KR102567221B1 - 접촉 역학을 통한 국부 인장 스트레스 하에서의 재료 특성 측정 - Google Patents
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Abstract
기판에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 장치는 적어도 2개의 접촉 요소를 갖는 스타일러스를 포함한다. 각각의 접촉 요소는 접촉 프로파일을 가지며, 접촉 요소들은 스타일러스 내에 배치되어 그들 사이에 신장 통로를 규정한다. 스타일러스는 기판을 변형시켜 기판이 접촉 요소들 사이에서 유동하게 하고 기판에 장력을 유도하여 기판에 미세변형들을 생성 및 유지하도록 구성된다. 장치를 사용하여 접촉 역학 테스트를 수행하는 방법들도 제공된다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 12월 9일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/265,234호에 대해 우선권을 주장하며, 그 개시 내용 전체가 본 명세서에 참조로서 통합된다.
기술 분야
본 발명은 적어도 하나의 방향의 인장 스트레스들을 포함하는 응력 장(stress field)을 받을 때 재료가 미세변형(micromodifications)에 저항하는 방식에 관한 데이터 및 정보를 획득하기 위한 접촉 역학의 사용에 관한 것이다.
발명의 명칭이 "재료 특성을 조사하기 위한 스타일러스 정렬을 이용한 접촉 역학 테스트(Contact Mechanic Tests Using Stylus Alignment to Probe Material Properties)"인 미국 특허 출원 공개 공보 제2016/0258852호는 배경 기술을 설명하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 통합된다. 구체적으로, 이 공보는 마찰 슬라이딩 테스트를 수행하기 위한 정렬 메커니즘 및 맞물림 메커니즘(engagement mechanism)의 사용을 설명한다.
안전한 엔지니어링 설계를 위해, 엔지니어들은 구조물(structure) 및 그의 용량(capacity)에 대한 요구를 고려해야 한다. 강도 기반 설계의 경우, 요구는 구조물의 최대 스트레스이며, 용량은 재료가 고장 나기 전에 저항할 수 있는 최대 강도이다. 구조물에 대한 최대 스트레스는 시료 기하구조(specimen geometry) 및 로드들(loads)에 기초하여 해결할 수 있다. 재료 강도는 전통적으로 실험실 인장 테스트를 통해 획득되며, 이는 영구적인 소성 변형의 시작과 고장 전의 극한 인장 강도를 설명하는 항복 강도(yield strength)의 측정을 가능하게 한다.
그러나, 강도 기반 설계는 재료들 고장 나는 방식을 제어하는 주요 특징들을 빠뜨리고 있다. 재료의 강도는 재료 볼륨 내의 결함들 또는 크랙들의 함수이다. 이러한 결점들에서, 스트레스는 재료의 부피(bulk)에 비해 확대된다. 따라서, 큰 크랙을 가진 재료는 더 작은 크랙을 가진 재료에 비해 강도가 저하될 것이다. 내부 결함들을 포함하는 재료의 용량을 고려하기 위해, 엔지니어는 균열 역학(fracture mechanics)을 고려해야 한다. 균열 역학에서, 요구(demand)는 크랙 확장을 위한 크랙 구동력(crack driving force)이며, 용량은 균열 성장에 저항하는 재료의 능력을 설명하는 균열 인성(fracture toughness)이다. 크랙 구동력에 대한 동등한 명칭들은 에너지 방출률, J 적분(J-integral) 및 스트레스 세기 인자(stress intensity factor)이다. 균열 인성은 단위 면적만큼 균열을 진행시키는 데 필요한 에너지를 설명하는 재료 용량이며, 실험적으로 측정되어야 한다. 균열 인성에 대한 관련 용어들은 균열 에너지, 임계 에너지 방출률 및 임계 스트레스 세기 인자를 포함한다. 많은 재료에서, 재료의 균열 인성은 일정하지 않고, 크랙 확장의 함수이다. 이 함수는 일반적으로 저항 곡선(R 곡선)으로 알려져 있다. 엔지니어들에게 중요한 R 곡선의 구체적인 특징들은 크랙이 처음 확장하기 위한 초기 균열 에너지(initiation fracture energy) 및 최대 정상 상태 균열 에너지(maximum steady-state fracture energy)이다.
