 교차점이 1점에서 일치하는 결과를 볼 수 있다.
도 6은 본 발명의 0.3 - 1.7 Tesla의 강도에 따른 B-H 신호 루프 그래프를 보여주고 있다.
도 7은 본 발명의 굽힘 실험 개념도이다. 금속 보의 끝단에 작용하는 상향 또는 하향 굽힘 힘은 F 이다. X는 금속 보 끝에서부터의 거리이다. Y는 처짐 정도이다. 바크하우젠 노이즈를 측정하는 측정부는 초록색 화살표가 표시된 곳으로 위치는 xs=(l-lS). 본 발명의 실제 측정에서는 l=167mm, b=20mm, h=1.9mm , xs=75mm, 탄성계수는 E = 210 GPa, S235 항복강도는 185 - 355 MPa 이다.
도 8은 상기 도7의 실험 모식도를 본 발명의 굽힘 실험을 통하여 바크하우젠 노이즈를 측정하는 실제 사진이다. 바이스를 이용하여 상향 또는 하향 굽힘 실험을 하고 있다.
도 9는 본 발명의 실험장치인 iSCAN 소프트웨어 화면으로 자기장의 세기에 따른 바크하우젠 노이즈 신호의 크기를 보여주는 그래프이다. 이는 INTROSCAN 장치를 USB 케이블을 통하여 컴퓨터에 연결하여 바크하우젠 노이즈를 측정해 보여주고 있다.
도 10은 상기 도8의 실험장치를 이용하여 도9의 실험장치로 측정한 상향 또는 하향 굽힘 실험 결과를 식 7로 계산한 스트레스에 대한 상승 곡선을 보여주고 있다. 왼쪽 그래프는 인장 응력측정실험을, 오른쪽은 압축 응력측정실험을 보여주고 있다. 두 그래프 모두 교차점이 1점에서 일치하지 않는 것을 볼 수 있다.
도 11은 본 발명의 식 (2)와 (3)에 의하여 압축 스트레스에 대한 그래프를 스케일링하여 1개의 교차점에서 교차된 상승 곡선을 보여주고 있다.
교차점은 H* = 137 [a.u.], HWP = 60 [a.u.], P
Figure 112020006103208-pat00003
= xㆍBNA(yㆍHWP)
본 발명의 작용효과를 도면을 이용하여 설명하면 하기와 같다. 우선 본 발명에 사용되는 바크하우젠 노이즈(BHN)측정방법에 관하여 살펴보고 이를 개량한 본 발명의 측정된 바크하우젠 노이즈를 2차원적으로 각 축에 대하여 독립적으로 축적을 달리하여 수정한 측정그래프를 이용한 스케일드 바크하우젠 노이즈를 제공한다.
금속재료의 잔류응력을 찾는 방법은 파괴적인 방법과 비파괴적인 방법이 있다. 그중에도 자기력을 이용하는 바크하우젠 노이즈 측정방법은 강자성 재료의 표면 잔류 응력을 측정하는 비파괴측정방법으로 매우 중요하다.
도1에 도시된 바와 같이 자기 속성과 금속의 기계적 스트레스와는 자기 히스테리시스 루푸와 관련돼 있다. 도1에 보는 바와 같이 강자성 금속에 존재하는 잔류 스트레스의 크기에 따라 상기 자기 히스테리시스 루푸 그래프의 차이를 발견할 수 있다. 도1로부터 인장 응력에 대해, 히스테리시스 루프는 곧게 펴서 작아지지만, 압축 응력에 대해 히스테리시스는 더 평평해지고 보자력이 더 커지는 것을 알 수 있다. 그러나, 상기 히스테리시스를 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에 이 방법은 실용적이지 못한 방법이다.
도2는 좀 더 실용적인 측정방법인 바크하우젠 노이즈 측정방법(BN Method)이다. 강자성 물질은 2가지 다른 구조가 결합되어 있다. 하나는 결정구조이고, 도메인으로 구성된 자기 구조이다.
