KR102218594B1 - Device and Method for measuring material properties and stress state by digital image correlation(DIC) near micro-indentation mark - Google Patents

Device and Method for measuring material properties and stress state by digital image correlation(DIC) near micro-indentation mark Download PDF

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KR102218594B1
KR102218594B1 KR1020190059029A KR20190059029A KR102218594B1 KR 102218594 B1 KR102218594 B1 KR 102218594B1 KR 1020190059029 A KR1020190059029 A KR 1020190059029A KR 20190059029 A KR20190059029 A KR 20190059029A KR 102218594 B1 KR102218594 B1 KR 102218594B1
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Abstract

본 발명은 디지털 화상적합기술로 결정한 미소압흔 근처의 표면 변위장을 이용하여 대상 재료의 물성치와 응력상태를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 일정한 하중으로 대상 재료의 표면을 압입하여 압흔을 형성하는 압입 테스트부; 대상 재료에 대해 압입 전후의 표면 상태를 촬영하는 이미지 획득부; 압입 전후의 표면 상태에 대한 이미지를 이용하여 상기 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 이미지 분석부; 탄소성 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션을 통해 계산된, 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 재료의 압입 시 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터가 저장되는 비교 데이터 저장부; 및 상기 이미지 분석부에서 생성된 대상 재료의 표면 변위장 데이터를, 상기 비교 데이터 저장부에 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터와 비교하여, 상기 대상 재료의 재료물성치와 응력 상태를 결정하는 중앙 처리부를 포함하는 구성으로 이루어진다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring the physical properties and stress state of a target material using a surface displacement field near a microindentation determined by digital imaging technology, and forming an indentation by pressing the surface of the target material with a constant load. Indentation test unit; An image acquisition unit for photographing a surface state before and after pressing the target material; An image analysis unit that generates surface displacement field data around the indentation using an image of the surface state before and after the indentation; A comparison data storage unit that stores surface displacement field data around the indentation according to various material properties and stress state variables when a material is indented based on at least one flow stress model, calculated through simulation using elastoplastic finite element analysis; And comparing the surface displacement field data of the target material generated by the image analysis unit with the surface displacement field data for various material properties and stress state variables stored in the comparison data storage unit, and the material property value and the stress state of the target material. It consists of a configuration including a central processing unit to determine.

Description

미소압흔 주변에 디지털 화상적합기술을 적용하여 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치 및 방법{Device and Method for measuring material properties and stress state by digital image correlation(DIC) near micro-indentation mark}Device and Method for measuring material properties and stress state by digital image correlation (DIC) near micro-indentation mark by applying digital image fitting technology around micro-indentation mark

본 발명은 재료 물성치와 응력상태를 간편하고 정확하게 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미소압입자를 대상재료의 표면에 압입하여 생기는 미소압흔(indentation mark) 주변의 표면 변위장을 디지털 화상적합기술(digital image correlation, DIC)로 측정하여 항복응력(yield stress), 인장강도(tensile stress), 유동응력(flow stress), 이방성계수(Lankford value)와 같은 대상 재료의 물성치와 응력상태를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for simply and accurately measuring material properties and stress states, and more specifically, to digitally measure a surface displacement field around an indentation mark generated by pressing micro-indentation particles into the surface of a target material. Physical properties and stress states such as yield stress, tensile stress, flow stress, and anisotropy coefficient (Lankford value) are measured by digital image correlation (DIC). It relates to an apparatus and method for measuring.

각종 기계 및 구조물 부품이나 표면코팅의 재료물성치와 응력상태를 측정하는 다양한 장비들이 사용되고 있다. 하지만 별도시편을 준비하지 않고, 사용 중인 제품이나 부품에 대하여 현장에서 재료물성이나 응력상태를 직접 간편하게 측정할 수 있는 장치는 아직 존재하지 않는다. Various equipments are used to measure the material properties and stress state of various mechanical and structural parts or surface coatings. However, there is no device that can easily measure material properties or stress conditions directly in the field for products or parts in use without preparing separate specimens.

재료의 기계적 성질 중에서 탄성계수나 프아송 비 같은 물성치는 대략 일정하지만, 항복응력, 인장강도, 유동응력, 이방성계수 같은 물성치는 가공이력이나 열처리, 사용조건에 따라서 계속 변화한다. 따라서 준비된 시편의 재료물성치와 실제 부품의 물성치는 상이할 가능성이 매우 높다. 대상물체에 하중이 걸려서 응력이 작용한다면 그 응력상태 역시 준비된 시편에서의 값과 상이하다고 간주하는 것이 합리적이다.Among the mechanical properties of the material, properties such as elastic modulus and Poisson's ratio are approximately constant, but properties such as yield stress, tensile strength, flow stress, and anisotropy coefficient continue to change depending on processing history, heat treatment, and use conditions. Therefore, it is very likely that the material properties of the prepared specimen and the actual properties of the part will be different. If a load is applied to the object and a stress is applied, it is reasonable to consider that the stress state is also different from the value in the prepared specimen.

기존에 재료물성치나 응력상태를 측정하는 장치는 파괴시험 혹은 비파괴시험에 기반하며, 아래와 같은 한계점을 지닌다. Existing devices for measuring material properties or stress conditions are based on a destructive test or a non-destructive test, and have the following limitations.

재료물성 측정기술Material property measurement technology

(1) 인장시험 : 엄격한 표준시편을 준비해서 인장 시험기에서 수행하는 파괴시험으로, 인장으로 인한 재료의 파괴를 유발하므로 사용 중인 부품에 대한 현장 적용이 불가하다.(1) Tensile test: This is a fracture test performed by a tensile tester by preparing a strict standard specimen. As it causes destruction of the material due to tension, it cannot be applied to the part in use.

(2) 압축시험 : 표준시편을 준비해서 압축 시험기에서 수행하는 파괴시험으로, 마찰에 의한 이차응력의 발생으로 측정의 신뢰성이 부족하고 현장 적용이 불가하다. (2) Compression test: This is a fracture test performed by a compression tester after preparing a standard specimen. The reliability of the measurement is insufficient due to the occurrence of secondary stress due to friction and cannot be applied in the field.

(3) 경도시험 : 시험방법에 따라서, 다양한 방식의 경도시험기를 사용한다. 재료의 종류와 두께 등의 제한이 존재하며 쇼어 경도계를 제외하고는 현장 적용이 불가능하다. 또한, 경도값 외에 다른 물성치를 파악할 수 없다.(3) Hardness test: Depending on the test method, various types of hardness testers are used. There are restrictions on the type and thickness of materials, and it cannot be applied on-site except for the Shore hardness tester. In addition, other physical properties other than the hardness value cannot be grasped.

(4) 나노압입시험 : 고가의 측정장치가 필요하며, 하중-변위 곡선에 기반하여 결정하는 재료물성이나 응력상태의 정확도가 낮다.(4) Nano-indentation test: An expensive measuring device is required, and the accuracy of the material properties or stress state determined based on the load-displacement curve is low.

응력상태 측정기술Stress state measurement technology

(1) 스트레인 게이지 : 하중이 작용하기 전과 후의 표면길이 변화에 따른 게이지 저항의 변화로부터 변형률을 측정하는 기술이다. 시편 표면에 게이지를 장착하는 과정이 불편하고, 이미 부가된 응력상태나 잔류응력은 측정할 수 없다. (1) Strain gauge: This is a technology that measures the strain from the change in gauge resistance according to the change in surface length before and after the load is applied. The process of mounting the gauge on the specimen surface is inconvenient, and the stress state or residual stress already applied cannot be measured.

(2) 광탄성 시험 : 광탄성 재료에 국한되므로 형상에 따른 정성적 응력관찰만 가능하다. 주응력의 방향 측정이 어렵고, 시편제작과 시험방법이 매우 복잡하며 결과가 탄성계수에 매우 민감하다. (2) Photoelastic test: As it is limited to photoelastic materials, only qualitative stress observation according to shape is possible. It is difficult to measure the direction of the principal stress, the specimen fabrication and test methods are very complex, and the results are very sensitive to the modulus of elasticity.

(3) X선 회절시험 : 별도의 고가 측정장치를 사용하는 비파괴시험 방법이므로, 대형구조물에는 적용할 수 없다. 비접촉, 간접측정방식이므로 해석방법이 난해하고 측정 신뢰도가 낮다. (3) X-ray diffraction test: As it is a non-destructive test method using a separate expensive measuring device, it cannot be applied to large structures. Since it is a non-contact, indirect measurement method, the analysis method is difficult and the measurement reliability is low.

(4) 홀 드릴링 : 스트레인 게이지를 대상 표면에 부착한 후, 드릴링으로 소재 제거 후 변형률의 변화를 읽어서 잔류응력을 측정하는 파괴시험 방법이다. 정밀도가 높으나 평가 대상재료의 손상을 수반해 대상 부품의 재사용이 불가하므로 실제 산업현장에서 활용하기 어렵다. (4) Hole drilling: This is a fracture test method in which a strain gauge is attached to the target surface, and the residual stress is measured by reading the change in strain after removing the material by drilling. Although it has high precision, it is difficult to use it in actual industrial sites because the target part cannot be reused due to damage to the material to be evaluated.

(5) 층별 제거, 단면 분할법 : 정밀도가 높고 해석방법이 명확한 잔류응력 측정기술이지만 대상 부품은 재사용이 불가능하며 국부적인 값을 알려면 별도의 해석 방법이 요구 된다. (5) Layer-by-layer removal, section division method: Although it is a technique for measuring residual stress with high precision and a clear analysis method, the target part cannot be reused, and a separate analysis method is required to know the local value.

따라서, 현장에서 사용 중인 부품 재료 등에 간편하게 적용될 수 있으면서도, 다양한 재료물성과 응력상태를 간편하게 높은 정확도로 측정할 수 있고, 측정에 사용된 대상 재료는 측정 이후에도 계속 사용할 수 있는 측정 기술이 필요한 실정이다.Therefore, it is possible to easily measure various material properties and stress states with high accuracy while being easily applied to the component materials used in the field, and a measurement technology that can be used continuously even after the measurement target material is required.

한국등록특허 10-1332264Korean Patent Registration 10-1332264 유럽등록특허 1 771 717European Patent 1 771 717

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미소압입시험으로 생기는 압흔 주변의 표면 변위장을 디지털 화상적합기술(DIC)로 읽어내고 탄소성 유한요소해석을 통해 미리 계산하여 저장해 둔 변위장 빅데이터와 비교하여 측정 대상 재료의 물성치와 응력 상태를 결정함으로써, 현장에서 사용 중인 부품 재료에 간편하게 높은 정확도로 측정할 수 있고, 별도 시편을 준비할 필요 없이 측정에 사용된 대상 재료는 측정 이후에도 계속 사용할 수 있도록 하는, 재료의 물성치와 응력상태를 측정하는 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다. The present invention is to solve the problems of the prior art described above, the surface displacement field around the indentation generated by the micro-indentation test is read with digital image matching technology (DIC), and the displacement is calculated and stored in advance through elastoplastic finite element analysis. By determining the physical properties and stress state of the material to be measured by comparing it with the field big data, it is possible to easily measure the material of the part being used in the field with high accuracy, and the target material used for the measurement is not required to prepare a separate specimen. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for measuring material properties and stress states that can be used continuously.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명자들은 일정한 하중에 의한 미소압흔으로 발생한 표면 변위장은 재료물성치와 응력상태에 따라서 달라지는 것을 발견하였고, 이에 따라 대상물체의 표면에 미소 압입시험을 행하기 전과 후에 압흔 주변의 표면을 고해상도 디지털 이미지로 촬영한 후, 변형 전후 이미지들에 디지털 화상적합기법(DIC)을 적용하여 다수의 표면 특징점들을 추적하여 표면 변위장 데이터를 생성하고, 이를 미리 탄소성 유한요소해석을 이용하여 확보한 표면 변위장에 대한 빅데이터와 인공지능으로 비교함으로써 재료물성치와 응력상태를 결정하는 기술을 안출하였다. The present inventors have found that the surface displacement field caused by the microindentation caused by a constant load varies depending on the material properties and the stress state, and accordingly, the surface around the indentation is converted into a high-resolution digital image before and after the microindentation test on the surface of the object. After shooting, digital image matching technique (DIC) is applied to the images before and after deformation to create surface displacement field data by tracking a number of surface feature points, and this is applied to the surface displacement field obtained by using elastoplastic finite element analysis in advance. The technology to determine the material properties and stress state was devised by comparing it with Korean big data and artificial intelligence.

본 발명의 측정 대상인 재료물성치는 항복응력, 인장강도, 유동응력, 이방성계수 등을 포함하고, 응력상태는 대상물체에 작용하는 하중에 의한 작용응력이나 하중제거 후에 대상물체에 남아있는 잔류응력(residual stress)을 의미한다. 본 발명은 구형, 원추형, 피라미드형 압입자를 사용하는 미소압입시험으로 생기는 압흔 주변의 표면 변위장을 디지털 화상적합기술로 읽어내고, 탄소성 유한요소해석으로 미리 계산하여 저장해둔 변위장 빅데이터와 비교하여 재료 물성치와 응력상태를 결정하는 기술을 제공한다. The material properties to be measured in the present invention include yield stress, tensile strength, flow stress, anisotropic coefficient, etc., and the stress state is the applied stress caused by the load acting on the object or the residual stress remaining in the object after the load is removed. stress). The present invention reads the surface displacement field around the indentation produced by the micro-indentation test using spherical, conical, and pyramidal indentations with digital image adaptation technology, and compares it with the displacement field big data stored in advance by elastoplastic finite element analysis. Thus, it provides the technology to determine the material properties and stress state.

본 발명의 기술은 다이아몬드 같은 고경도 미소압입자로 압입할 때, 압흔이 생기는 대상물체 즉, 금속, 세라믹, 플라스틱 재료로 만들어진 기계 및 구조용 부품 및 표면코팅 재료에 모두 적용 가능하다. 미소압흔은 압입하중으로 크기를 조절할 수 있으며, 그 크기가 문제되지 않으면 자동차, 항공기와 같은 수송기계, 교량과 같은 구조물처럼 기사용중인 부품이나 표면코팅에 대한 신뢰성 평가와 안전성 확보가 가능해진다. 또한, 대량생산되는 판재 프레스제품이나 플라스틱 사출물 등의 온라인 품질관리에도 유용하게 사용될 수 있다.The technology of the present invention can be applied to both mechanical and structural parts and surface coating materials made of metals, ceramics, and plastics, that is, objects in which indentations are generated when pressed with high-hardness micro-indentation particles such as diamond. The size of the micro-indentation can be controlled by the press-in load, and if the size is not an issue, reliability evaluation and safety security for parts or surface coatings in use, such as vehicles and transport machinery such as aircraft and structures such as bridges, are possible. In addition, it can be usefully used for online quality control of mass-produced plate press products or plastic injection products.