세라믹, 합성물, 중합체 및 금속에 대한 균열 인성의 측정이 수십 년 동안 수행되어 왔으며, 고장에 대한 알려진 기하구조의 기존 결함을 가진 시료를 실험실에 로딩하는 것으로 구성된다. 컴팩트 장력(CT) 및 단일 에지 노치 빔(SEB)과 같은 간단한 기하구조들에 대한 표준 테스트 방법들은 ASTM E1820 "균열 인성 측정을 위한 표준 시험 방법(Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness)"에 상술되어 있다. 결과들의 해석은 재료 및 시료의 기하구조에 의존한다. 크랙 팁(crack-tip)에서, 재료 시스템에 의존하는 균열 프로세스 구역 내에서 복잡한 거동이 발생한다. 크랙 크기 및 시료 기하구조에 비해 균열 프로세스 구역의 크기가 작을 때, 소규모 항복 조건들이 충족된다. 크랙 구동력은 또한 대부분의 엔지니어링 응용들에 대한 엔지니어링 핸드북들에서 발견될 수 있는 로드, 크랙 기하구조 및 시료 기하구조의 함수이다. 고장시의 크랙 구동력은 또한 선형 탄성 균열 역학(LEFM)을 사용하여 재료의 균열 인성과 관련될 수 있다. 그러나, 알루미늄이나 스틸과 같은 높은 균열 인성을 지닌 재료들의 경우, 균열 프로세스 구역이 크며, 소규모 항복 조건들을 충족시키는 것은 너무 커서 실제로는 가능하지 않은 시료 크기들을 요구할 것이며, 이는 탄성-소성 균열 역학(EPFM)의 이용을 요구할 것이다. EPFM의 경우, 이제 크랙 구동력은 로드, 크랙 기하구조, 시료 기하구조 및 소성 재료 속성들의 함수이다. 이러한 더 복잡한 함수는 일반적으로 유한 요소 분석(finite element analysis)을 통해 수치적으로 또는 크랙 팁 개구 변위(crack-tip opening displacement, CTOD)와 같은 성장하는 크랙의 특징들을 정확하게 측정하는 기구를 통해 실험적으로 발견된다. 연성 금속들의 경우, 소성 거동은 2개의 추가적인 재료 속성, 즉 항복 강도와 스트레인 경화 지수(strain hardening exponent)에 의해 설명된다. 항복 강도는 소성이 처음 발생하는 스트레스를 제어하며, 스트레인 경화 지수는 재료가 유동하는 속도(rate)를 설명한다. 몇몇 중합체의 경우, 엔지니어들 및 과학자들은 전단 로딩, 보이드 형성(void formation) 및 잔금이 발생할 수 있는 크랙 팁 앞에 위치하는 프로세스 구역을 실험실에서 연구하고 정량화했다.
전술한 균열 인성 실험들은 실험실에서만 수행될 수 있고 비용이 많이 들며 로딩 하에서 성장하는 크랙의 치수들을 모니터링하는 특수 장비를 필요로 하는 파괴적인 테스트들이다. 비용 및 소요 시간으로 인해, 샤르피 충격(Charpy impact)이나 샤르피 V 노치(Charpy V-notch, CVN)와 같은 덜 정교한 테스트들이 특히 철강 제품들에 대한 품질 관리를 위해 더 널리 사용되고 있다. CVN 테스팅은 균열을 유발하기 위해 해머로 가격되는 기존의 노치를 포함하는 표준화된 테스트 샘플을 사용한다. 이 테스트는 높은 변형률들(strain-rates)에서 재료의 띠(ligament)를 균열시키는데 필요한 에너지를 조사한다. CVN 값은 소정의 인성 측정에 기초하여 재료들을 비교해서 순위화하는 데 사용할 수 있는 인덱스를 제공한다. LEFM 또는 EPFM에서 사용되는 균열 인성과의 경험적 관계들이 확립될 수 있지만, 그들의 정확성과 융통성(transferability)은 제한적이다. CVN은 상이한 온도들에서 일련의 샘플들을 테스트하고 부서진 반쪽들을 검사하여 연성 및 취성 프로세스들의 상대적인 양들을 측정함으로써 연성-취성 전이들(ductile-to-brittle transitions)을 식별하는 데에도 사용되었다. 이 값은 더 낮은 서비스 온도들이 더 큰 크랙 전파 위험을 유발할 수 있는 엔지니어링 응용들에 중요하다.