상기 바크하우젠 효과는 상기 결정구조와 자기구조 사이의 상호 작용을 이용하는 방법이다. 단일 도메인은 각 원자의 자기 모멘트가 동일한 방향을 갖는 원자 격자 영역이며, 재료를 구성하는 여러 도메인의 방향은 각 도메인마다 다를 수 있다.
따라서, 두 인접 도메인 사이에는 자기 벡터의 방향이 첫 번째 도메인의 방향에서 두 번째 도메인의 반대 도메인으로 부드럽게 바뀌는 영역이 존재한다. 이 영역은 두 개의 다른 영역을 서로 분리하기 때문에 Bloch 벽 또는 도메인 벽이라 한다. 상기 도메인 벽은 자기 벡터의 구성에 따라 위치를 바꿀 수 있다.
상기 도2는 바크하우젠 노이즈를 측정하는 구성과 자기장의 세기가 변함에 따라 금속 물체의 내부에서 변화되는 도메인 구조를 전기적 신호와 함께 보여주고 있다.
왼쪽의 그래프는 위로부터 자기장의 세기 그래프, 자기장과 바크하우젠 노이즈의 혼합신호, 바크하우젠 신호, 평탄화된 바크하우젠 노이즈를 보여주고 있다. 우측의 그래프는 상기 자기장의 세기가 커짐에 따라 도메인 구조가 변화되는 것을 보여주고 있다.
상기 도2의 오른쪽 그래프로부터 외부에 자기장이 없는 경우에는 도메인 벽은 변화되지 않고, 전체의 자기장 에너지가 최소화되는 정렬되지 않고 안정적인 상태를 유지하게 된다. 반면 외부에서 자기장을 인가하게 되면 금속의 자기 벡터가 정렬되기 시작한다. 정렬의 방향은 쉽게 자화되기 좋은 세로방향으로 정렬된다. 이러한 자기장에 의한 변화가 도메인 자벽을 움직이게 한다. 이러한 도메인 자벽의 움직임 강도는 금속에 내재된 잔류 응력과 관련되있다. 왜냐하면 잔류응력은 자기 벡터의 재구성을 방해하거나 자극하기 때문이다.
자장의 재구성은 자속의 변화에서 발생한다. 상기 자속의 변화는 유도전압 펄스로 발생한다. 도선으로 만든 감지코일에 의하여 신호를 측정한다. 상기 유도전압의 펄스 크기에 비례하여 상기 도메인 자벽의 움직임의 강도가 변화된다.
상기 도메인 자벽의 움직임은 대부분의 경우 분리되어 움직인다. 즉 모든 도메인이 동시에 움직이지 않는다. 여러 개의 다른 도메인 자벽의 움직임이 수많은 전압 펄스를 만들어 그 전압펄스가 바크하우젠 노이즈라 불리우는 바크하우젠 신호를 발생한다.
즉, 외부에서 금속의 물체에 인가하는 자기장에 의하여 상기 금속 물체의 도메인 자벽이 움직이고, 그 크기는 상기 자기장의 세기에 비례하게 되고, 이렇게 가해인 자기장에 의해 상기 금속의 내부 도메인 자벽이 각각 개별적으로 움직이는 과정에서 전압펄스가 생성되고 이것이 바크하우젠 노이즈이다.
또한 상기 도메인 자벽의 움직임이 상기 금속 물체의 잔류 응력과 관련이 있기 때문에 상기 바크하우젠 노이즈를 분석하면 금속의 잔류 응력을 측정할 수 있다.
도 3은 시간에 따른 바크하우젠 노이즈 신호를 보여주고 있다. 하단의 싸인파는 60Hz로 인가되는 자기장의 파형과 크기이다. 검은색 노이즈 내부에 하얀색 선은 평탄화한 BHN신호이다.
본 발명의 바크하우젠 노이즈로 측정되는 금속 재료의 표면의 측정 깊이는 측정 대상 금속의 투자율과 전도성과 같은 물질의 특성에 따라 정해진다. 바크하우젠 노이즈 측정 실험에서 자기장 신호를 20kHz로 설정한 실험에서 금속표면으로부터 1mm의 깊이를 침투하여 신호가 측정된 것을 알 수 있었다.