구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따른 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치는 일정한 하중으로 대상 재료의 표면을 압입하여 압흔을 형성하는 압입 테스트부; 대상 재료에 대해 압입 전후의 표면 상태를 촬영하는 이미지 획득부; 압입 전후의 표면 상태에 대한 이미지를 이용하여 상기 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 이미지 분석부; 탄소성 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션을 통해 계산된, 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 재료의 압입 시 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터가 저장되는 비교 데이터 저장부; 및 상기 이미지 분석부에서 생성된 대상 재료의 표면 변위장 데이터를, 상기 비교 데이터 저장부에 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터와 비교하여, 상기 대상 재료의 재료물성치와 응력 상태를 결정하는 중앙 처리부를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 대상 재료의 표면에 형성되는 압흔은 직경 0.1mm 이하인 것이 바람직하다.Specifically, an apparatus for measuring a material property value and a stress state according to an aspect of the present invention includes: a press-fitting test unit for forming an indent by pressing the surface of a target material with a constant load; An image acquisition unit for photographing a surface state before and after pressing the target material; An image analysis unit that generates surface displacement field data around the indentation using an image of the surface state before and after the indentation; A comparison data storage unit that stores surface displacement field data around the indentation according to various material properties and stress state variables when a material is indented based on at least one flow stress model, calculated through simulation using elastoplastic finite element analysis; And comparing the surface displacement field data of the target material generated by the image analysis unit with the surface displacement field data for various material properties and stress state variables stored in the comparison data storage unit, and the material property value and the stress state of the target material. It may be configured to include a central processing unit to determine. In this case, the indentation formed on the surface of the target material is preferably 0.1 mm or less in diameter.

상기 이미지 획득부는 적어도 하나의 CCD 카메라를 포함할 수 있다. The image acquisition unit may include at least one CCD camera.

상기 이미지 분석부는, 상기 이미지 획득부로부터 대상 재료에 대해 압입 전후의 표면 상태가 촬영된 이미지를 전송받고, 상기 압입 전의 이미지에서 특징점들을 다수 추출한 후 압입 후의 이미지에서 상기 특징점들의 위치를 추적하여 변위를 계산함으로써 변위장 데이터를 형성할 수 있다.The image analysis unit receives an image of the surface state before and after the press-fitting of the target material from the image acquisition unit, extracts a number of feature points from the image before press-fitting, and tracks the positions of the feature points in the image after the press-fitting to determine displacement. The displacement field data can be formed by calculation.

또한, 상기 탄소성 유한요소 해석을 이용한 시뮬레이션은, 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를, 압입 지점을 기준으로 다수개의 요소로 분할하고 상기 압입 지점을 일정 하중으로 압입할 때에, 재료의 이방성, 압입자의 유형, 작용응력의 방향성을 고려하여 시편 재료의 반응을 시뮬레이션하고 요소 간 절점 사이의 변위를 측정하는 방식으로, 재료물성치에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터 및 재료의 응력 상태에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 유동응력 모델은, Swift 타입, Hollomon 타입, Ludwick 타입, Voce 타입, Johnson-Cook 타입 등에서 선택될 수 있다.In addition, the simulation using the elastoplastic finite element analysis, when dividing the specimen material based on at least one flow stress model into a plurality of elements based on the indentation point and pressing the indentation point with a constant load, the anisotropy of the material. It is a method of simulating the reaction of the specimen material by considering the type of indenter, the direction of the applied stress, and measuring the displacement between the nodes between the elements, and the surface displacement field data around the indentation according to the material properties and the indentation according to the stress state of the material. It is possible to generate the surrounding surface displacement field data. Here, the flow stress model may be selected from Swift type, Hollomon type, Ludwick type, Voce type, Johnson-Cook type, and the like.

또한, 본 발명의 장치는 재료물성치와 응력상태 중 측정하고자 하는 값에 따라, 상기 압입테스트부에서의 압입하중과, 상기 이미지 획득부 및 분석부에서의 해상도를 다르게 적용할 수 있다. 구체적으로, 철강재료의 물성치 측정에는 100-200N 압입하중에 0.05~0.1미크론/픽셀 해상도를 사용하고, 응력상태 측정에는 20-40N 압입하중에 0.02~0.05미크론/픽셀 해상도를 사용하면 적절한 압흔크기와 해상도로부터 실용적인 측정결과를 얻을 수 있다. 다른 재료의 경우, 물성치 측정에는 항복응력이나 인장강도에 비례하고, 응력상태 측정에는 탄성계수에 비례하여 압입하중을 조절하면 된다.In addition, the apparatus of the present invention may apply differently the indentation load in the indentation test unit and the resolution in the image acquisition unit and analysis unit according to a value to be measured among material properties and stress states. Specifically, for the measurement of the physical properties of steel materials, 0.05 to 0.1 micron/pixel resolution is used for 100-200N press-in load, and 0.02 to 0.05 micron/pixel resolution for 20-40N press-in load is used for stress state measurement. Practical measurement results can be obtained from the resolution. In the case of other materials, the indentation load can be adjusted in proportion to the yield stress or tensile strength when measuring physical properties, and in proportion to the modulus of elasticity when measuring the stress state.

한편, 본 발명의 장치에서 상기 이미지 분석부, 비교 데이터 저장부, 중앙 처리부는 장치의 상부에 구비되고, 상기 장치의 상부 저면으로부터 수직 하방으로 상기 압입 테스트부가 장착될 수 있다. 이때, 상기 장치의 상부를 지지함과 동시에, 상기 압입 테스트부의 둘레에서 상기 압입 테스트부를 대상 재료의 표면으로부터 이격시켜 지지하며, 사용 중인 부품의 재료 표면에 고정될 수 있도록 대상 재료의 표면에 고정되는 고정 지지대를 더 구비할 수 있다. Meanwhile, in the apparatus of the present invention, the image analysis unit, the comparison data storage unit, and the central processing unit may be provided on an upper portion of the apparatus, and the press-fit test unit may be mounted vertically downward from the upper bottom surface of the apparatus. At this time, while supporting the upper portion of the device, the press-fit test unit is spaced apart from the surface of the target material around the press-fit test unit, and is fixed to the surface of the target material so that it can be fixed to the material surface of the part in use. A fixed support may be further provided.

또한, 본 발명의 장치는 상기 이미지 분석부에서 생성된 대상 재료의 표면 변위장 데이터 또는 상기 중앙처리부에 의해 결정된 대상 재료의 물성과 응력상태를 사용자에 표시하는 디스플레이부가 더 구비할 수 있다.In addition, the apparatus of the present invention may further include a display unit that displays to the user the surface displacement field data of the target material generated by the image analysis unit or the physical properties and stress states of the target material determined by the central processing unit.

또한, 상기 압입 테스트부는, 서보모터를 포함하는 구동장치; 상기 구동장치에 연결기구를 통해 연결되어 구동장치의 작동에 따라 대상 재료의 표면에 대해 수직 방향으로 이동하여 대상 재료의 표면을 압입하며, 원추형, 구형, 피라미드형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 이루어지고, 교체 가능하게 설치되는 적어도 하나의 압입자; 및 상기 연결기구와 압입자 사이에 장착되어 압입 하중을 측정하는 로드셀을 포함할 수 있다. In addition, the press-fit test unit may include a drive device including a servo motor; It is connected to the driving device through a connection mechanism and moves in a direction perpendicular to the surface of the target material according to the operation of the driving device to press-fit the surface of the target material, and is formed in any one shape selected from conical, spherical, and pyramidal shapes. , At least one indenter installed to be replaced; And a load cell mounted between the connection mechanism and the indenter to measure the indentation load.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 디지털 화상적합기술로 결정한 압흔 근처 표면 변위장으로 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법으로서, 대상 재료의 표면에 대한 이미지를 획득하는 단계; 일정한 하중으로 상기 대상 재료의 표면을 압입하여 압흔을 형성하는 압입 테스트 단계; 상기 압입 테스트 후의 상기 대상 재료 표면에 대한 압흔 주변의 이미지를 획득하는 단계; 상기 압입 테스트 전의 대상 재료의 표면에 대한 이미지에서 다수의 특징점들을 추출하고 상기 압입 테스트 후의 대상 재료의 표면에 대한 이미지로부터 상기 특징점들의 위치를 추적하여 상기 대상 재료의 압입 전후 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계; 상기 대상 재료에 대해 생성된 표면 변위장 데이터를 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터와 비교하여, 상기 대상 재료의 재료물성치와 응력상태를 결정하는 단계; 를 포함하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법이 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring a material property value and a stress state by a surface displacement field near an indentation determined by a digital image adaptation technique, the method comprising: acquiring an image of a surface of a target material; A press-fitting test step of forming an indent by pressing the surface of the target material with a constant load; Acquiring an image around the indentation on the surface of the target material after the indentation test; Surface displacement field data around the indentation before and after the indentation of the target material by extracting a plurality of feature points from the image on the surface of the target material before the indentation test and tracking the positions of the feature points from the image on the surface of the target material after the indentation test Generating a; Comparing the surface displacement field data generated for the target material with pre-stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables, and determining a material property value and a stress state of the target material; A method of measuring a material property value and a stress state including a is provided.

여기서, 상기 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터는, 탄소성 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션을 통해 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를, 압입 지점을 기준으로 다수개의 요소로 분할하고 상기 압입 지점을 일정 하중으로 압입할 때에, 재료의 이방성, 압입자의 유형, 작용응력의 방향성을 고려하여 시편 재료의 반응을 시뮬레이션하고 요소 간 절점 사이의 변위를 측정하는 방식으로 생성된, 재료물성치에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터 및 재료의 응력상태에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 포함한다. Here, the pre-stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables are sample materials based on at least one flow stress model through simulation using elastoplastic finite element analysis, and multiple elements based on the indentation point. When dividing into and pressing the indentation point with a constant load, it is generated by simulating the reaction of the specimen material and measuring the displacement between the nodes between elements in consideration of the anisotropy of the material, the type of the indentation, and the direction of the applied stress. It includes data on the surface displacement field around the indentation according to the material properties and data on the surface displacement field around the indentation according to the stress state of the material.

또한, 본 발명의 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법은, 재료물성치와 응력상태 중 측정하고자 하는 값에 따라, 압입하중과 해상도를 다르게 적용할 수 있다. 또한, 압입 테스트 단계는, 원추형, 구형, 피라미드형 중에서 선택된, 어느 하나 또는 둘 이상 형상의 압입자를 사용하여 수행될 수 있다. In addition, in the method of measuring the material property value and the stress state of the present invention, the indentation load and the resolution may be differently applied according to the value to be measured among the material property value and the stress state. In addition, the indentation test step may be performed using indenters having one or two or more shapes selected from conical, spherical, and pyramidal shapes.

한편, 상기 대상 재료의 재료물성치와 응력 상태를 결정하는 단계는, 상기 대상 재료의 물성치를 임의 값으로 설정하는 제1 단계; 상기 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터 중에서, 상기 설정된 물성치에 해당하는 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터를 검색하여, 상기 대상 재료의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계에서 생성된 실제 표면 변위장 데이터와 가장 근접한 표면 변위장 데이터를 검색하고, 상기 검색된 표면 변위장 데이터에 대응하는 응력상태 조건을 획득하는 제2 단계; 상기 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터 중에서, 상기 획득된 응력 상태에 해당하는 재료 물성치 변수에 대한 표면 변위장 데이터를 검색하여, 상기 실제 표면 변위장 데이터와 가장 근접한 표면 변위장 데이터를 검색하고, 그 검색된 표면 변위장 데이터에 대응하는 재료물성치를 획득하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 획득된 재료 물성치가 상기 제1 단계에서 설정된 물성치와 일치하는지 여부를 판단하여, 일치하지 않는 경우, 상기 제3 단계에서 획득된 재료 물성치를 상기 대상 재료의 물성치로 다시 설정한 후, 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복하고, 일치하는 경우, 상기 제2 단계에서 획득된 응력 상태와 상기 제3 단계에서 획득된 재료 물성치를, 상기 대상 재료의 응력 상태와 물성치로 결정하는 제4 단계를 포함할 수 있다. On the other hand, the determining of the material property value and the stress state of the target material may include: a first step of setting the material property value of the target material to an arbitrary value; In the step of generating surface displacement field data of the target material by searching for surface displacement field data for a stress state variable corresponding to the set material property from among the previously stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables. A second step of searching for surface displacement field data closest to the generated actual surface displacement field data, and obtaining a stress state condition corresponding to the searched surface displacement field data; The surface displacement field data for the material property variable corresponding to the obtained stress state is searched for the surface displacement field data closest to the actual surface displacement field data from among the previously stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables. A third step of searching for field data and obtaining a material property value corresponding to the retrieved surface displacement field data; It is determined whether the material properties obtained in the third step match the material properties set in the first step, and if they do not match, the material properties obtained in the third step are reset to the material properties of the target material. , Repeating the second and third steps, and if they match, the stress state obtained in the second step and the material property value obtained in the third step are determined as the stress state and the physical property value of the target material. It can include 4 steps.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 재료물성치와 응력상태 측정을 위한 표면 변위장 빅데이터 구축방법이 제공된다. 상기 빅데이터 구축방법은, 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를 생성하는 단계; 상기 시편 재료를 압입될 지점을 기준으로 다수 개의 요소로 분할하는 단계; 상기 압입될 지점을 크기와 형상이 다양한 종류의 압입자로, 다양한 압입 하중을 적용하여 압입할 경우에, 상기 유동응력 모델을 따르는 다양한 재료상수 및 다양한 응력조건을 가지는 상기 시편 재료의 압입에 의한 반응을 시뮬레이션 하는 단계; 상기 시뮬레이션을 거친 시편 재료의 압입 전 후의 각 요소 간 절점 사이의 변위를, 압입자의 종류 및 압입 하중과, 유동응력 모델에 따른 재료상수 및 응력조건 별로 측정하는 단계; 상기 측정된 변위 데이터를 이용하여, 압흔 중심으로부터의 거리에 따른 변위 크기의 함수로서 다양한 재료물성과 응력상태 변수에 대한 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다. 이때, 상기 유동응력 모델은 Swift 타입, Hollomon 타입, Ludwick 타입, Voce 타입, Johnson-Cook 타입 등에서 선택될 수 있다. According to another aspect of the present invention, a method for constructing big data of a surface displacement field for measuring material properties and stress states is provided. The big data construction method may include generating a specimen material based on at least one flow stress model; Dividing the specimen material into a plurality of elements based on a point to be pressed; When indenting the point to be pressed into indenters of various sizes and shapes and applying various indentation loads, the reaction by indentation of the specimen material having various material constants and various stress conditions according to the flow stress model Simulating; Measuring the displacement between nodes between the elements before and after the press-fitting of the simulated specimen material, for each type of the indenter and the press-fitting load, and a material constant and stress condition according to the flow stress model; And generating surface displacement field data around the indentation for various material properties and stress state variables as a function of a displacement magnitude according to a distance from the indentation center using the measured displacement data. At this time, the flow stress model may be selected from Swift type, Hollomon type, Ludwick type, Voce type, Johnson-Cook type, and the like.