낮은 온도들에서의 거동에 관한 정보 및 재료들의 균열 저항에 대한 정확한 지식은 많은 응용에서 중요하다. 이것은 준임계 피로 크랙 전파(sub-critical fatigue crack propagation)와 같은 손상 저항 모델들에 기초하는 서비스 수명 예측들을 포함한다. 이러한 큰 산업계의 노력은 안전성, 신뢰성 및 효율성 간에 최적의 절충안을 제공하는 것의 일부이다. 일부 예들에서, 구조물 또는 컴포넌트 상의 로드는 본질적으로 일정할 수 있으며, 준임계 크랙 진행은 점진적인 또는 스트레스-부식 크랙킹(creep or stress-corrosion cracking)을 통해 이루어진다.
또한, 균열 프로세스들을 조사하기 위해 접촉 역학을 사용하려는 노력들이 있어 왔다. 접촉 역학은 단단한 스타일러스를 사용하여 상당한 국부 변형을 생성하며, 그것은 벌크 재료를 변경시키지 않으면서 기판과 접촉한다. 이 접근법은 전통적으로 압입 경도 테스팅(indentation hardness testing)을 통해 강도 속성들을 측정하는 데 사용되어 왔다. 더 최근에는 항복 강도, 스트레인 경화 지수 및 극한 인장 강도와 같은 인장 스트레스-스트레인 속성들(tensile stress-strain properties )이 자동 볼 압입 또는 마찰 슬라이딩을 사용하여 측정할 수 있다. 균열 저항의 경우, 아코노(Akono) 등은 재료의 표면층 내에서 균열 인성을 측정하기 위해 절단 도구를 사용하는 능력을 조사했다. 크랙 구동력 함수는 크랙이 절단 도구의 앞에서 전파된다고 가정하여 계산된다. 이러한 가정들은 접촉부 근처에서 상당한 소성 변형이 발생하는 연성 금속들에 대해서는 잘 지지되지 않는다. 다른 것들은 균열 인성을 추정하는 방법으로서 "머시닝(machining)"을 사용하는 것을 고려했다. 추구된 한 가지 접근법은 테스트 동안 침투 깊이를 변화시킴으로써 변형 에너지(energy of deformation)를 분리 에너지(energy of separation)와 구별하는 것이다. 이러한 머시닝 개념들은, 재료에 유발된 응력-변형 장이 많은 재료 고장을 유도하는 전통적인 인장 크랙-개구 모드와 다른 큰 정수 압축 및 전단(hydrostatic compression and shear)으로 구성되므로, 실제로는 널리 사용되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 장치는 적어도 2개의 접촉 요소(contact elements)를 갖는 스타일러스(stylus)를 포함한다. 각각의 접촉 요소는 접촉 프로파일을 가지며, 접촉 요소들은 스타일러스 내에 배치되어 그들 사이에 신장 통로(stretch passage)를 규정한다. 스타일러스는 기판을 변형시켜 기판이 접촉 요소들 사이에서 유동하게 하고 신장 통로 내에서 기판에 장력을 유도하여 기판에 미세변형들을 생성 및 유지하도록 구성된다.
관련 실시예들에서, 스타일러스는 (a) 스타일러스가 기판의 변형되지 않은 표면에 평행하게 이동할 때 변형되지 않은 표면에 대해 수직이거나 가로지르는 개구 및/또는 (b) 압입 모드(indentation mode) 동안 이동 방향에 대해 수직이거나 가로지르는 개구를 포함할 수 있는 다수의 배향의 미세변형들을 생성하고 유지하도록 더 구성될 수 있다. 장치는 스타일러스에 결합되고 마찰 슬라이딩 모드 또는 압입 모드에서 스타일러스의 이동을 제공하도록 구성된 맞물림 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 장치는 스타일러스에 결합되고 스타일러스의 이동을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 맞물림 메커니즘 및 적어도 하나의 맞물림 메커니즘에 결합되고 기판에 대한 스타일러스의 배향 및/또는 위치를 확립하도록 구성된 정렬 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 장치는 스타일러스에 결합되고 스타일러스의 이동을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 맞물림 메커니즘 및 적어도 하나의 맞물림 메커니즘 중 하나 이상에 결합되어 스타일러스가 이동할 때 미세변형들과 관련된 기판 표면의 특성들을 측정하는 기판 표면 측정 디바이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 기판 상에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 방법은 전술한 바와 같은 스타일러스를 제공하는 단계, 스타일러스를 기판에 맞물리게 하는 단계, 및 스타일러스를 이동시켜 접촉 역학 테스트를 수행하여 기판에 잔류 기판 표면을 생성하고 잔류 기판 표면을 유지하는 단계를 포함하며, 잔류 기판 표면은 미세변형들을 갖는다.