표준의 바크하우젠 노이즈는 도3과 같은 신호가 구해진다. 보통 피크 최고 값 MMAX , 피크의 위치 HCM, 포락선 DM의 폭, BHN 전압의 RMS (Root Mean Square) 값 또는 버스트(Burst)의 적분 값 중에 하나를 BHN의 측정값으로 사용하다.
실제 응력 측정은 바크하우젠 노이즈 측정값과 측정한 물질과 가능한 유사한 재료 (동일한 조성 및 미세 구조 상태)에 대한 응력 응답 곡선과 비교하여 잔류 응력을 계산한다.
교정 곡선은 자기장 방향에 평행하며, 하중 방향의 횡축 방향에 대해 단일 축 하중을 가하여 결정하는 것이 가장 간단한 경우다.
측정하고자 하는 금속 재료의 미세구조의 다양성 때문에 교정곡선을 사용하여 금속재료의 잔류응력 크기를 계산하는 것은 어렵다.
자장의 크기 HCM을 사용하여 응력측정 등의 교정방법을 향상할 수 있다. 이 방법은 자력선 측정 센서인 홀(HALL) 센서를 같이 사용하여 측정대상 금속의 보자력을 측정하여 B-H 히스테리시스 곡선을 사용하여 보정한다. 이 방법은 응력 상태 보다는 미세구조에 더 민감하다. 따라서, 측정하고자 하는 금속의 다양한 미세구조 상태에 대한 교정곡선 중 적절한 교정곡선을 선택하여 사용할 수 있다.
그러나 미세 구조 상태와 잔류 응력의 영향이 겹쳐지면 모호한 결과를 피하기 위해 적어도 두 개의 독립적인 ND 매개 변수를 사용해야하는 복잡함이 있다.
잔류 응력 측정을 위해 Barkhausen 신호를 사용하는 방법이 도4에 제시되어 있다. 파라미터 MMAX 및 HCM은 모두 셋업 기술로 측정된다. 정류 된 Barkhausen 신호의 최대값 인 MMAX는 응력이 풀린(어닐링 된 상태의 응력) 상태에 대한 비선형 종속성과 하드 마텐자이트(Martensite) 상태(탄소와 철 합금에서 담금질을 할 때 생기는 준안정한 상태)의 선형 반응을 나타냅니다. 이 거동은 항상 양의 자기 변형을 갖는 강자성 다결정 재료에서 관찰된다.
보자력 (HCM)은 히스테리시스 측정으로부터 평가 된 거시 보자력 값 (HC)과 동일한 응력 종속성을 나타낸다. 즉, 경질 재료에 대해 다소 선형적인 거동 및 연질 재료 상태에 대한 비선형 반응을 말한다. 상기 두 값은 응력 상태 및/ 또는 경도 값을 결정하는 데 사용될 수 있다.
종래의 마이크로매크네틱(Micromagnetic) 방법은 가능한 모든 관련된 변형구조에 대한 응력상태를 정의한 많은 수의 샘플과 마이크로매그네틱 파라미터를 가지고 교정 값을 계산해야 했다. 실용적인 관점에서 볼 때, 이러한 교정 샘플은 이용 가능하지 않거나, 현실적으로 구할 수 없는 것이기 때문에 전통적인 방법으로 교정곡선을 구하는 것은 매우 어렵다.
한편, 미세 자기장 매개 변수의 보정 중,특별히 구성 요소 자체에서 교정을 수행해야하는 경우 X 선 또는 중성자 회절 방법을 사용하여 수행 할 수 있으나, 이것은 방법의 검증을 위한 방법일 뿐이며 실제적인 산업 용도가 될 수 없다.
본 발명의 스케일링 된 바크하우젠 잡음 진폭 (Scaled Barkhausen Noise Amplitude, SBNA) 측정 방법은 산업현장에 적용될 수 있는 유일한 실용적인 방법이다.
본 발명은 바크하우젠 노이즈 신호로부터 금속재료의 잔류응력과 금속재료의 미세구조(마이크로 스트럭처)를 알아내는 방법은 과도한 교정이나 다중 회귀분석이 아니라 바크하우젠 노이즈 신호의 물리적인 이유 찾아냈기 때문이다.