개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위가 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Embodiments of the disclosed technology may have effects including the following advantages. However, since it does not mean that embodiments of the disclosed technology should include all of them, it should not be understood that the scope of the rights of the disclosed technology is limited thereby.

본 발명에 의한 디지털 화상적합기술로 결정한 미소압흔 근처 표면 변위장으로 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치 및 방법에 따르면, 대상물체의 표면에 미소 압입시험을 하고 그로 인해 발생하는 미소 압흔 주변의 표면 변위장을 이용하여 재료물성치와 응력상태를 측정함으로써, 대상 물체의 손상을 최소로 할 수 있어 별도의 시편을 준비하지 않고 현장에서 직접 대상 물체나 표면 코팅의 재료물성치와 응력상태를 측정하기 위해 적용될 수 있고, 미소 압흔이 문제되지 않으면 대상물체를 재사용할 수 있으며 현재 사용 중인 대상물체의 재료물성치나 응력상태를 평가함으로써 구조물이나 부품의 안전성 여부를 직접 확인할 수 있는 이점이 있다.According to an apparatus and method for measuring material properties and stress states with a surface displacement field near a microindentation determined by the digital imaging technology according to the present invention, a microindentation test is performed on the surface of an object and the resulting surface around the microindentation By measuring the material properties and stress state using the displacement field, damage to the target object can be minimized, so it is applied to measure the material properties and stress state of the target object or surface coating directly in the field without preparing a separate specimen. In addition, if microindentation is not a problem, the object can be reused, and there is an advantage of being able to directly check whether the structure or component is safe by evaluating the material properties or stress state of the object currently in use.

또한, 부정확하고 얻기 힘든 미소 압입 하중-변위곡선을 사용하지 않고, 미소 압흔 주변의 고해상도 이미지로부터 미소 압입 전후의 변위장을 추출하고, 이를 이미 구축된 빅데이터와 비교하여 재료물성치와 응력상태를 결정함으로써, 기존 비파괴 시험이 간접측정 방식으로 해석이 난해하여 특별한 훈련과 자격이 필요했던 것에 반해 신속하고 용이하게 정확한 재료물성치와 응력상태를 얻을 수 있는 이점이 있다.In addition, without using inaccurate and difficult to obtain micro-indentation load-displacement curves, the displacement field before and after micro-indentation is extracted from the high-resolution image around the micro-indentation, and the material properties and stress state are determined by comparing it with the already established big data. As a result, there is an advantage in that it is possible to quickly and easily obtain accurate material properties and stress states, whereas the existing non-destructive tests are difficult to analyze by indirect measurement methods and require special training and qualifications.

또한, 인장시험기와 같은 실험실 측정장비를 사용하지 않고, 휴대형 장치로 간편하게 미소 압입으로 인한 압흔 발생 전후 표면의 고해상도 이미지를 획득하고 이를 장치에 마련되거나 장치와 통신할 수 있는 노트북 등에 마련된 자원을 통해 처리하여 재료물성치와 응력상태를 측정함으로써, 시간과 준비가 많이 필요한 기존의 시험방법으로는 불가능하였던 대량생산되는 제품이나 부품의 실시간 품질관리에 활용할 수 있는 이점이 있다.In addition, without using laboratory measurement equipment such as a tensile tester, a portable device easily acquires high-resolution images of the surface before and after the occurrence of indentations due to micro-indentation, and processes them through resources provided in the device or laptops that can communicate with the device. Therefore, by measuring the material properties and the stress state, there is an advantage that it can be used for real-time quality control of mass-produced products or parts, which was not possible with conventional test methods requiring a lot of time and preparation.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치의 기능적 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치의 기능적 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 기능적 구성을 구비한 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치의 구조를 나타내는 도면,
도 4(a)는 본 발명에 의한 이미지 획득부를 통해 얻어진 미소압입시험 전의 대상 물체의 재료 표면 이미지를 나타낸 도면, 도 4(b)는 미소압입시험 후의 대상 물체의 재료 표면 이미지를 나타낸 도면,
도 5(a)는 도 4의 이미지를 이용하여 압흔 주변의 이미지에서 추출된 표면 특징점들의 변위벡터를 도시한 도면, 도 5(b)는 도 5(a)를 이용하여 압흔 중심에서 떨어진 거리에 따른 변위값을 대응시킨 그래프,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비커스형 압입자에 대한 3차원 탄소성 유한요소 해석 모델을 예시적으로 나타낸 도면,
도 7은 예시적으로 Swift type 유동응력 모델 재료의 미소 압입시 재료물성치(K, n, a)에 따른 압흔 주변 표면 변위장 데이터를 나타낸 도면,
도 8은 예시적으로 Swift type 유동응력 모델 재료의 미소 압입시 특정 재료물성치의 재료에 다양한 응력상태가 작용하는 경우 작용응력(RS)에 따른 압흔 주변 표면 변위장 데이터를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 이용하여 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 대상 재료에 대해 실제 생성된 표면 변위장 데이터를 미리 저장된 다양한 재료 물성치와 응력상태 변수에 대한 표면 변위장 빅데이터와 비교하여 대상 재료의 재료 물성치와 응력상태를 결정하는 방법을 예시적으로 나타내는 흐름도.
1 is a block diagram showing a functional configuration of an apparatus for measuring material properties and stress states according to an embodiment of the present invention;
2 is a block diagram showing a functional configuration of an apparatus for measuring material properties and stress states according to another embodiment of the present invention;
3 is a view showing the structure of a device for measuring material properties and stress states according to an embodiment of the present invention having the functional configuration shown in FIGS. 1 and 2;
Fig. 4(a) is a view showing a material surface image of a target object before a micro-indentation test obtained through an image acquisition unit according to the present invention, and Fig. 4(b) is a view showing a material surface image of a target object after a micro-indentation test.
FIG. 5(a) is a diagram showing the displacement vectors of surface feature points extracted from the image around the indentation using the image of FIG. 4, and FIG. 5(b) is a distance away from the indentation center using FIG. 5(a). A graph corresponding to the corresponding displacement value,
6 is a diagram illustrating a three-dimensional elastoplastic finite element analysis model for a Vickers-type indenter according to an embodiment of the present invention;
7 is a diagram illustrating surface displacement field data around an indentation according to material properties (K, n, a) when a Swift type flow stress model material is exemplarily pressed in;
FIG. 8 is a diagram showing surface displacement field data around an indentation according to an applied stress (RS) when various stress states are applied to a material having a specific material property value when a Swift type flow stress model material is exemplarily pressed in;
9 is a flow chart showing a method of measuring material properties and stress states using an apparatus according to an embodiment of the present invention;
10 is a comparison of the surface displacement field data actually generated for the target material in an embodiment of the present invention with various pre-stored material properties and big data of the surface displacement field for the stress state variables to compare the material properties and the stress state of the target material. A flowchart illustratively showing how to determine.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In the drawings, the shapes and sizes of elements may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

또한, 본 발명은 본문에 설명되는 특징 및 측면의 모든 가능한 조합을 포함한다. 따라서, 예컨대, 하나의 특징이 일 실시형태와 관련하여 설명되고 또 다른 특징이 다른 실시형태와 관련하여 설명되는 경우, 본 발명은 이들 특징의 조합을 갖는 실시형태를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Further, the present invention includes all possible combinations of features and aspects described herein. Thus, for example, when one feature is described in connection with one embodiment and another feature is described in connection with another embodiment, it is to be understood that the present invention includes embodiments having a combination of these features.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 또는 기계적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.And throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, it is not only "directly connected", but also "electrically or mechanically connected" with another element in the middle. Include. In addition, when a part "includes" or "includes" a certain component, it means that other components are not excluded and other components may be further included or provided unless otherwise stated. .

또한, 본 명세서에서 용어 “대상 재료”는 특히 현장에 사용 중인 측정 대상 물체의 재료를 의미할 수 있지만, 특별히 언급되지 않는 한 “시편 재료”를 포함하는 의미로 해석될 수 있다.In addition, in the present specification, the term “target material” may specifically mean a material of an object to be measured in use in the field, but it may be interpreted as including “specimen material” unless otherwise noted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치의 기능적 구성을 나타내는 블록도이고, 도 3은 도 1에 도시된 기능적 구성을 구비한 장치의 외관 구조를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치를 설명한다.FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a device for measuring material properties and a stress state according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing the external structure of the device having the functional configuration shown in FIG. . An apparatus for measuring material properties and stress states according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 3.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치는, 크게 대상 재료에 대해 압입 테스트를 수행하고 압입 전후의 대상 재료 표면 상태 이미지를 획득하는 기구부(100)와, 상기 획득된 이미지로부터 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하여 기 저장된 표면 변위장 빅데이터와 비교함으로써 대상 재료의 재료 물성치와 응력상태를 결정하는 제어부(200)로 구성될 수 있다. As shown, the apparatus for measuring material properties and stress states according to an embodiment of the present invention includes a mechanism unit 100 that performs a press-fitting test on a target material and acquires a surface state image of the target material before and after the press-fitting. , The control unit 200 may generate surface displacement field data around the indentation from the obtained image and compare it with previously stored surface displacement field big data to determine the material properties and stress state of the target material.

구체적으로, 상기 기구부(100)는 대상 재료의 표면을 일정 하중으로 압입하여 압흔을 형성하는 압입 테스트부(110)와, 대상 재료에 대해 압입 전후의 표면 상태를 촬영하는 이미지 획득부(120)를 포함할 수 있다.Specifically, the mechanism unit 100 includes a press-fitting test unit 110 for forming an indentation by press-fitting the surface of a target material with a predetermined load, and an image acquisition unit 120 for photographing a surface state before and after press-fitting for the target material. Can include.

압입 테스트부(110)는 대상 물체의 표면에 미소 압입시험을 수행하기 위한 구성으로, 서보모터를 포함하는 구동장치(111), 상기 구동장치에 연결기구를 통해 연결되어 구동장치의 작동에 따라 대상 재료의 표면을 압입하는 압입자(115), 및 상기 연결기구와 압입자 사이에 장착되어 압입 하중을 측정하는 로드셀(113)을 포함할 수 있다.The indentation test unit 110 is configured to perform a micro-indentation test on the surface of a target object, and is connected to the driving device 111 including a servo motor through a connection mechanism to the target object according to the operation of the driving device. It may include an indenter 115 for pressing the surface of the material, and a load cell 113 mounted between the connection mechanism and the indenter to measure the press-in load.

압입 시 가해진 하중을 측정하는 상기 로드셀(113)은, 일반 금속재료에 대한 탄소성 유한요소해석 데이터를 고려하여, 최대용량 500N, 분해능 1N의 성능을 구비할 수 있다. 금속재료의 압입 시에, 로드셀(113)은 압입으로 금속재료에 미소 변위장을 만들 수 있는 10N 단위의 일정한 압입하중으로 측정 대상 재료(10)를 압입하도록 구성된다. 한편, 비금속재료 물체에 적용 시에는 금속재료에 적용할 때 보다 압입하중과 분해능이 낮은 로드셀이 사용될 수 있다.The load cell 113 for measuring a load applied during press fitting may have a maximum capacity of 500N and a resolution of 1N in consideration of elastoplastic finite element analysis data for a general metal material. During press-fitting of the metal material, the load cell 113 is configured to press-fit the material to be measured 10 with a constant press-in load in units of 10 N that can create a small displacement field in the metal material by press-fitting. On the other hand, when applied to a non-metallic material, a load cell having a lower press-in load and resolution than when applied to a metallic material can be used.

압입자(10)는 대상 물체의 표면을 압입하여 압흔을 형성하게 되며, 대상 물체의 표면에 대해 수직 방향으로 이동하여 대상 물체의 재료 표면을 압입할 수 있다. 본 발명은 직경 0.1 mm 이하의 미소 압흔에 의한 표면 변위장 데이터를 이용하여 재료물성치와 응력상태를 측정하는 기술이므로, 이에 따라 압입자의 크기도 구형 압입자를 기준으로 할 때, 0.5~1.0mm의 직경을 가지도록 구성된다. The indenter 10 may press-fit the surface of the target object to form an indent, and move in a direction perpendicular to the surface of the target object to press-fit the material surface of the target object. The present invention is a technology to measure the material properties and stress state by using the surface displacement field data by a micro indentation with a diameter of 0.1 mm or less, and accordingly, the size of the indenter is also 0.5 to 1.0 mm in diameter based on the spherical indentation. It is configured to have.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압입자(10)의 형상은 원추형, 구형, 피라미드형 중에서 선택되며, 압입테스트부(110)에 교체 가능하게 설치될 수 있다. 또한, 종래 나노 압입시험의 경우에 있어서, 원추형 압입자가 단독으로 사용될 경우 압입자의 특성상 상이한 재료물성치를 가지는 재료가 동일한 압입하중-변위 곡선을 나타내게 되는 자기 유사성으로 인한 오류 문제를 고려하여, 본 발명에서는 원추형 압입자의 경우 구형의 압입자와 함께 두 종류의 압입자를 적용하도록 구성될 수 있다. 피라미드형 압입자의 경우에도 크기가 작아지면 원추형 압입자와 유사하게 작용할 수 있으므로 구형의 압입자와 함께 사용되도록 구성할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the shape of the indenter 10 is selected from a conical shape, a spherical shape, and a pyramid shape, and may be installed interchangeably in the indentation test unit 110. In addition, in the case of the conventional nano indentation test, in consideration of an error problem due to self-similarity in which materials having different material property values due to the characteristics of the indenter when the conical indenter is used alone exhibit the same indentation load-displacement curve, the present invention In the case of a conical indenter, it can be configured to apply two types of indenters together with a spherical indenter. Even in the case of a pyramid-shaped indenter, when the size is reduced, it can act similarly to a conical indenter, so it can be configured to be used with a spherical indenter.

두 종류의 압입자(115)가 적용되는 경우, 본 발명의 기구부(100)는 압입테스트부(110)에 두 종류의 압입자가 각각 별도로 적용되어 압입테스트를 시행한 후 각각의 경우에 대해 이미지를 획득하거나, 혹은 압입테스트부(110)를 두 종류의 압입자가 서로 간섭되지 않는 1mm 이상 이격된 인접한 두 지점에 설치되도록 구성하여 대상 물체의 표면을 동시에 압입하도록 압압테스트를 시행하고 압입자에 대응하는 각각의 이미지를 획득하도록 구성할 수 있다.When the two types of indenter 115 are applied, the mechanical part 100 of the present invention has two types of indenter separately applied to the indentation test unit 110 to perform the indentation test, and then image for each case. To obtain or configure the press-fit test unit 110 to be installed at two adjacent points spaced apart by 1 mm or more where the two types of indenters do not interfere with each other, the pressure test is performed to simultaneously press-fit the surface of the target object and respond to the indenter. It can be configured to acquire each image.