관련된 실시예들에서, 방법은 기판 내의 미세변형들과 관련된 잔류 기판 표면의 특성들을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 스타일러스가 기판에 미세변형들을 생성할 때 스타일러스 상에서 반동력들(reaction forces)을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 신장 통로를 갖지 않는 추가적인 스타일러스를 제공하는 단계, 추가적인 스타일러스를 기판에 맞물리게 하는 단계, 추가적인 스타일러스를 이동시켜 기판 응답을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 기판 내의 미세변형들과 관련된 기판 표면의 특성들을 측정하거나 스타일러스 상에서 반동력들을 측정하는 단계, 및 예측 알고리즘에서 미세변형들과 관련된 기판 표면 및/또는 반동력들의 측정들을 이용하여 미세변형 개시 및 전파에 대한 그의 저항과 관련된 기판의 기계적 속성들을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 미세변형 개시 및 전파에 대한 저항을 결정할 때 소성 재료 속성들을 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 기판 내의 미세변형들과 관련된 기판 표면의 특성들을 측정하거나 스타일러스 상에서 반동력들을 측정하는 단계, 및 기판 표면 및/또는 반동력들의 측정들을 사용하여, 예측 알고리즘들을 개발하기 위해 재료 속성들 및 스타일러스 기하구조에 기초하여 응력-변형 장을 특성화하는 수치 모델들과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 기판 내의 미세변형들과 관련된 기판 표면의 특성들을 측정하는 단계, 및 경험적 데이터베이스를 사용하여 기판 표면의 측정들을 기판의 기계적 속성들과 관련시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 연성-취성 전이를 결정하기 위해 온도 및/또는 스타일러스 속도를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 미세변형 개시 및 전파에 대한 그의 저항과 관련된 기판에 대한 재료 제약(material constraint)의 영향을 평가하기 위해 상이한 스타일러스 침투 깊이 및/또는 신장 통로 폭으로 청구항 1의 단계들을 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 스타일러스를 이동시켜 기판상에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 단계는 압입 모드 및/또는 마찰 슬라이딩 모드에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판 상에서 접촉 역학 테스트를 수행하기 위한 장치는 기판에 미세 구조 변화들, 미세 보이드 형성, 크랙킹 또는 다른 변화들을 생성하여 기판을 변형시키도록 구성된 접촉 프로파일을 갖는 스타일러스를 포함한다. 이러한 미세변형들 중 일부는 스타일러스가 제거된 후에 잔류 기판 표면에 남는다. 스타일러스는 기판에 맞물리고 적어도 하나의 방향으로 인장 스트레스들을 촉진하는 형상을 갖는 신장 구역(stretch zone)을 생성한다. 다른 실시예에서, 스타일러스는 장력의 구역의 생성을 더 용이하게 하고/하거나 미세변형들의 형성 후에 그들을 유지하는 것을 돕는 스트레스 통로(stress passage)를 더 포함한다. 다른 실시예들에서, 스타일러스는 기판 내의 스타일러스의 침투를 유지하도록 구성된 맞물림 메커니즘, 스타일러스를 기판 표면에 대해 이동시키도록 구성된 맞물림 메커니즘, 기판에 대한 스타일러스의 원하는 배향을 유지하도록 구성된 정렬 메커니즘, 및/또는 잔류 기판 표면의 특성들을 측정하기 위한 하나 이상의 기구를 포함하는 기판 표면 측정 디바이스에 결합된다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판 상에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 방법은 선단부 및 기판을 변형시키도록 구성된 접촉 프로파일을 갖는 스타일러스를 제공하는 단계, 스타일러스를 기판에 맞물리게 하는 단계, 및 스타일러스를 이동시켜 기판에 미세변형들을 생성하고 잔류 기판 표면을 형성하는 단계를 포함한다. 접촉 역학 테스트는 스타일러스가 기판 표면 안으로 수직으로 가압되는 압입 모드 또는 스타일러스가 기판 표면을 따라 이동하는 마찰 슬라이딩 모드에서 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서, 방법은 기판 내의 미세변형들과 관련된 잔류 기판 표면의 특성들의 측정들을 포함한다. 