본 발명은 과도한 교정이나, 다중 회귀분석이 아닌 금속재료와 바크하우젠 노이즈 신호와의 물리적인 이유를 설명하는 과정에서 금속 표면의 잔류응력을 측정하는 측정방법을 제공한다.
잔류응력과 바크하우젠 노이즈 신호를 해결하는 첫 번째 힌트는 도5의 실험결과이다. 도5은 바크하우젠 노이즈 신호와 자기장의 크기를 인장력을 증가시키면서 측정한 결과 그래프이다.(인장실험을 위해서는 응력 없이 접착제로 스틸바를 접착하여 측정하였다) 1점의 교차점에서 바크하우젠 노이즈 신호와 자기장의 크기 그래프가 일치하는 것을 볼 수 있다. 매우 이상적인 경우로 대부분의 경우 바크하우젠 노이즈 신호 v.s. 자화강도에 대한 곡선의 그래프에서 도5와 같은 1 점에서 교차하는 교차 특성을 발견할 수 없다.
본 발명은 일반적인 바크하우젠 노이즈 측정에서 도5와 같은 교차 특성이 나타나지 않는 물리적 인 이유를 찾아냈다. 찾아낸 물리적인 이유로부터 실험에 의하여 측정된 Barkhausen 노이즈 신호에 포함된 응력 효과와 미세 구조의 영향을 정확히 분리하는 방법이 본 발명이다.
즉, 바크하우젠 노이즈의 서로 다른 응력에 대한 실험에서 동일한 교차점을 가지지 않는 것은 측정 대상 금속의 미세구조의 변형과 표면응력이 0이 아니기 때문이었다.
본 발명은 측정 대상금속의 미세구조와 표면응력에 의하여 바크하우젠 노이즈 신호 v.s. 자화강도에 대한 곡선의 그래프가 1점에서 교차하지 않는 것을 스케일링 기법에 의하여 1개의 교차점으로 일치시켜 교정곡선을 구한다.
또한, 상기 교정곡선을 이용하여 상기 측정된 바크하우젠 노이즈 신호 v.s. 자화강도에 대한 곡선의 그래프로부터 응력 효과와 미세 구조의 영향을 정확히 분리할 수 있었다.
일반적인 방법으로 측정한 바크하우젠 노이즈 신호 즉, 바크하우젠 노이즈 신호 v.s. 자화강도에 대한 곡선 그래프로부터 본 발명의 스케일드 바크하우젠 노이즈 그래프를 그리는 방법은 하기와 같다.
즉, 도 10의 오른쪽 그래프를 도11의 그래프와 같이 1점의 교차점을 갖도록 스케일링하는 방법을 하기와 같이 제공한다.
a. Barkhausen 잡음 진폭 (BNA)은 자기장이 교차하는 자기장 H *(교차점의 자기장 크기)보다 작으면 응력 값
Figure 112020006103208-pat00004
와 함께 증가하지만 자기장이 H * 보다 큰 경우 응력(
Figure 112020006103208-pat00005
)이 증가하면 BNA가 감소한다.
b. 자화의 강도를 변화시키는 히스테리시스 (도6)를 살펴보면, 자기장이 클수록 전체 필드 영역에서 평균화 된 통합 측정 신호에 대한 BHA 점프의 기여가 더 작아진다. 따라서 평균 BNA는 충분히 큰 H에 대해 작아진다.
c. 보자력(HCM)은 응력의 함수이고, 응력이 커짐에 따라 작아진다. 결과적으로 충분히 큰 H에 대하여 바크하우젠 노이즈 신호는 작아진다. 한편으로 크로싱 포인트(H*)는 상기 보자력 장에 관련되어 있다.
d. 교차점 (H*)이 본 발명의 핵심 포인트가 된다. 금속 재료의 H*에서의 BNA 신호의 크기는 금속의 미세구조만이 영향을 준다.