한편, 본 발명에 의한 압입테스트부(110)의 구동장치(111)는 본 발명에 의한 미소 압입시험의 특성상 정밀하게 기계적 이동량을 제어하기 위해 서보 모터를 포함할 수 있으며, 이를 통해 반복성과 제어성이 높은 모터제어계를 구현할 수 있다.On the other hand, the driving device 111 of the indentation test unit 110 according to the present invention may include a servo motor to precisely control the amount of mechanical movement due to the characteristics of the micro-indentation test according to the present invention, through which repeatability and controllability This high motor control system can be implemented.

이미지 획득부(120)는 압입테스트 전후의 대상 재료의 표면을 촬영하는 구성으로, 적어도 하나의 고성능 CCD 카메라를 포함하도록 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, CCD 카메라를 포함하는 이미지 획득부(120)는 압입테스트부(110)의 양쪽에 위치되어 재료 표면(10) 상의 압흔 주변의 이미지를 촬영할 수 있으며, 필요에 따라 화소, 영역 확대 등의 성능 향상을 위해 CCD 카메라의 개수와 사양이 교체될 수 있다. The image acquisition unit 120 is configured to photograph the surface of the target material before and after the indentation test, and is configured to include at least one high-performance CCD camera. As shown in Figure 3, the image acquisition unit 120 including the CCD camera is located on both sides of the indentation test unit 110 can take an image around the indentation on the material surface 10, if necessary, the pixel The number and specifications of CCD cameras can be replaced to improve performance, such as area expansion.

후술되는 바와 같이, 본 발명은 대상 재료 표면의 미소 압입으로 인한 압흔 발생 전후 표면의 이미지를 이용하여 압입 전후 재료 표면의 특이점의 변위를 계산하여야 하므로, 고해상도 이미지가 필요하다. 이미지의 해상도는 측정하고자 하는 값(즉, 재료물성치 또는 응력상태)에 따라 달라질 수 있으나, 후술되는 바와 같이 탄소성 유한요소해석을 통해 구축된 표면 변위장 빅데이터를 고려하여 대략 0.02~0.1 미크론/픽셀 범위로 해상도가 설정될 수 있다. As will be described later, in the present invention, since the displacement of the singular point of the material surface before and after the indentation must be calculated by using the image of the surface before and after the occurrence of indentation due to the micro-indentation of the target material surface, a high-resolution image is required. The resolution of the image may vary depending on the value to be measured (i.e., material property value or stress state), but as described later, it is approximately 0.02 to 0.1 micron/micron in consideration of the big data of the surface displacement field constructed through elastoplastic finite element analysis. The resolution can be set in a range of pixels.

구체적으로, 제어부(200)는 이미지 획득부(120)로부터의 압입 전후의 재료 표면 상태에 대한 이미지를 이용하여 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 이미지 분석부(210), 유한요소해석을 이용하여 다양한 재료물성치와 응력상태 변수에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 빅데이터가 저장되는 비교 데이터 저장부(220), 이미지 분석부에서 생성된 대상 재료의 표면 변위장 데이터를 비교 데이터 저장부에 저장된 다양한 재료물성치와 응력상태 변수에 대한 표면 변위장 빅데이터와 비교하여, 대상 물체의 재료물성치와 응력상태를 결정하는 중앙 처리부(230)를 포함할 수 있다.Specifically, the control unit 200 uses an image analysis unit 210 that generates surface displacement field data around the indentation using an image of the surface state of the material before and after indentation from the image acquisition unit 120, and finite element analysis. Thus, the comparison data storage unit 220 that stores big data of the surface displacement field around the indentation according to various material property values and stress state variables, and the surface displacement field data of the target material generated by the image analysis unit are stored in the comparison data storage unit. It may include a central processing unit 230 for determining the material property value and the stress state of the target object by comparing the material property value and the surface displacement field big data for the stress state variable.

이미지 분석부(210)는 대상 재료 표면에 대한 압입 전후의 이미지를 이용하여 미소 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하기 위해 디지털 화상적합기법(DIC)을 사용한다. DIC 기법이란, 카메라를 통해 획득한 이미지의 특징점들의 위치, 크기, 방향 등 지역적 특성을 나타내는 정보를 추출하여 추적하는 알고리즘을 통해 소재 표면의 변형에 따른 질점의 이동 정보를 분석하는 방법이다. 본 장치에서는 미소압입시험과 DIC 기법을 융합하여 미소압입 전후의 질점의 이동 정보로부터 압흔 주변의 표면 변위장을 결정한다.The image analysis unit 210 uses a digital image matching technique (DIC) to generate surface displacement field data around the micro indentation by using images before and after the indentation of the target material surface. The DIC technique is a method of analyzing the movement information of a material point according to the deformation of a material surface through an algorithm that extracts and tracks information representing regional characteristics such as the location, size, and direction of the feature points of an image acquired through a camera. In this device, the micro-indentation test and DIC technique are combined to determine the surface displacement field around the indentation from the movement information of the mass before and after the micro-indentation.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 이미지 획득부를 통해 얻어진 미소압입시험 전후의 대상 물체의 재료 표면 이미지를 나타낸 것으로, 예시적으로 알루미늄 재료 표면을 피라미드형 압입자의 일종인 비커스형 압입자로 압입하여 형성된 압흔의 2사분면 주변 0.129mm X 0.092mm의 고해상도 이미지(해상도 0.028미크론/픽셀)를 나타내고 있다. 여기서, 도 4(a)는 미소 압입 전의 이미지를 나타내고, 도 4(b)는 미소 압입 후의 이미지로 우측 하단에 45도 기울어진 점선으로부터 우측 하단의 모서리까지의 영역이 비커스형 압흔에 해당된다. 이와 같이 미소 압입 전후의 이미지에는 랜덤한 패턴 형상이 나타나 있다.4 is a diagram showing a material surface image of a target object before and after a micro-indentation test obtained through an image acquisition unit according to an embodiment of the present invention. Illustratively, an aluminum material surface is pressed into a Vickers-type indenter, a kind of pyramidal indentation. It shows a high-resolution image (resolution 0.028 microns/pixel) of 0.129 mm X 0.092 mm around the second quadrant of the formed indentation. Here, FIG. 4(a) shows the image before micro-indentation, and FIG. 4(b) is the image after micro-indentation, and the area from the dotted line inclined 45 degrees to the lower right corner corresponds to the Vickers-type indentation. In this way, a random pattern shape is shown in the image before and after the micro-press fitting.

이미지 분석부(210)는, 예시적으로 도 4(a)에 나타낸 바와 같은 미소압입 전의 이미지로부터 두드러진 명암 값이나 모서리와 같이 주변과 구분되는 특징을 가지는 점, 즉, 특징점을 다수 추출한 후, 도 4(b)에 나타낸 바와 같은 압입 후의 이미지에서 상기 특징점들의 위치를 추적하여 변위를 계산함으로써 변위장 데이터를 형성한다. 본 발명에서 미소 압입 전후의 이미지에서 특징점의 표면 변위장 데이터를 이용하여 재료물성치와 응력상태를 측정할 수 있는 것은 미소 압입으로 압흔 주변에는 미소변형이 발생하더라도, 고해상도 이미지에서 추출되는 특징점의 이미지 데이터는 보존되기 때문이다.The image analysis unit 210 exemplarily extracts a number of points, that is, features that are distinguished from the periphery from the image before micro-indentation as shown in FIG. The displacement field data is formed by calculating displacement by tracking the positions of the feature points in the image after press-fitting as shown in 4(b). In the present invention, it is possible to measure the material properties and the stress state using the surface displacement field data of the feature points in the image before and after the micro-indentation. Is preserved.

이미지 분석을 통해 추출된 압입 전/후 특징점의 픽셀 좌표 (x압입전, y압입전), (x압입후, y압입후)를 각각 추출하면, 이로부터 각 특징점의 변위벡터 (dx, dy)는 다음과 같이 계산된다. When the pixel coordinates of the feature points before and after the indentation extracted through image analysis ( before x indentation , y before indentation ) and ( after x indentation , y after indentation ) are extracted, displacement vectors of each feature point (dx, dy) Is calculated as follows.

(dx, dy) = (x압입후-x압입전, y압입후-y압입전) (식 1)(dx, dy) = ( After x indentation -x before indentation , y after indentation before -y indentation ) (Equation 1)

도 5(a)는 상술한 바에 따라 도 4의 이미지를 이용하여 압흔 주변의 이미지에서 추출된 표면 특징점들의 변위벡터를 도시한 것이며, 도 5(b)는 도 5(a)를 이용하여 압흔 중심에서 떨어진 거리에 따른 변위값을 대응시킨 그래프를 나타내고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 압입 전후의 이미지에서 추출되는 특이점은 수 천 내지 수 만개에 이를 수 있으며, 본 발명에서는 이와 같이 상당한 수의 특징점에 대한 각각의 변위 값을 통계적으로 평균하여 변위장 데이터를 생성할 수 있다. 5(a) shows the displacement vectors of surface feature points extracted from the image around the indentation using the image of FIG. 4 as described above, and FIG. 5(b) shows the indentation center using FIG. 5(a). A graph corresponding to the displacement value according to the distance away from is shown. As shown in FIG. 5, the number of singular points extracted from the image before and after the press-fitting may reach tens of thousands to tens of thousands, and in the present invention, the displacement field data is statistically averaged for each displacement value for a considerable number of feature points. Can be created.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 미소압입에 사용하는 압입자는 일반적으로 사용되는 구형, 원추형, 피라미드형을 모두 사용할 수 있으며, 이에 따라 복수의 압입자와 복수의 압흔으로부터 얻어지는 복수의 표면 변위장 데이터를 사용할 경우 측정결과의 신뢰성을 더욱 높일 수 있게 된다. 이를 위하여, 후술할 비교 데이터 저장부에는 압입 하중이나 압입자의 유형에 따라 다양하게 얻어지는 변위장에 대한 빅데이터가 각각 별도로 계산되어 저장되며, 상기 생성된 복수의 표면 변위장 데이터와 비교될 수 있다.As described above, the indenter used for the microindentation of the present invention can use all of the generally used spherical, conical, and pyramidal shapes. Accordingly, a plurality of surface displacement field data obtained from a plurality of indentations and a plurality of indentations can be obtained. When used, the reliability of the measurement results can be further increased. To this end, in the comparison data storage unit to be described later, big data on displacement fields obtained in various ways according to the indentation load or the type of indenter are separately calculated and stored, and may be compared with the generated plurality of surface displacement field data.

본 발명에서는 측정과 제어가 힘든 미소압입에 대한 하중-변위를 연속적으로 측정하는 종래의 방법 대신에, 상기와 같이 압입테스트부에서는 미리 정해진 일정 하중으로 재료 표면을 압입하여 직경 0.1mm 이하의 미소압흔을 발생시켜 대상물체의 손상을 최소로 하고 시험의 정확도를 높이는 한편, 이미지 획득부로부터 압흔 주변의 고해상도 이미지를 제공받아 사용하므로 pile-up, sink-in 등의 세부형상을 모두 반영할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 종래의 나노압입시험기에서 측정하는 압입하중-변위 곡선에 비해 방대한 양의 정보를 사용할 수 있게 되고, 이에 따라 상이한 재료물성치가 동일한 압입하중-변위 곡선을 나타내는 유사 물성치의 문제를 완벽하게 해결할 수 있게 된다. 더욱이, 측정대상의 재료물성치나 응력상태를 시편 전체에서 평균적으로 부정확하게 파악하는 대신, 다수의 미소압입 결과를 이용하면 재료물성치 및 응력상태의 국부적인 분포를 알 수 있게 된다.In the present invention, instead of the conventional method of continuously measuring the load-displacement for micro-indentation, which is difficult to measure and control, the indentation test unit press-fits the material surface with a predetermined constant load as described above to obtain micro-indentation marks with a diameter of 0.1 mm or less. The advantage of being able to reflect all detailed shapes such as pile-up and sink-in as high-resolution images around the indentation are provided and used from the image acquisition unit while minimizing damage to the target object and increasing the accuracy of the test. There is this. Therefore, a vast amount of information can be used compared to the indentation load-displacement curve measured in the conventional nanoindentation tester, and accordingly, the problem of similar physical property values showing the same indentation load-displacement curve with different material properties can be completely solved. There will be. Moreover, instead of accurately grasping the material properties or stress conditions of the object to be measured on average across the entire specimen, the use of multiple microindentation results allows the local distribution of the material properties and stress conditions to be known.

한편, 본 발명의 실시예에서는 고해상도의 이미지를 이용하므로 대상 재료 표면에 나타난 두드러진 명암 값 등과 같이 주변과 구분되는 특이점들이 다수 존재하였기 때문에, 종래 DIC 기법에서 사용되어 온 것과 같이 별도로 패턴을 인쇄하고 인쇄된 패턴을 추적하는 방식을 사용하지 않았다. 그러나 별도의 패턴을 인쇄하고 이를 추적하여 표면 변위장을 생성하는 방식을 채택하는 것도 가능하다.On the other hand, in the embodiment of the present invention, since a high-resolution image was used, there were a number of singular points that were distinguished from the surroundings, such as a prominent contrast value displayed on the surface of the target material, so that the pattern was separately printed and printed as has been used in the conventional DIC technique. I didn't use a method of tracking the pattern. However, it is also possible to print a separate pattern and track it to generate a surface displacement field.

비교 데이터 저장부(220)는 상기 이미지 분석부(210)로부터 제공된 대상 재료의 표면 변위장 데이터와 비교되는 대상으로서, 다양한 재료물성치와 응력상태 변수에 대한 표면 변위장 빅데이터가 저장되는 구성에 해당된다. 비교 데이터 저장부(220)에는 사전에 탄소성 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션을 통해 다양한 유동응력 모델을 따르는 재료의 압입시 다양한 재료물성치와 응력상태 변수에 따라 재료가 나타내는 표면 변위장 빅데이터가 저장된다. 비교 데이터 저장부(220)는 본 발명의 장치에 내장될 수 있지만, 선택적으로 노트북, 컴퓨터와 같은 외부 장치에 포함된 메모리에 구비될 수도 있다.The comparison data storage unit 220 is an object to be compared with the surface displacement field data of the target material provided from the image analysis unit 210, and corresponds to a configuration in which surface displacement field big data for various material property values and stress state variables are stored. do. The comparison data storage unit 220 stores big data of the surface displacement field represented by the material according to various material properties and stress state variables when a material is indented according to various flow stress models through simulation using elastoplastic finite element analysis in advance. . The comparison data storage unit 220 may be embedded in the device of the present invention, but may optionally be provided in a memory included in an external device such as a notebook computer or a computer.