추가 실시예에서, 이러한 측정들은 균열 인성 또는 샤르피 값들을 포함하는 기판의 기계적 속성들을 결정하기 위한 예측 알고리즘들에서 이용된다. 예측 알고리즘들은 접촉 역학 테스트와 전통적 실험들 사이의 상관성들을 통해 확립된 경험적 데이터베이스들, 또는 재료 속성들, 스타일러스 기하구조 및 접촉 조건들을 포함하는 주어진 파라미터들의 세트에 기초하여 잔류 변형 장(residual strain field)을 특성화하는 수치 모델들에 기초할 수 있다. 방법의 다른 실시예는 미세변형 프로세스의 분석 또는 수치 모델들을 통한 모드 I 및 모드 II 균열 인성의 분리(decoupling)를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 스타일러스는 기판과 맞물리고, 재료가 기판으로부터 균열되게 하여 머시닝 프로세스와 유사한 분리된 리본 또는 칩을 형성할 수 있다. 제거된 이 재료 조각은 화학, 경도 또는 다른 기계적 속성들을 테스트하기 위한 전통적인 실험 방법들을 사용하는 추가 분석에 이용될 수 있다.
실시예들의 전술한 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 이루어지는 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 쉽게 이해될 것이다:
도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 역학 테스트 동안 및 이후에 각각 인장 스트레스들이 생성되는 도시된 섹션 위 또는 아래의 신장 구역을 유도하는 접촉 프로파일을 갖는 스타일러스의 소정 섹션 상의 재료의 유동(flow of material)의 개략 등축도들이다.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 실시예들에 따른, 신장 통로를 갖는 스타일러스를 사용하여 접촉 역학 테스트 동안 형성될 수 있는 미세변형들의 발달 동안의 다양한 개략도들이다. 도 2a는 접촉 역학 테스트의 개략 측면도이다. 또한, 도 2b-2e는 도 2a의 개략 단면도이다.
도 3a 및 3b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 2개의 접촉 프로파일로 구성된 신장 통로 및 신장 통로를 형성하는 연결 웨지 링크(connecting wedge link)를 갖는 스타일러스를 도시하는 개략 등축도 및 개략 상면도이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 신장 통로, 및 유지 통로로도 작용하도록 함몰된 연결 웨지 링크를 갖는 스타일러스의 대안 실시예를 도시하는 개략 등축도 및 개략 상면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른, 인장 스트레스들이 생성되는 도시된 섹션 위 또는 아래의 신장 구역을 유도하는 웨지 형상 프로파일을 갖는 스타일러스의 소정 섹션 상의 재료의 유동의 개략 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른, 다수의 로딩 사이클을 갖는 가로 방향(transverse direction)의 신장 존을 갖는 웨지 형상 프로파일을 갖는 스타일러스의 개략 사시 측면도이다.
도 7a 내지 7c는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 다축 인장 스트레스 상태를 생성함으로써 미세변형들을 개시할 수 있는 스타일러스의 개략 측면도, 개략 정면도 및 개략 저면도이다.
도 8a 및 8b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 스타일러스, 구동 메커니즘, 및 스타일러스를 변위시키고 배향시킬 수 있는 플로트들(float)을 갖는 정렬 메커니즘의 개략 등축도 및 개략 측면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른, 평탄한 기판 표면에 대한 세로 및 가로 경로 궤도 실시예의 개략 등축도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른, 평탄한 기판 표면에 대한 곡선 경로 궤도 실시예의 개략 측면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른, 곡선 또는 원통 기판 표면에 대한 원주 경로 궤도의 실시예의 개략 측면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른, 곡선 또는 원통 기판 표면에 대한 접선 경로 궤도의 실시예의 개략 측면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른, 원통 기판 표면에 대한 세로 경로 궤도의 실시예의 개략 측면도이다.