상기의 특성이 왜 하나의 금속재료의 굽힘실험에서 다른 여러 하중을 적용하였을때 하나의 교차점(H*)이 찾아지지 않는 이유를 설명해 준다. 즉 실험에 사용한 금속재료의 표면 응력(스트레스)의 증가에 의한 표면의 소성화와 보자력(HCM)의 변화가 H = H*에서의 BNA 값을 바꾸거나, 교차점 자체의 값을 바꾼다. 즉, X축 및/ 또는 Y축의 변형을 일으키는 것이다.
따라서, 모든 기계 응력과 미세구조에 대한 고유한 교차점을 찾아내기 위해서는 자기장(X 축) 뿐만 아니라 BNA(Y 축)에 대한 스케일링을 하여야 도5와 같이 하나의 교차점을 가지는 BNA-H 그래프를 구할 수 있다. 이것이, 바크하우젠 노이즈 신호 v.s. 자화강도에 대한 곡선이 X축과 Y축 모두에서 스케일링이 필요한 이유이다. 바크하우젠 노이즈 신호 v.s. 자화강도에 대한 곡선이 한 점에서 교차하지 않는 이유와 X축 및 Y축으로의 값 변화를 일으키는 것을 찾아낸 것만도 큰 발명이라 하겠다.
식(1)은 기존의 BNA(H)를 크기 스케일링 파라메터 x와 자기장 스케일링 파라메터 y를 적용하여 본 발명의 BNA(H)를 스케일링 표현하는 식이다.
BNA(H) → xBNA(yH)........................식(1)
더 단단한 재료의 경우 상기 파라메터 x의 값은 1 보다 커야한다.
상기 x, y의 파라메타를 정하기 위하 2개의 식이 식(2)와 식(3) 이다.
xBNA(yHm*)measered = BNAref(H*).................식(2)
Σn(xBNA(Hn응력별)-BNAref(Hn))2
Figure 112020006103208-pat00006
0 ...............식(3)
= Ev(Evaluation value)→ 최소화(Minimum)
상기 n은 도9와 같은 측정에서 모든 측정 포인트의 인덱스이다. BNAref(H*)은 측정된 BNA(H) 값들 중 하나를 선정하여 레퍼런스 값으로 설정한 것이다.
여기서 H*는 교차점을 의미하면, 초기의 교차점은 임의로 설정한다.
따라서, BNAref(H)는 BNA(H) 중 일반적으로 응력(
Figure 112020006103208-pat00007
)이 0인 측정 곡선을 사용한다.
식(2)는 하나의 금속재료를 이용하여 여러 개의 다른 하중을 가하는 굽힘 실험 등을 통하여 구해진 도 9와 같은 그래프 중 하나를 BNAref(H) 그래프로 선정하여, 교차점을 상기 선정된 BNAref(H) 상의 한점을 교차점(H*, BNAref(H*))로 하여 식(2)의 계산을 준비한다.
식(3)이 의미하는 각 응력별로 측정한 측정값의 그래프들이 가능한 한 편차가 크게 나지 않도록 스케일링하는 것을 의미한다. 상기 식 (3)의 값을 최소화하며 상기 x, y를 찾는 과정이 본 발명의 스케일드 바크하우젠 노이즈 측정방법이다.
식(3)은 분산을 구하는 식과 같으며, 상기 레퍼런스로 선정한 그래프와 다른 전체 그래프와의 차이가 너무크게 왜곡되지 않도록 스케일링 값 x, y를 선정하도록 식(3)을 이용하고 있다.
본 발명의 바크하우젠 노이즈 스케일을 위하여 최초에는 H*를 임의로 설정하는 점을 사용한다. 도5에서 보는 바와 같이 스케일링 후에 모든 점이 한 점에서 교차할 수 있는 결과가 나올 수 있도록 가능한 교차점 중의 하나를 임의로 설정한다. 일반적으로 응력(
Figure 112020006103208-pat00008
)이 0인 곡선의 교차점 중 하나를 사용한다.
먼저 식(2)의 사용법을 보면, 도10의 우측의 그래프에서 응력이 0 MPa인 그래프를 레퍼런스 그래프로 식 2의 우변에 놓고, 식(2)의 좌변에 차례로 응력이 -19.5 MPa, -39.0 MPa, -58.6 MPa, -78.1 MPa, -97.7 MPa에 대한 좌변의 (x, y)를 계산을 한다.