탄소성 유한요소해석을 통하여 구축되는 빅데이터에는 일반적으로 많이 사용되는 유동응력(flow stress) 모델들과 초기항복응력, 작용응력 등을 변수로 한 압흔 주변의 변위장 데이터가 포함된다. 이때 재료의 이방성, 압입자의 유형, 작용응력의 방향성을 고려한 3차원 해석결과에 기초하여 변위장 데이터가 산출되고 저장된다. Big data constructed through elastoplastic finite element analysis includes commonly used flow stress models and displacement field data around the indentation using initial yield stress and applied stress as variables. At this time, the displacement field data is calculated and stored based on the three-dimensional analysis result considering the anisotropy of the material, the type of indentation, and the direction of the applied stress.

도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 비커스형 압입자에 대한 3차원 탄소성 유한요소 해석 모델을 예시적으로 나타내었다. 구체적으로, 탄소성 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션은 소정의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를, 압입 지점을 기준으로 다수개의 요소로 분할하고 상기 압입 지점을 일정 하중으로 압입할 때에, 재료의 이방성, 압입자의 유형, 작용응력의 방향성을 고려하여 시편 재료의 반응을 시뮬레이션하는 것이다. 결과로서, 압입에 기인한 요소 간 절점 사이의 변위를 측정하는 방식으로, 재료 물성치에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터 및 재료의 응력 상태에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성할 수 있게 된다. 6 shows an exemplary three-dimensional elastoplastic finite element analysis model for a Vickers-type indenter according to an embodiment of the present invention. Specifically, the simulation using elastoplastic finite element analysis divides the specimen material based on a predetermined flow stress model into a plurality of elements based on the indentation point, and when the indentation point is pressed with a constant load, the anisotropy of the material and the indentation. It simulates the response of the specimen material by considering the type of ruler and the direction of the applied stress. As a result, by measuring the displacement between the nodes between the elements due to the indentation, it is possible to generate surface displacement field data around the indentation according to the material properties and the surface displacement field data around the indentation according to the stress state of the material. .

본 발명의 일 실시예에 의한 빅데이터 구축 방법은, 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를 생성하는 단계; 상기 시편 재료를 압입될 지점을 기준으로 다수 개의 요소로 수평 및 수직으로 분할하는 단계; 상기 압입될 지점을 크기와 형상이 다양한 종류의 압입자로, 다양한 압입 하중을 적용하여 압입할 경우에, 상기 유동응력 모델을 따르는 다양한 재료상수 및 다양한 응력조건을 가지는 상기 시편 재료의 압입에 의한 반응을 시뮬레이션 하는 단계; 상기 시뮬레이션을 거친 시편 재료의 압입 전 후의 각 요소 간 절점 사이의 변위를, 압입자의 종류 및 압입 하중과, 유동응력 모델에 따른 재료상수 및 응력조건 별로 측정하는 단계; 상기 측정된 변위 데이터를 이용하여, 압흔 중심으로부터의 거리에 따른 변위 크기의 함수로서 다양한 재료물성과 응력상태 변수에 대한 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. A method of constructing big data according to an embodiment of the present invention includes the steps of: generating a specimen material based on at least one flow stress model; Dividing the specimen material horizontally and vertically into a plurality of elements based on a point to be pressed; When indenting the point to be pressed into indenters of various sizes and shapes and applying various indentation loads, the reaction by indentation of the specimen material having various material constants and various stress conditions according to the flow stress model Simulating; Measuring the displacement between nodes between the elements before and after the press-fitting of the simulated specimen material, for each type of the indenter and the press-fitting load, and a material constant and stress condition according to the flow stress model; Using the measured displacement data, generating surface displacement field data around the indentation for various material properties and stress state variables as a function of a displacement magnitude according to a distance from the indentation center.

도 7과 도 8은 하기 (식 2)로 표시되는 Swift type 유동응력 모델을 적용한 경우, 철강재료에 대한 미소압입 탄소성 유한요소해석 결과에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 예시적으로 나타낸다. 7 and 8 exemplarily show surface displacement field data around the indentation according to the result of micro-indentation elastoplastic finite element analysis for steel materials when the Swift type flow stress model represented by the following (Equation 2) is applied.

Figure 112019051595818-pat00001
... (식 2)
Figure 112019051595818-pat00001
... (Equation 2)

(여기서, σ는 유동응력, K, a, n 은 재료상수이며, ε은 총 유효변형률이다.)(Where σ is the flow stress, K, a, n are material constants, and ε is the total effective strain.)

재료상수 a Y 를 대상재료의 초기항복응력, E를 탄성계수라고 할 때, (식 3)처럼 나타낼 수 있다. The material constant a can be expressed as (Equation 3) when Y is the initial yield stress of the target material and E is the elastic modulus.

Figure 112019051595818-pat00002
... (식 3)
Figure 112019051595818-pat00002
... (Equation 3)

구체적으로, 도 7은 Swift type 유동응력 모델 재료의 미소압입시 재료물성치(K, n, a)에 따른 압흔 주변 표면 변위장 데이터를 나타낸다. 여기서, 가로축은 압흔 중심으로부터의 거리(r/D) 세로축은 변위 크기(ur)를 나타내며 각각 압입자의 크기(D=1mm)로 나눈 상대값으로 표시되어 있다. 도 7은 200N 의 압입 하중으로 Swift type 유동응력 모델을 따르는 철강 재료를 미소 압입할 경우, Swift type 유동응력

Figure 112019051595818-pat00003
[MPa]에서 재료상수 K, n, a에 따른 압흔 주변의 변위장 데이터 곡선 그래프를 나타낸다. Specifically, FIG. 7 shows surface displacement field data around the indentation according to the material properties (K, n, a) when the Swift type flow stress model material is micro-pressed. Here, the horizontal axis represents the distance from the indentation center (r/D), and the vertical axis represents the displacement magnitude (u r ), and is represented by a relative value divided by the size of the indenter (D=1mm), respectively. Fig. 7 shows a Swift type flow stress when micro-pressing a steel material conforming to the Swift type flow stress model with a 200N press-in load
Figure 112019051595818-pat00003
In [MPa], a graph of the displacement field data curve around the indentation according to the material constants K, n, a is shown.

비교 데이터 저장부(220)에는 상술한 바와 같은 방식으로 생성된 다양한 재료물성치(K, n, a, ,, )에 따른 압흔 주변 표면 변위장 데이터가 저장된다. 따라서, 본 발명의 이미지 분석부(210)에서 생성된 표면 변위장 데이터를 이용하여, 예컨대, 대상 물체의 소재인 철강재료의 구체적인 재료물성치를 측정하고자 할 경우, 상기 생성된 표면 변위장 데이터를 비교 데이터 저장부(220)에 저장된 철강재료의 도 7에 상응하는 재료물성치에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 독출하여 비교함으로써 대상 물체의 구체적인 재료물성치(즉, K, n, a 값)를 결정할 수 있게 된다. The comparison data storage unit 220 stores surface displacement field data around the indentation according to various material property values (K, n, a, ,,) generated in the manner described above. Therefore, using the surface displacement field data generated by the image analysis unit 210 of the present invention, for example, when a specific material property value of a steel material as a material of the target object is to be measured, the generated surface displacement field data is compared. The specific material properties (i.e., K, n, a values) of the target object are determined by reading and comparing the surface displacement field data around the indentation according to the material properties corresponding to FIG. 7 of the steel material stored in the data storage unit 220 You will be able to.

압흔 중심에서 반경방향 변위장을 여러 각도별로 측정하여 물성치를 구한 후에 그 값들을 비교하여 서로 같으면 대상소재는 등방성이다. 각도별로 구한 재료물성치 즉, 유동응력이 다르다면, 방향별 유동응력 비율로부터 이방성계수를 결정할 수 있다.After measuring the radial displacement field at the center of the indentation by several angles to obtain the physical properties, compare the values and if they are the same, the target material is isotropic. If the material properties obtained by angle, that is, flow stress are different, the anisotropy coefficient can be determined from the flow stress ratio by direction.

또한, 도 8은 Swift type 유동응력 모델 재료의 미소압입시 특정 재료물성치의 재료에 다양한 응력상태가 작용하는 경우 작용응력(RS[MPa])에 따른 압흔 주변 표면 변위장 데이터를 나타낸다. 여기서, 가로축은 압흔 중심으로부터의 거리(r/D) 세로축은 변위 크기(ur)를 나타내며 각각 압입자의 크기(D=1mm)로 나눈 상대값으로 표시되어 있다. 도 8은 27N 의 압입 하중으로 Swift type 유동응력 모델을 따르는 철강 재료를 미소 압입할 경우, 작용응력에 따른 압흔 주변의 변위장 데이터 곡선 그래프를 나타낸다. In addition, FIG. 8 shows surface displacement field data around the indentation according to the applied stress (RS[MPa]) when various stress states act on the material having a specific material property value when microindentation of a Swift type flow stress model material. Here, the horizontal axis represents the distance from the indentation center (r/D), and the vertical axis represents the displacement magnitude (u r ), and is represented by a relative value divided by the size of the indenter (D=1mm), respectively. 8 shows a graph of the displacement field data curve around the indentation according to the applied stress when a steel material conforming to the Swift type flow stress model is micro-pressed with a press-in load of 27N.

비교 데이터 저장부(220)에는 상술한 바와 같은 방식으로 생성된 다양한 재료물성치의 재료에 다양한 응력상태가 작용하는 경우의 작용응력에 따른 압흔 주변 표면 변위장 데이터가 저장된다. 따라서, 본 발명의 이미지 분석부(210)에서 생성된 표면 변위장 데이터를 이용하여, 예컨대, 대상 물체의 소재인 철강재료에 작용하는 구체적인 응력상태를 측정하고자 할 경우, 상기 생성된 표면 변위장 데이터를 비교 데이터 저장부(220)에 저장된 철강재료의 도 8에 상응하는 응력상태에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 독출하여 비교함으로써 대상 물체의 구체적인 응력상태를 결정할 수 있게 된다. The comparison data storage unit 220 stores surface displacement field data around the indentation according to the applied stress when various stress states are applied to materials with various material property values generated in the manner described above. Therefore, in the case of measuring a specific stress state acting on a steel material, which is a material of a target object, using the surface displacement field data generated by the image analysis unit 210 of the present invention, the generated surface displacement field data By reading and comparing the surface displacement field data around the indentation according to the stress state corresponding to FIG. 8 of the steel material stored in the comparison data storage unit 220, it is possible to determine the specific stress state of the target object.

상기 실시예에서는 Swift type 유동응력 모델을 적용한 경우에 대해 설명되었지만, 적용가능한 유동응력 모델에 특별한 제한이 있는 것은 아니므로 Hollomon 타입, Ludwick 타입, Voce 타입, Johnson-Cook 타입 혹은 이들의 조합형 같은 모델에 확장하여 적용할 수 있다.In the above embodiment, the case of applying the Swift type flow stress model was described, but there is no particular limitation on the applicable flow stress model, so that the model such as Hollomon type, Ludwick type, Voce type, Johnson-Cook type, or a combination thereof It can be extended and applied.

한편, 상기한 도 7 및 도 8의 철강재료의 유한요소해석 빅데이터를 고려할 때, 본 발명의 장치를 이용하여 대상 물체의 재료물성치와 응력상태를 측정함에 있어서 측정 정확도를 높이기 위한 적절한 압입하중과 해상도의 적용 범위를 도출하는 것이 가능하다. 예컨대, 도 7을 참조하면 철강재료의 재료물성치 측정에는 대략 100~200N 압입하중에 0.05~0.1미크론/픽셀 해상도를 사용하면 공학적으로 유용한 데이터를 얻을 수 있다. 또한, 도 8을 참조하면 응력상태 측정에는 대략 20~40N의 압입하중에 0.02~0.5미크론/픽셀 해상도를 사용하면 이는 대략 15MPa/픽셀 정도에 해당하므로 공학적으로 유용한 값을 측정할 수 있다. 이때, 응력상태의 해상도는 재료의 탄성계수(Young’s modulus)에 반비례하여 높아진다. 즉, 알루미늄재료는 철강대비 1/3 정도의 강성을 가지므로, 0.02미크론/픽셀 해상도는 대략 5Mpa/픽셀에 해당하여 측정 정확도가 높아진다. 이와 같이 강성이 높은 철강재료를 기준으로 압입 하중과 해상도를 설정할 경우, 철강보다 강성이 떨어지는 다른 재료에 대해서도 충분한 정확도로 재료물성치와 응력상태를 측정할 수 있을 것이다. On the other hand, when considering the finite element analysis big data of the steel materials of Figs. 7 and 8, when using the apparatus of the present invention to measure the material properties and stress state of the target object, appropriate indentation load and It is possible to derive the range of application of the resolution. For example, referring to FIG. 7, when measuring material properties of steel materials, using a resolution of 0.05 to 0.1 microns/pixel at an indentation load of approximately 100 to 200 N can obtain engineering useful data. In addition, referring to FIG. 8, when using a resolution of 0.02 to 0.5 microns/pixel at an indentation load of approximately 20 to 40 N for the measurement of the stress state, this corresponds to approximately 15 MPa/pixel, and thus an engineering useful value can be measured. At this time, the resolution of the stress state increases in inverse proportion to the Young's modulus of the material. That is, since the aluminum material has a stiffness of about 1/3 of that of steel, the resolution of 0.02 micron/pixel corresponds to approximately 5 MPa/pixel, thus increasing the measurement accuracy. If the indentation load and resolution are set based on a steel material with high rigidity as described above, material properties and stress conditions can be measured with sufficient accuracy even for other materials with less rigidity than steel.

선택적으로, 철강재료 외의 다른 재료의 경우는 철강재료의 사례를 기준으로 하여, 물성치 측정에는 항복응력이나 인장강도에 비례하고, 응력상태 측정에는 탄성계수에 비례하여 압입하중을 조절할 수 있다. 이와 같이 압입하중을 재료별로 달리 설정하는 이유는 미소압흔 크기를 0.1mm 정도로 유지하기 위함이다. 현재의 상용 CCD가 4800만 화소(8,000 X 6,000 화소)까지 나오므로, 미소압흔 주변 크기 0.16mm를 8,000픽셀로 본다면 0.02미크론/픽셀이 되어, 재료의 응력상태를 실용적으로 파악할 수 있게 된다. 이와 같이 압입하중과 해상도의 설정 관계는 현재의 CCD 해상도를 고려하여 설정된 것으로, 향후 해상도가 더 높은 CCD가 개발되어 나온다면 압입하중(즉, 압흔 크기)은 보다 폭넓게 조절될 수 있을 것이며 측정 정확도는 더욱 높아질 것이다.Optionally, in the case of materials other than steel materials, the indentation load can be adjusted in proportion to the yield stress or tensile strength for measuring physical properties, and in proportion to the modulus of elasticity for measuring the physical properties. The reason why the indentation load is set differently for each material is to keep the size of the microindentation around 0.1mm. Since the current commercial CCD comes out up to 48 million pixels (8,000 X 6,000 pixels), if the size around the micro indentation is 0.16 mm as 8,000 pixels, it becomes 0.02 micron/pixel, so that the stress state of the material can be understood practically. In this way, the setting relationship between the indentation load and the resolution is set in consideration of the current CCD resolution, and if a higher resolution CCD is developed in the future, the indentation load (i.e., the indentation size) can be adjusted more widely and the measurement accuracy is Will be higher.

통상적으로, 해상도는 이미지 범위를 픽셀수로 나눈 값으로 0.4mm X 0.3mm의 범위를 4800만 화소로 촬영하면 해상도는 0.05미크론/픽셀이 된다. 그러나 도 5에 나타낸 것처럼 본 발명의 장치는 수천 내지 수만 개 이상의 특징점을 추적하여 변위벡터를 구하고 이들을 저장된 변위장 빅데이터에 적합시키므로 픽셀단위의 이미지 해상도가 아니라, 통계학적으로 훨씬 높은 신뢰도를 가진 정확도로 재료물성치나 응력상태를 결정할 수 있는 이점이 있다. Typically, the resolution is a value obtained by dividing the image range by the number of pixels, and when photographing a range of 0.4mm X 0.3mm at 48 million pixels, the resolution is 0.05 microns/pixel. However, as shown in FIG. 5, the apparatus of the present invention tracks thousands to tens of thousands of feature points to obtain displacement vectors and fits them into the stored displacement field big data. Therefore, it is not a pixel-based image resolution, but a statistically much higher reliability accuracy. It has the advantage of being able to determine the material properties or stress state.

중앙 처리부(230)는 이미지 분석부(210)에서 생성된 대상 재료의 표면 변위장 데이터를 비교 데이터 저장부(220)에 저장된 다양한 재료물성치 및/또는 응력상태 변수에 대한 표면 변위장 빅데이터와 매칭시켜 가장 근접한 표면 변위장 데이터를 검출함으로써 대상 물체의 재료물성치 및/또는 응력상태를 결정한다.The central processing unit 230 matches the surface displacement field data of the target material generated by the image analysis unit 210 with various material property values stored in the comparison data storage unit 220 and/or the surface displacement field big data for stress state variables. It determines the material properties and/or stress state of the target object by detecting the nearest surface displacement field data.

상술한 바와 같이, 비교 데이터 저장부(220)에는 유한요소해석으로 얻은 방대한 양의 데이터 베이스가 체계적으로 저장되어 있으며, 항복응력, 변형경화지수 등의 재료물성 및 각 축의 응력상태를 변수로 하는 유한요소해석 압입 모델의 변위장 데이터를 통해 재료물성, 응력상태와 변위장의 상관관계를 나타내는 내장함수를 포함한다. 따라서, 이미지 분석부(210)를 통해 얻은 실제 대상 물체의 재료 표면에 대한 압입시험으로부터 생성된 변위장 데이터를 비교 데이터 저장부(220)의 내장함수를 이용해 변수에 따른 해석 결과들과의 비교를 통해, 평가 대상 재료(10)의 재료물성치 및/또는 응력상태 값을 얻을 수 있다. 미소 압입시험을 통해 획득한 압흔 주변의 표면 변위장 데이를 이용하여 대상 물체의 재료물성치 및/또는 응력상태 값을 얻는 구체적인 방법에 관해서는 후술한다. As described above, the comparative data storage unit 220 systematically stores a vast amount of database obtained by finite element analysis, and the material properties such as yield stress and strain hardening index and the stress state of each axis are used as variables. It includes a built-in function that shows the correlation between material properties, stress state and displacement field through displacement field data of element analysis indentation model. Therefore, the displacement field data generated from the indentation test on the material surface of the actual target object obtained through the image analysis unit 210 is compared with the analysis results according to the variables using the built-in function of the comparison data storage unit 220. Through this, it is possible to obtain a material property value and/or a stress state value of the material to be evaluated 10. A specific method of obtaining the material property value and/or the stress state value of the target object using the surface displacement field data around the indentation obtained through the micro indentation test will be described later.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치의 기능적 구성을 나타내는 블록도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 기능적 구성을 구비한 장치의 외관 구조를 나타내는 도면으로 위에서 언급되었지만, 도 2의 실시예에 대해서도 도 3의 외관 구조가 적용될 수 있다. 도 2의 실시예에 있어서 도 1의 실시예와 일부 중복되는 구성에 대해서는 도 1의 실시예에서와 동일한 설명이 적용될 수 있으므로 구체적인 설명을 생략한다. 역으로, 도 2의 실시예와 관련한 설명 중에 도 1과 중복되는 구성에 관한 것은 마찬가지로 도 1의 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.2 is a block diagram showing a functional configuration of an apparatus for measuring material properties and stress states according to another embodiment of the present invention. In addition, although FIG. 3 is a view showing the external structure of the device having the functional configuration shown in FIG. 1, the external structure of FIG. 3 may be applied to the embodiment of FIG. 2 as well. In the embodiment of FIG. 2, since the same description as in the embodiment of FIG. 1 may be applied to the configuration partially overlapping with the embodiment of FIG. 1, a detailed description will be omitted. Conversely, in the description related to the embodiment of FIG. 2, the configuration overlapping with that of FIG. 1 may be similarly applied to the embodiment of FIG. 1.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 재료 물성치와 응력상태를 측정하는 장치는, 도 1의 실시예와 비교할 때 고정 지지부(130)와, 디스플레이부(310) 및 전원공급부(410)의 구성을 더 포함하는 구성으로 이루어진다.As shown in FIGS. 2 and 3, the apparatus for measuring material properties and stress states according to another exemplary embodiment of the present invention includes a fixed support 130 and a display 310 as compared to the exemplary embodiment of FIG. 1. And a configuration of the power supply unit 410.

고정 지지부(130)는 본 발명의 장치를 사용 중인 대상 물체의 표면에 고정 및 지지하기 위한 구성이다. 특별히 제한되는 것은 아니지만, 도 3에 도시된 바와 같이 이미지 분석부(210), 비교 데이터 저장부(220), 중앙 처리부(230)를 포함하는 제어부(200)는 장치의 상부에 구비되고, 장치의 상부 저면으로부터 수직 하방으로 압입 테스트부(110)가 장착될 수 있다. 이때, 상기 고정 지지부(130)는 장치의 상부를 지지함과 동시에, 상기 압입 테스트부(110)의 둘레에서 상기 압입 테스트부를 대상 물체의 재료 표면(10)으로부터 이격시켜 지지하며, 사용 중인 부품의 재료 표면에 고정될 수 있다. 고정 지지부(130)가 대상 물체의 재료 표면(10)에 고정 지지되는 방식에는 특별한 제한이 있는 것이 아니어서, 고정 지지부(130)는 재료 표면(10) 상에 장치 자체의 무게에 의해 고정 지지될 수 있으며, 작업자의 손에 의한 고정도 가능하다. 또한, 고정 지지부(130)의 재료 표면(10)과의 접촉면에, 예를 들면 흡착기구와 같은 별도의 고정기구를 구비시킴으로써 표면이 수평으로 평탄하지 않은 물체에 대해 적용시 편의성을 향상시킬 수도 있다. 어느 경우에 있어서도, 측정 대상 물체의 표면에 별도의 가공이나 접착을 할 필요는 없다.The fixing support 130 is a configuration for fixing and supporting the device of the present invention on the surface of a target object in use. Although not particularly limited, as shown in FIG. 3, a control unit 200 including an image analysis unit 210, a comparison data storage unit 220, and a central processing unit 230 is provided on the top of the device, and The press-fitting test unit 110 may be mounted vertically downward from the upper bottom surface. At this time, the fixed support part 130 supports the upper part of the device and at the same time supports the press-fitting test part apart from the material surface 10 of the target object around the press-fitting test part 110, and It can be fixed to the material surface. There is no particular limitation on the manner in which the fixed support 130 is fixedly supported on the material surface 10 of the target object, so the fixed support 130 may be fixedly supported on the material surface 10 by the weight of the device itself. It can also be fixed by the operator's hand. In addition, by providing a separate fixing mechanism such as, for example, an adsorption mechanism on the contact surface of the fixing support 130 with the material surface 10, it is possible to improve convenience when applied to an object whose surface is not horizontally flat. . In either case, it is not necessary to perform separate processing or adhesion to the surface of the object to be measured.

디스플레이부(310)는 이미지 분석부(210)에서 생성된 대상 물체의 재료 표면에 대한 압흔 주변의 변위장 데이터 또는 중앙처리부(230)에 의해 결정된 대상 물체의 재료 물성치와 응력상태를 사용자에 표시할 수 있다. 또한, 디스플레이부(310)는 장치의 각 부분을 조작하기 위한 사용자 인터페이스를 제공하는 구성이기도 하다. 즉, 디스플레이부(310)는 GUI를 통해 사용자가 편리하게 장치를 사용할 수 있도록 구성될 수 있으며, 압입시험을 통해 추출된 변위장 데이터 혹은 최종 재료 결과 값 등을 그래프, 표, 단일 숫자 형태로 표시할 수 있다. 또한, 장치의 전원공급부, 압입테스트부, CCD 카메라 등 이미지 획득부 등 장치의 모든 부분과 연결되어 있어, 디스플레이부에 표시된 정보를 기초로 작업자가 장치를 조작하고, 필요에 따라 별도의 전원과 컴퓨터에 연결을 통해 충전과 데이터 획득이 가능하도록 보조할 수 있다.The display unit 310 may display the displacement field data around the indentation on the material surface of the target object generated by the image analysis unit 210 or the material properties and the stress state of the target object determined by the central processing unit 230 to the user. I can. In addition, the display unit 310 is a component that provides a user interface for manipulating each part of the device. That is, the display unit 310 may be configured to allow a user to conveniently use the device through a GUI, and display the displacement field data or the final material result value extracted through the indentation test in the form of a graph, a table, or a single number. can do. In addition, since it is connected to all parts of the device such as the power supply of the device, the press-fitting test part, and the image acquisition part such as a CCD camera, the operator can operate the device based on the information displayed on the display, and separate power and computer as needed. It can assist in charging and data acquisition through connection to.

또한, 전원공급부(410)는 장치의 각 구성부분을 구동하기 위한 전력을 공급하는 구성으로서, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 장치의 휴대성 확보로 현장에 사용중인 재료 평가에 적용하기 용이하도록 충전이나 교체가 가능한 배터리로 구성될 수 있다.In addition, the power supply unit 410 is a configuration that supplies power to drive each component of the device, and is not particularly limited, but is charged or replaced to facilitate application to evaluation of materials in use by securing the portability of the device. It can be composed of a battery capable of.

상기 실시예에 의한 장치를 사용하여 재료물성치와 응력상태에 관한 정보를 획득하는 일련의 과정을 설명하면 다음과 같다. A series of processes of acquiring information on material properties and stress states using the apparatus according to the above embodiment will be described as follows.

먼저, 측정 대상 재료의 평가를 위해 장치의 고정 지지부(130)를 재료 표면(10)에 고정하고, 배터리 등 전원공급부(410)로부터 제공되는 전력을 이용해 압입테스트부(110)와 CCD 카메라 등 이미지 획득부(120)를 작동시키며, 압입시험 전 CCD 카메라 등(120)을 이용해 재료 표면의 이미지를 획득한 후, 압입테스트부(110)의 모터를 작동시켜 미소압입 시험을 진행한다. 재료 표면으로부터 압입자(115)를 제거한 후 미소압입 시험을 통해 발생한 압흔 주변의 표면 변위장의 이미지를 CCD 카메라 등(120)으로 촬영하며, 획득한 이미지는 제어부(200)의 이미지 분석부(210)로 전송되어 압흔 주변의 변위장 데이터가 형성된다. 중앙처리부(230)는 상기 형성된 데이터와 비교 데이터 저장부(220)의 유한요소해석 데이터를 이용하여 재료의 물성치와 응력상태를 규명하고 그 결과를 디스플레이부(310)에 표시한다.First, in order to evaluate the material to be measured, the fixing support 130 of the device is fixed to the material surface 10, and images such as the press-in test unit 110 and the CCD camera using the power provided from the power supply unit 410 such as a battery. The acquisition unit 120 is operated, and after acquiring an image of the material surface using a CCD camera or the like 120 before the press-fitting test, a micro-press test is performed by operating the motor of the press-fitting test unit 110. After removing the indenter 115 from the surface of the material, the image of the surface displacement field around the indentation generated through the micro-indentation test is photographed with a CCD camera or the like, and the acquired image is the image analysis unit 210 of the controller 200 It is transferred to and the displacement field data around the indentation is formed. The central processing unit 230 identifies material properties and stress states of the material using the formed data and the finite element analysis data of the comparison data storage unit 220 and displays the result on the display unit 310.

선택적으로, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 장치에서 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 이미지 분석부(210)와, 비교 데이터 저장부(220) 및 대상 재료의 물성치와 응력 상태를 결정하는 중앙 처리부(230)를 포함하는 제어부(200)는, 압입테스트부(110)와 이미지 획득부(120) 등을 포함하는 기구부(100)와 물리적으로 분리된, 노트북, 컴퓨터 등 외부 장치에 마련될 수도 있다. 이 경우 외부 장치에서 기구부(100)로부터 생성된 대상 물체의 재료 표면 변위장 데이터를 온라인으로 전송받아 재료물성치와 응력상태를 측정하고 표시하도록 구성된다. Optionally, in the apparatus according to the embodiment of the present invention described above, the image analysis unit 210 for generating surface displacement field data around the indentation, the comparison data storage unit 220 and determining the physical properties and stress states of the target material The control unit 200 including the central processing unit 230 is physically separated from the mechanical unit 100 including the press-fitting test unit 110 and the image acquisition unit 120, etc., to be provided in an external device such as a laptop computer or a computer. May be. In this case, the external device is configured to receive the material surface displacement field data of the target object generated from the mechanism unit 100 online to measure and display the material property value and the stress state.