이렇게 스케일링된 xBNA(Hn응력별)와 BNAref(Hn) 기준 그래프와의 차이를 계산하는 식(3)을 이용하여 개별 응력측정 값 별로 편차값(Ev)을 계산한다. 이렇게 계산된 편차값(Ev)이 최소가 되도록, 상기 과정을 되풀이 하여 최적의 H* 값과 스케일링 값(X, Y)를 구한다. 이렇게 하여 구해진 결과가 도 11의 그래프와 도 11 그래프 오른쪽의 (X, Y) 행렬이다.
이러한 계산은 일반적인 수학계산 프로그램으로 계산할 수 있음을 물론이다.
식2에서 구해진 (X, Y)를 수정하면서, 도10의 오른쪽 그래프를 도 11의 그래프와 같이 하나의 점에서 교차점을 가지는 최적의 스케일링된 바크하우젠 노이즈 신호(SBNA-H)가 구해진다.
또한, 도11의 오른쪽 행령을 보면, X0와 Y0가 1이 아닌 것을 확인할 수 있는데, 이 값으로부터 금속재료에 0인 응력을 가했을때 내재하고 있던 금속재료의 표면응력을 구할 수 있다.
[실시예 1]
실시예 1과 표2까지에 사용한 X, Y 기호는 도 7 및 도8의 굽힘응력을 측정하기 위한 위치를 표시하는 X, Y로 이 출원발명의 다른 부분에 사용한 스케일링을 위한 X, Y와 다른 기호임. 여기서 X는 벤딩실험에서 끝단으로부터 센서가 위치하는 거리이고, Y는 센서의 위치에서의 상하이동 변위로 가해지는 응력을 계산하는 위치가된다. 식(4) 내지 식(7) 및 표1과 2에서만 상기 의미로 X, Y가 사용되었다.
우선 굽힘 실험의 이론부터 시작한다.
인장 시험 실험과는 대조적으로 샘플 표면의 응력 상태는 한쪽을 클램프로 고정한 금속바를 구부릴 때 이론적으로 정확하게 적용된다. 도7의 실험에서 바크하우젠 노이즈 센서의 위치 Xs에서의 정확한 응력은 식(4)에 주어진다.
Figure 112020006103208-pat00009
식(4)
본 발명의 실험에서는 힘 F가 아닌 변형 y가 변수이고, 변형 y에 대한 응력의 변화는 식(4)를 이용하여 계산하면 다음 표1과 같다.
표1
Figure 112020006103208-pat00010
BHN 탐침이 200-1000 kHz의 주파수 범위에서 신호를 감지한다는 것을 고려하면, 실험 데이터는 샘플의 해당 깊이에 대해 평균 된 응력 값과 비교되어야한다. 굽힘 실험에서 깊이 z에 따른 응력은 선형으로 변화한다.
Figure 112020006103208-pat00011
...........................식(5)
BHN 탐침으로 검출 된 자기 신호의 침투 깊이는 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112020006103208-pat00012
...........................식(6)
20 kHz 자기장 주파수를 사용한 BNA의 의 침투 깊이는 실험적으로 ds (20 kHz) = 1 mm로 구해졌다. 이러한 실험을 바탕으로 상기 식(6)을 유도했다.
200-1000 kHz의 주파수 범위에서의 평균 침투 깊이 ds, av = 0.195 mm를 계산합니다. 여기에 BHN 측정에 해당하는 평균 응력은 상기 식 (5) 및 (6)을 사용하여 적분하면 식(7)이 구해진다.
Figure 112020006103208-pat00013
...................식(7)
상기 식(7)에서 No (f)는 두 번째 적분에 대한 정규화 계수입니다. 즉 침투 깊이에 따른 응력 보정식이다. 상기 표1에 상기 식(7)을 이용하여 평균 굽힘 응력을 계산하면 하기 표2와 같다.
Figure 112020006103208-pat00014
[실시예 2]
이제 실제 실험을 데이터를 획득하고 이를 이용할 수 있는 형태로 스케일링하는 과정을 진행한다.