도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따라 대상 물체의 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법을 나타내었다. 도시된 각 단계는 상술한 본 발명의 일실시예에 따른 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 각 단계를 수행함에 있어서 요구되는 장치의 구체적인 운용 조건들에 대해서는 상기에서 장치의 각 구성요소와 관련하여 설명된 것과 동일하므로 구체적인 언급을 생략하고 이하에서는 프로세스 측면에 기초하여 실시예를 기술한다. 9 shows a method of measuring a material property value and a stress state of a target object according to an embodiment of the present invention. Each illustrated step may be performed by an apparatus for measuring material properties and stress states according to an exemplary embodiment of the present invention. Therefore, since the specific operating conditions of the device required in performing each step are the same as those described in relation to each component of the device above, detailed reference will be omitted, and an embodiment will be described below based on a process aspect. .

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법은, 먼저 대상 물체의 재료 표면에 대한 고해상도 이미지를 획득한다(S100). 그 다음, 일정한 하중으로 상기 대상 물체의 재료 표면을 압입하여 압흔을 형성하는 압입 테스트를 수행하고(S200), 압입 테스트 후 대상 물체의 재료 표면에 대해 압흔 주변의 이미지를 획득한다(S300). 다음으로, DIC 기법을 이용하여 상기 압입 테스트 전의 대상 재료의 표면에 대한 이미지에서 다수의 특징점들을 추출하고 상기 압입 테스트 후의 대상 재료의 표면에 대한 이미지로부터 상기 특징점들의 위치를 추적하여 상기 대상 재료의 압입 전후 표면 변위장 데이터를 생성한다(S400). 이어서, 상기 대상 물체의 재료에 대해 생성된 표면 변위장 데이터를 미리 저장된 다양한 재료물성치와 응력상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터와 비교하여, 상기 대상 물체의 재료물성치와 응력 상태를 결정한다(S500).As shown in FIG. 9, in the method of measuring the material property value and the stress state according to the present invention, first, a high-resolution image of the material surface of the target object is obtained (S100). Then, a press-fitting test is performed to form an indentation by pressing the material surface of the target object with a constant load (S200), and after the indentation test, an image around the indentation is obtained with respect to the material surface of the target object (S300). Next, using the DIC technique, a plurality of feature points are extracted from the image of the surface of the target material before the indentation test, and the position of the feature points is tracked from the image of the surface of the target material after the indentation test to press-fit the target material. The front and rear surface displacement field data is generated (S400). Subsequently, by comparing the surface displacement field data generated for the material of the target object with previously stored surface displacement field data for various material property values and stress state variables, the material property value and the stress state of the target object are determined (S500). .

상기 압입 테스트 단계(S200)와 이미지 획득 및 분석단계(S100, S300)는 재료물성치와 응력상태 중 측정하고자 하는 값에 따라 압입하중과 해상도를 각각 달리 하여 적용할 수 있다. 특별히 제한되는 것은 아니지만, 구체적으로, 재료물성치 측정에는 100~200N의 압입하중에 약 0.1 미크론/픽셀의 해상도를 적용할 수 있으며, 응력상태 측정에는 20~40N의 압입하중에 약 0.02 미크론/픽셀의 해상도를 적용할 수 있다.The indentation test step (S200) and the image acquisition and analysis steps (S100, S300) may be applied by varying the indentation load and the resolution according to a value to be measured among material properties and stress states. Although not particularly limited, a resolution of about 0.1 micron/pixel can be applied to an indentation load of 100 to 200 N for material property measurement, and a resolution of about 0.02 micron/pixel for an indentation load of 20 to 40 N for stress state measurement. Resolution can be applied.

한편, 상기 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 빅데이터는, 앞에서 설명된 바와 같이 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를, 압입 지점을 기준으로 다수개의 요소로 분할하고 상기 압입 지점을 일정 하중으로 압입할 때에, 재료의 이방성, 압입자의 유형, 작용응력의 방향성을 고려하여 시편 재료의 반응을 탄소성 유한요소해석을 이용하여 시뮬레이션하고 요소 간 절점 사이의 변위를 측정하는 방식으로 생성된 것이다. Meanwhile, the pre-stored big data of the surface displacement field for various material properties and stress state variables, as described above, divides the specimen material based on at least one flow stress model into a plurality of elements based on the indentation point, and the A method of simulating the reaction of the specimen material using elastoplastic finite element analysis, taking into account the anisotropy of the material, the type of the indentation, and the direction of the applied stress when indenting the indentation point with a constant load, and measuring the displacement between nodes between elements. It was created with.

구체적으로, 재료물성치를 알고 있는 대상물체에 대해 응력상태를 얻고자 할 경우에는, 대상 물체에 대해 생성된 표면 변위장 데이터를, 해당 재료물성치를 사용한 다양한 응력상태 변수에 따른 표면 변위장 데이터(도 8에 상응)와 비교함으로써, 실제의 변위장 데이터에 해당하는 응력상태 변수를 얻을 수 있다. 또한, 응력상태를 알고 있는 대상물체(주로 응력상태=0)에 대해 재료물성치를 얻고자 할 때는 내장된 응력 조건(응력상태=0)을 사용한 다양한 재료물성치에 따른 표면 변위장 데이터(도 7에 상응)와의 비교를 통해, 실제의 변위장 데이터에 해당하는 재료물성치를 얻을 수 있다. Specifically, in the case of obtaining a stress state for a target object whose material property value is known, the surface displacement field data generated for the target object is used, and the surface displacement field data according to various stress state variables using the material property value (Fig. 8), the stress state variable corresponding to the actual displacement field data can be obtained. In addition, when trying to obtain material properties for an object whose stress state is known (mainly, stress state = 0), surface displacement field data according to various material property values using built-in stress conditions (stress state = 0) (see Fig. 7 Correspondence), it is possible to obtain the material properties corresponding to the actual displacement field data.

또한, 재료물성과 응력상태를 동시에 측정하고자 할 경우에는, 재료물성치 또는 응력상태 추정에 의한 반복법에 의해 재료물성치와 응력상태를 모두 도출할 수 있다. 예를 들면, 임의로 재료물성치를 가정한 후 저장된 표면 변위장 빅데이터 중에서 재료물성치를 알고 있는 대상의 응력 평가 과정을 거쳐 응력상태 조건을 얻은 후, 다시 상기한 응력상태 조건을 사용하여 응력상태를 알고 있는 대상의 재료물성을 평가하는 과정을 통해 얻은 재료물성치와 초기 임의의 재료물성치의 수렴 여부를 판단하여, 수렴 시까지 재료상수 값을 갱신하면서 해당 과정을 반복한다. 수렴할 때의 재료물성치와 응력 조건이 대상 재료의 재료물성치와 응력상태로 결정된다.In addition, in the case of simultaneously measuring the material properties and the stress state, both the material properties and the stress state can be derived by an iterative method by estimating the material properties or the stress state. For example, after assuming a material property value arbitrarily, the stress state condition is obtained through the stress evaluation process of a target whose material property value is known from the stored surface displacement field big data, and then the stress state condition is known again using the stress state condition. It is determined whether or not the material property values obtained through the process of evaluating the material properties of an existing object and the initial arbitrary material property values converge, and the process is repeated while updating the material constant values until convergence. The material properties and stress conditions at the time of convergence are determined by the material properties and stress conditions of the target material.

도 10에는 재료 물성치 추정에 의한 반복법으로 재료물성치와 응력상태를 도출하는 방법을 예시적으로 나타내었다. FIG. 10 exemplarily shows a method of deriving a material property value and a stress state by an iterative method by estimating material property values.

도 10에 도시된 바와 같이, 재료물성치 추정에 의한 반복법으로 대상 물체의 재료물성치와 함께 응력상태를 결정하는 본 발명의 방법은, 대상 물체의 재료물성치를 임의 값으로 설정하는 제1 단계(S610); 미리 저장된 다양한 재료물성치와 응력상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터 중에서, 상기 설정된 재료물성치에 해당하는 응력상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터를 검색하여, 상기 대상 재료의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계에서 생성된 실제 표면 변위장 데이터와 가장 근접한 표면 변위장 데이터를 독출하고, 상기 독출된 표면 변위장 데이터에 대응하는 응력상태 값을 획득하는 제2 단계(S620); 상기 미리 저장된 다양한 재료물성치와 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터 중에서, 상기 획득된 응력상태에 해당하는 재료물성치 변수에 대한 표면 변위장 데이터를 검색하여, 상기 실제 표면 변위장 데이터와 가장 근접한 표면 변위장 데이터를 독출하고, 상기 독출된 표면 변위장 데이터에 대응하는 재료물성치를 획득하는 제3 단계(S630); 상기 제3 단계에서 획득된 재료물성치가 상기 제1 단계에서 설정된 물성치와 일치하는지 여부를 판단하여, 일치하지 않는 경우 상기 제3 단계에서 획득된 재료물성치를 상기 대상 재료의 물성치로 다시 설정한 후 상기 제2 단계(S620) 및 제3 단계(S630)를 반복하고, 일치하는 경우 상기 제2 단계에서 획득된 응력상태와 상기 제3 단계에서 획득된 재료물성치를 상기 대상 재료의 응력상태와 재료물성치로 결정하는 제4 단계(S640)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 10, the method of the present invention for determining a stress state together with a material property value of a target object by an iterative method by estimating a material property value is a first step of setting the material property value of the target object to an arbitrary value (S610). ; In the step of generating surface displacement field data of the target material by searching for surface displacement field data for a stress state variable corresponding to the set material property value from among various previously stored surface displacement field data for a variety of material property values and stress state variables. A second step (S620) of reading the surface displacement field data closest to the generated actual surface displacement field data, and obtaining a stress state value corresponding to the read surface displacement field data; The surface displacement field data closest to the actual surface displacement field data is searched for the surface displacement field data for the material property value variable corresponding to the obtained stress condition from among the previously stored various material property values and the surface displacement field data for the stress state variable. A third step of reading field data and obtaining a material property value corresponding to the read surface displacement field data (S630); It is determined whether the material property values obtained in the third step match the material properties set in the first step, and if they do not match, the material properties obtained in the third step are reset to the material properties of the target material. The second step (S620) and the third step (S630) are repeated, and if they match, the stress state obtained in the second step and the material property value obtained in the third step are used as the stress state and the material property value of the target material. A fourth step of determining (S640) may be included.

한편, 마찬가지 방식으로 응력상태 추정에 의한 반복법으로 대상 물체의 재료물성치와 응력상태를 결정할 수도 있으며, 이 경우 임의로 응력상태를 가정한 후 저장된 표면 변위장 빅데이터 중에서 응력상태를 알고 있는 대상의 재료물성치 평가 과정을 거쳐 재료물성치를 얻은 후, 다시 상기한 재료물성치를 사용하여 재료물성치를 알고 있는 대상의 응력상태를 평가하는 과정을 통해 얻은 응력상태 조건과 초기 임의의 응력상태 조건의 수렴 여부를 판단하여, 수렴 시까지 응력상태 조건을 갱신하면서 해당 과정을 반복한다. 수렴할 때의 응력상태 조건과 재료물성치가 최종 결과가 된다.On the other hand, in the same way, it is possible to determine the material property value and the stress state of the target object by an iterative method by estimating the stress state. After obtaining the material property value through the evaluation process, the stress condition obtained through the process of evaluating the stress condition of the object of which the material property value is known using the above material property value and the initial arbitrary stress condition condition are determined. , Repeat the process while updating the stress state condition until convergence. The condition of the stress state and the material properties at the time of convergence become the final result.

110 압입테스트부
120 이미지 획득부
130 고정 지지부
210 이미지 분석부
220 비교 데이터 저장부
230 중앙 처리부
310 디스플레이부
410 전원공급부
110 Press-fit test section
120 image acquisition unit
130 fixed support
210 image analysis unit
220 Comparison data storage unit
230 Central processing unit
310 Display
410 power supply

Claims (20)

일정한 하중으로 대상 재료의 표면을 압입하여 압흔을 형성하는 압입 테스트부;
대상 재료에 대해 압입 전후의 표면 상태를 촬영하는 이미지 획득부;
압입 전후의 표면 상태에 대한 이미지를 이용하여 상기 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 이미지 분석부;
탄소성 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션을 통해 계산된, 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 재료의 압입 시 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터가 저장되는 비교 데이터 저장부; 및
상기 이미지 분석부에서 생성된 대상 재료의 표면 변위장 데이터를, 상기 비교 데이터 저장부에 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터와 비교하여, 상기 대상 재료의 재료물성치와 응력 상태를 결정하는 중앙 처리부
를 포함하되,
상기 이미지 분석부는,
압입 전의 표면 상태에 대한 이미지로부터 주변과 구분되는 특징을 가지는 점인 특징점을 복수개 추출한 후, 압입 후의 표면 상태에 대한 이미지에서 상기 특징점의 위치를 추적하여 변위를 계산함으로써 상기 변위장 데이터를 생성하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
A press-fitting test unit for forming an indent by pressing the surface of the target material with a constant load;
An image acquisition unit for photographing a surface state before and after pressing the target material;
An image analysis unit that generates surface displacement field data around the indentation using an image of the surface state before and after the indentation;
A comparison data storage unit that stores surface displacement field data around the indentation according to various material properties and stress state variables when a material is indented based on at least one flow stress model, calculated through simulation using elastoplastic finite element analysis; And
By comparing the surface displacement field data of the target material generated by the image analysis unit with the surface displacement field data for various material properties and stress state variables stored in the comparison data storage unit, the material property value and the stress state of the target material Central processing unit to decide
Including,
The image analysis unit,
A material property value that generates the displacement field data by extracting a plurality of feature points, which are points that are distinguished from the surroundings, from the image of the surface state before indentation, and then calculating the displacement by tracking the position of the feature point in the image of the surface state after indentation. And a device that measures the state of stress.
청구항 1에 있어서,
상기 대상 재료의 표면에 형성되는 압흔은 직경 0.1mm 이하인 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
An apparatus for measuring material properties and stress conditions, wherein the indentation formed on the surface of the target material is 0.1 mm or less in diameter.
청구항 1에 있어서,
상기 이미지 분석부는, 상기 이미지 획득부로부터 대상 재료에 대해 압입 전후의 표면 상태가 촬영된 이미지를 전송받고, 상기 압입 전의 이미지에서 특징점들을 다수 추출한 후 압입 후의 이미지에서 상기 특징점들의 위치를 추적하여 변위를 계산함으로써 변위장 데이터를 형성하는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
The image analysis unit receives an image of the surface state before and after the press-fitting of the target material from the image acquisition unit, extracts a number of feature points from the image before press-fitting, and tracks the positions of the feature points in the image after the press-fitting to determine displacement. A device for measuring material property values and stress states, characterized in that the displacement field data is formed by calculation.
청구항 1에 있어서,
상기 탄소성 유한요소 해석을 이용한 시뮬레이션은,
적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를, 압입 지점을 기준으로 다수개의 요소로 분할하고 상기 압입 지점을 일정 하중으로 압입할 때에, 재료의 이방성, 압입자의 유형, 작용응력의 방향성을 고려하여 시편 재료의 반응을 시뮬레이션하고 요소 간 절점 사이의 변위를 측정하는 방식으로, 재료물성치에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터 및 재료의 응력 상태에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
Simulation using the elastoplastic finite element analysis,
When the specimen material based on at least one flow stress model is divided into a number of elements based on the indentation point and the indentation point is pressed with a certain load, the specimen is considered to be the anisotropy of the material, the type of the indentation, and the direction of the applied stress. A method of simulating the reaction of the material and measuring the displacement between nodes between elements, characterized in that it generates surface displacement field data around the indentation according to the material properties and surface displacement field data around the indentation according to the stress state of the material. A device that measures material properties and stress conditions.
청구항 4에 있어서,
상기 유동응력 모델은,
Swift 타입, Hollomon 타입, Ludwick 타입, Voce 타입, Johnson-Cook 타입 혹은 이들의 조합형에서 선택되는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method of claim 4,
The flow stress model,
A device that measures material properties and stress states, characterized in that it is selected from Swift type, Hollomon type, Ludwick type, Voce type, Johnson-Cook type, or a combination thereof.
청구항 1에 있어서,
재료물성치와 응력상태 중 측정하고자 하는 값에 따라, 상기 압입테스트부에서의 압입하중과, 상기 이미지 획득부 및 분석부에서의 해상도를 다르게 적용하는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
A device for measuring material property values and stress states, characterized in that differently applying the press-in load in the indentation test unit and the resolution in the image acquisition unit and the analysis unit according to a value to be measured among material property values and stress states .
청구항 6에 있어서,
재료물성치 측정에는 철강재료 기준 100-200N 압입하중에 0.05~0.1 미크론/픽셀 해상도를 사용하고,
응력상태 측정에는 20-40N 압입하중에 0.02~0.05미크론/픽셀 해상도를 사용하는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method of claim 6,
For material property measurement, a resolution of 0.05 to 0.1 microns/pixel is used for 100-200N press-in load based on steel materials.
A device for measuring material properties and stress state, characterized in that 0.02-0.05 micron/pixel resolution is used for a 20-40N press-in load for stress state measurement.
청구항 6에 있어서,
철강재료의 사례를 기준으로 하여, 재료물성치 측정에는 압입하중을 항복응력 또는 인장강도에 비례하여 조절하고, 응력상태 측정에는 압입하중을 탄성계수에 비례하여 조절하여 적용하는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method of claim 6,
Based on the case of steel materials, the press-in load is adjusted in proportion to the yield stress or tensile strength for material property measurement, and the press-in load is adjusted in proportion to the modulus of elasticity to measure the stress state. A device that measures the state of stress.
청구항 1에 있어서,
상기 이미지 분석부, 비교 데이터 저장부, 중앙 처리부는 장치의 상부에 구비되고,
상기 장치의 상부 저면으로부터 수직 하방으로 상기 압입 테스트부가 장착되며,
상기 장치의 상부를 지지함과 동시에, 상기 압입 테스트부의 둘레에서 상기 압입 테스트부를 대상 재료의 표면으로부터 이격시켜 지지하며, 사용 중인 부품의 재료 표면에 고정될 수 있도록 대상 재료의 표면에 고정되는 고정 지지대를 더 구비하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
The image analysis unit, the comparison data storage unit, and the central processing unit are provided on the top of the device,
The press-fit test unit is mounted vertically downward from the upper bottom surface of the device,
A fixing support fixed to the surface of the target material so as to support the upper part of the device and support the press-in test part apart from the surface of the target material around the press-fitting test part, and to be fixed to the material surface of the part in use A device for measuring material properties and stress state further comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 이미지 획득부는 적어도 하나의 CCD 카메라를 포함하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
The image acquisition unit is a device for measuring material properties and stress state including at least one CCD camera.
청구항 1에 있어서,
상기 이미지 분석부에서 생성된 대상 재료의 표면 변위장 데이터 또는 상기 중앙처리부에 의해 결정된 대상 재료의 물성과 응력상태를 사용자에 표시하는 디스플레이부가 더 구비되는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
A device for measuring material property values and stress states, further comprising a display unit that displays to a user the surface displacement field data of the target material generated by the image analysis unit or the physical properties and stress states of the target material determined by the central processing unit.
청구항 1에 있어서,
상기 압입 테스트부는,
서보모터를 포함하는 구동장치;
상기 구동장치에 연결기구를 통해 연결되어 구동장치의 작동에 따라 대상 재료의 표면에 대해 수직 방향으로 이동하여 대상 재료의 표면을 압입하며, 원추형, 구형, 피라미드형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 이루어지고, 교체 가능하게 설치되는 적어도 하나의 압입자; 및
상기 연결기구와 압입자 사이에 장착되어 압입 하중을 측정하는 로드셀을 포함하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
The indentation test unit,
A drive device including a servo motor;
It is connected to the driving device through a connection mechanism and moves in a direction perpendicular to the surface of the target material according to the operation of the driving device to press-fit the surface of the target material, and is formed in any one shape selected from conical, spherical, and pyramidal shapes. , At least one indenter installed to be replaced; And
A device for measuring material properties and a stress state, including a load cell mounted between the connection mechanism and the indenter to measure the indentation load.
디지털 화상적합기술로 결정한 압흔 근처 표면 변위장으로 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법으로서,
대상 재료의 표면에 대한 이미지를 획득하는 단계;
일정한 하중으로 상기 대상 재료의 표면을 압입하여 압흔을 형성하는 압입 테스트 단계;
상기 압입 테스트 후의 상기 대상 재료 표면에 대한 압흔 주변의 이미지를 획득하는 단계;
상기 압입 테스트 전의 대상 재료의 표면에 대한 이미지에서 다수의 특징점들을 추출하고 상기 압입 테스트 후의 대상 재료의 표면에 대한 이미지로부터 상기 특징점들의 위치를 추적하여 변위를 계산함으로써 상기 대상 재료의 압입 전후 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계;
상기 대상 재료에 대해 생성된 표면 변위장 데이터를 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터와 비교하여, 상기 대상 재료의 재료물성치와 응력상태를 결정하는 단계;
를 포함하되,
상기 다수의 특징점들은, 상기 압입 테스트 전의 대상 재료의 표면에 대한 이미지에서 주변과 구분되는 특징을 가지는 점인, 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법.
As a method of measuring material properties and stress state by the surface displacement field near the indentation determined by digital imaging technology,
Obtaining an image of the surface of the target material;
A press-fitting test step of forming an indent by pressing the surface of the target material with a constant load;
Acquiring an image around the indentation on the surface of the target material after the indentation test;
By extracting a plurality of feature points from the image of the surface of the target material before the indentation test, tracking the position of the feature points from the image of the surface of the target material after the indentation test, and calculating displacement, around the indentation before and after the indentation of the target material. Generating surface displacement field data;
Comparing the surface displacement field data generated for the target material with pre-stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables, and determining a material property value and a stress state of the target material;
Including,
The plurality of feature points are points having features that are distinguished from surroundings in an image of the surface of the target material before the indentation test, a method of measuring a material property value and a stress state.
청구항 13에 있어서,
상기 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터는, 탄소성 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션을 통해 적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를, 압입 지점을 기준으로 다수개의 요소로 분할하고 상기 압입 지점을 일정 하중으로 압입할 때에, 재료의 이방성, 압입자의 유형, 작용응력의 방향성을 고려하여 시편 재료의 반응을 시뮬레이션하고 요소 간 절점 사이의 변위를 측정하는 방식으로 생성된, 재료물성치에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터 및 재료의 응력상태에 따른 압흔 주변의 표면 변위장 데이터인 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법.
The method of claim 13,
The previously stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables is divided into a plurality of elements based on the indentation point of the specimen material based on at least one flow stress model through simulation using elastoplastic finite element analysis. And when the indentation point is pressed with a certain load, the material property value generated by simulating the reaction of the specimen material and measuring the displacement between the nodes between elements in consideration of the anisotropy of the material, the type of the indentation, and the direction of the applied stress. A method of measuring material properties and stress conditions, characterized in that the data of the surface displacement field around the indentation according to the indentation and the surface displacement field data around the indentation according to the stress state of the material.
청구항 14에 있어서,
상기 유동응력 모델은,
Swift 타입, Hollomon 타입, Ludwick 타입, Voce 타입, Johnson-Cook 타입 혹은 이들의 조합형에서 선택되는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법.
The method of claim 14,
The flow stress model,
A method of measuring material properties and stress states, characterized in that it is selected from Swift type, Hollomon type, Ludwick type, Voce type, Johnson-Cook type, or a combination type thereof.
청구항 13에 있어서,
재료물성치와 응력상태 중 측정하고자 하는 값에 따라, 압입하중과 해상도를 다르게 적용하는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법.
The method of claim 13,
A method of measuring material property values and stress conditions, characterized in that differently applied indentation loads and resolutions according to values to be measured among material properties and stress states.
청구항 13에 있어서,
상기 압입 테스트 단계는, 원추형, 구형, 피라미드형 중에서 선택된, 어느 하나 또는 둘 이상 형상의 압입자를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법.
The method of claim 13,
The indentation test step is a method of measuring a material property value and a stress state, characterized in that it is carried out using an indenter having one or two or more shapes selected from a conical shape, a spherical shape, and a pyramid shape.
청구항 13에 있어서,
상기 대상 재료의 재료물성치와 응력 상태를 결정하는 단계는,
상기 대상 재료의 물성치를 임의 값으로 설정하는 제1 단계;
상기 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터 중에서, 상기 설정된 물성치에 해당하는 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터를 검색하여, 상기 대상 재료의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계에서 생성된 실제 표면 변위장 데이터와 가장 근접한 표면 변위장 데이터를 검색하고, 상기 검색된 표면 변위장 데이터에 대응하는 응력상태 조건을 획득하는 제2 단계;
상기 미리 저장된 다양한 재료 물성과 응력 상태 변수에 대한 표면 변위장 데이터 중에서, 상기 획득된 응력 상태에 해당하는 재료 물성치 변수에 대한 표면 변위장 데이터를 검색하여, 상기 실제 표면 변위장 데이터와 가장 근접한 표면 변위장 데이터를 검색하고, 그 검색된 표면 변위장 데이터에 대응하는 재료물성치를 획득하는 제3 단계;
상기 제3 단계에서 획득된 재료 물성치가 상기 제1 단계에서 설정된 물성치와 일치하는지 여부를 판단하여,
일치하지 않는 경우, 상기 제3 단계에서 획득된 재료 물성치를 상기 대상 재료의 물성치로 다시 설정한 후, 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복하고,
일치하는 경우, 상기 제2 단계에서 획득된 응력 상태와 상기 제3 단계에서 획득된 재료 물성치를, 상기 대상 재료의 응력 상태와 물성치로 결정하는 제4 단계를 포함하는 재료물성치와 응력상태를 측정하는 방법.
The method of claim 13,
The step of determining the material property value and the stress state of the target material,
A first step of setting a property value of the target material to an arbitrary value;
In the step of generating surface displacement field data of the target material by searching for surface displacement field data for a stress state variable corresponding to the set material property from among the previously stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables. A second step of searching for surface displacement field data closest to the generated actual surface displacement field data, and obtaining a stress state condition corresponding to the searched surface displacement field data;
The surface displacement field data for the material property variable corresponding to the obtained stress state is searched for the surface displacement field data closest to the actual surface displacement field data from among the previously stored surface displacement field data for various material properties and stress state variables. A third step of searching for field data and obtaining a material property value corresponding to the retrieved surface displacement field data;
It is determined whether the material properties obtained in the third step coincide with the material properties set in the first step,
If they do not match, after resetting the material properties obtained in the third step to the material properties of the target material, repeating the second and third steps,
In the case of coincidence, measuring the material property value and the stress state including the fourth step of determining the stress state obtained in the second step and the material property value obtained in the third step as the stress state and the physical property value of the target material. Way.
적어도 하나의 유동응력 모델에 기반한 시편 재료를 생성하는 단계;
상기 시편 재료를 압입될 지점을 기준으로 다수 개의 요소로 분할하는 단계;
상기 압입될 지점을 크기와 형상이 다양한 종류의 압입자로, 다양한 압입 하중을 적용하여 압입할 경우에, 상기 유동응력 모델을 따르는 다양한 재료상수 및 다양한 응력조건을 가지는 상기 시편 재료의 압입에 의한 반응을 시뮬레이션 하는 단계;
상기 시뮬레이션을 거친 시편 재료의 압입 전 후의 각 요소 간 절점 사이의 변위를, 압입자의 종류 및 압입 하중과, 유동응력 모델에 따른 재료상수 및 응력조건 별로 측정하는 단계;
상기 측정된 변위 데이터를 이용하여, 압흔 중심으로부터의 거리에 따른 변위 크기의 함수로서 다양한 재료물성과 응력상태 변수에 대한 압흔 주변의 표면 변위장 데이터를 생성하는 단계;
를 포함하되,
상기 표면 변위장 데이터는,
압입 전의 표면 상태에 대한 이미지로부터 주변과 구분되는 특징을 가지는 점인 특징점을 복수개 추출한 후, 압입 후의 표면 상태에 대한 이미지에서 상기 특징점의 위치를 추적하여 변위를 계산함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태 측정을 위한 표면 변위장 빅데이터 구축방법.
Generating a specimen material based on at least one flow stress model;
Dividing the specimen material into a plurality of elements based on a point to be pressed;
When indenting the point to be pressed into indenters of various sizes and shapes and applying various indentation loads, the reaction by indentation of the specimen material having various material constants and various stress conditions according to the flow stress model Simulating;
Measuring the displacement between nodes between the elements before and after the press-fitting of the simulated specimen material, for each type of the indenter and the press-fitting load, and a material constant and stress condition according to the flow stress model;
Generating surface displacement field data around the indentation for various material properties and stress state variables as a function of the displacement magnitude according to the distance from the indentation center, using the measured displacement data;
Including,
The surface displacement field data,
A material property value, characterized in that it is generated by extracting a plurality of feature points, which are points that have features distinguished from the surroundings, from the image of the surface state before indentation, and then calculating the displacement by tracking the position of the feature points in the image of the surface state after indentation. A method of constructing big data of the surface displacement field for measuring the stress state.
청구항 19에 있어서,
상기 유동응력 모델은,
Swift 타입, Hollomon 타입, Ludwick 타입, Voce 타입, Johnson-Cook 타입 혹은 이들의 조합형에서 선택되는 것을 특징으로 하는 재료물성치와 응력상태 측정을 위한 표면 변위장 빅데이터 구축방법.
The method of claim 19,
The flow stress model,
Swift type, Hollomon type, Ludwick type, Voce type, Johnson-Cook type, or a combination of these, characterized in that selected from the material properties and stress state measurement of the surface displacement field big data construction method.
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