도8과 같이 실험장치가 구성된다. 이렇게 구성된 실험은 INTROSCAN 사의 iScan으로 도 9와 같이 데이터가 측정된다. 이렇게 실험된 데이터를 서로 다른 변형량에 대하여 도시하면 도10과 같다. 도10의 왼쪽은 밴딩에 의한 인장실험결과이고, 오른쪽은 밴딩에 의한 압축실험결과로 모든 데이터의 (-) 표시는 압축을 의미한다. 도10의 인장에 대한 실험결과를 살펴보면, 변형량을 높여 인장 응력을 증가시키면서 측정된 데이터는 거의 하나의 교차점이 관찰되었지만, 응력이 커짐에 따라 더 큰 응력의 경우 교차점이 더욱 위쪽으로 움직이는 것이 관찰된다. 이러한 현상은 시료 표면에서의 미세 구조와 강제 장의 변화에 원인이 있습니다. 또한 도10의 압축 응력에 대한 곡선은 고유한 교차 거동을 찾을 수 없습니다. 세 가지 자기장 특성은 응력, 경도 및 보자력의 평가를 위해 사용된다.
상기 식(2)와 식(3)을 이용하여 상기 실험결과 도10을 스케일링하여, 도11의 그래프를 구한다. 이렇게 교차점(H*)가 구해지면 교차점 아래에 각각의 곡선이 잘 분리되어 보이는 위치에 도11과 같이 Hwp를 정한다.
상기의 작용효과를 나타내는 수단을 하기와 같이 제공한다.
3개 이상의 응력에 대한 바크하우젠 노이즈 측정값의 교차점이 한 곳에 모이지 않은 경우
하기의 식을 이용하여 하나의 교차점으로 상기 바크하우젠 노이즈 측정값을 스케일링하는 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법을 제공한다.
xBNA(yHm*)measered = BNAref(H*) .......... 식(2)
Σn(xBNA(Hn응력별)-BNAref(Hn))2
Figure 112020006103208-pat00015
0 .......... 식(3)
(H* 는 교차점, Hm*는 측정된 값의 교차점, x, y는 스케일링 값, ref는 측정된 값 중 하나를 골라 선정함 일반적으로 응력이 0인 곡선을 선택, measured는 측정된 값 중 ref로 사용하지 않은 그래프 곡선, n은 각 응력별로 측정된 측정 점의 수)
또한, 상기 바크하우젠 노이즈 측정값의 X축은 자기장, Y축은 바크하우젠 노이즈인 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법을 제공한다.

Claims (2)

  1. 3개 이상의 응력에 대한 바크하우젠 노이즈 측정값의 교차점이 한 곳에 모이지 않은 경우 하기의 식(2) 및 식(3)을 이용하여 하나의 교차점으로 상기 바크하우젠 노이즈 측정값을 스케일링하는 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법에 있어서,
    상기 바크하우젠 노이즈 측정을 위한 BHN 탐침으로 검출 된 자기 신호의 침투 깊이는 하기 식(6)으로 계산하며, 해당 깊이에 대해 선형으로 변형되는 평균 된 응력 값과 비교하는 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법.
    xBNA(yHm*)measered = BNAref(H*) .......... 식(2)
    Σn(xBNA(Hn응력별)-BNAref(Hn))2
    Figure 112020006103208-pat00016
    0 .......... 식(3)
    Figure 112020006103208-pat00017
    ...........................식(6)
    (H* 는 교차점, Hm*는 측정된 값의 교차점, x, y는 스케일링 값, ref는 측정된 값 중 하나를 골라 선정함 일반적으로 응력이 0인 곡선을 선택, measured는 측정된 값 중 ref로 사용하지 않은 그래프 곡선, n은 각 응력별로 측정된 측정 점의 수; 상기 식(6)은 20kHz를 기준으로 하는 침투 깊이 1mm에 대한 측정 주파수 f에 대한 상대적인 침투 깊이ds(f)를 계산한 식임)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바크하우젠 노이즈 측정값의 X축은 자기장, Y축은 바크하우젠 노이즈인 것을 특징으로 하는 바크하우젠 측정방법의 비례교정방법.
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