도 14a 및 14b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 평탄 및 곡선 또는 원통 기판 표면에 대한 압입 경로 궤도의 실시예의 개략 등축도들이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른, 2개의 접촉 요소 및 신장 통로를 포함하는 스타일러스를 사용하여 미세변형들을 생성하기 위해 수행되는 압입 접촉 역학 테스트의 개략 등축도이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 역학 테스트 동안 형성될 수 있는 미세변형들의 상이한 요소들의 개략 측면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른, 하나 이상의 웨지 형상 프로파일을 갖는 스타일러스를 사용하여 기판 표면과 대략 면내에서 주요 인장 스트레스로부터 미세변형들을 생성한 후에 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하여 미세변형들을 측정하는 마찰 슬라이딩 접촉 역학 테스트 방법을 나타내는 개략 등축도이다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른, 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른, 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른, 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 역학 테스트 동안 및 이후에 각각 인장 스트레스들이 생성되는 도시된 섹션 위 또는 아래의 신장 구역을 유도하는 접촉 프로파일을 갖는 스타일러스의 소정 섹션 상의 재료의 유동(flow of material)의 개략 등축도들이다.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 실시예들에 따른, 신장 통로를 갖는 스타일러스를 사용하여 접촉 역학 테스트 동안 형성될 수 있는 미세변형들의 발달 동안의 다양한 개략도들이다. 도 2a는 접촉 역학 테스트의 개략 측면도이다. 또한, 도 2b-2e는 도 2a의 개략 단면도이다.
도 3a 및 3b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 2개의 접촉 프로파일로 구성된 신장 통로 및 신장 통로를 형성하는 연결 웨지 링크(connecting wedge link)를 갖는 스타일러스를 도시하는 개략 등축도 및 개략 상면도이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 신장 통로, 및 유지 통로로도 작용하도록 함몰된 연결 웨지 링크를 갖는 스타일러스의 대안 실시예를 도시하는 개략 등축도 및 개략 상면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른, 인장 스트레스들이 생성되는 도시된 섹션 위 또는 아래의 신장 구역을 유도하는 웨지 형상 프로파일을 갖는 스타일러스의 소정 섹션 상의 재료의 유동의 개략 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른, 다수의 로딩 사이클을 갖는 가로 방향(transverse direction)의 신장 존을 갖는 웨지 형상 프로파일을 갖는 스타일러스의 개략 사시 측면도이다.
도 7a 내지 7c는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 다축 인장 스트레스 상태를 생성함으로써 미세변형들을 개시할 수 있는 스타일러스의 개략 측면도, 개략 정면도 및 개략 저면도이다.
도 8a 및 8b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 스타일러스, 구동 메커니즘, 및 스타일러스를 변위시키고 배향시킬 수 있는 플로트들(float)을 갖는 정렬 메커니즘의 개략 등축도 및 개략 측면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른, 평탄한 기판 표면에 대한 세로 및 가로 경로 궤도 실시예의 개략 등축도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른, 평탄한 기판 표면에 대한 곡선 경로 궤도 실시예의 개략 측면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른, 곡선 또는 원통 기판 표면에 대한 원주 경로 궤도의 실시예의 개략 측면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른, 곡선 또는 원통 기판 표면에 대한 접선 경로 궤도의 실시예의 개략 측면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른, 원통 기판 표면에 대한 세로 경로 궤도의 실시예의 개략 측면도이다.
도 14a 및 14b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른, 평탄 및 곡선 또는 원통 기판 표면에 대한 압입 경로 궤도의 실시예의 개략 등축도들이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른, 2개의 접촉 요소 및 신장 통로를 포함하는 스타일러스를 사용하여 미세변형들을 생성하기 위해 수행되는 압입 접촉 역학 테스트의 개략 등축도이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 역학 테스트 동안 형성될 수 있는 미세변형들의 상이한 요소들의 개략 측면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른, 하나 이상의 웨지 형상 프로파일을 갖는 스타일러스를 사용하여 기판 표면과 대략 면내에서 주요 인장 스트레스로부터 미세변형들을 생성한 후에 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하여 미세변형들을 측정하는 마찰 슬라이딩 접촉 역학 테스트 방법을 나타내는 개략 등축도이다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른, 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른, 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른, 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른, 접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하는 잔류 기판 표면에서의 미세변형들의 측정을 나타내는 개략 측면도이다.
정의들. 본 설명 및 첨부된 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 다음의 용어들은 상황이 달리 요구하지 않는 한은 지시되는 의미들을 가질 것이다.
"기판"은 접촉 역학 테스트를 통해 기계적 속성들에 대해 조사되는 재료이다.
"변형(deform)"시키거나 "변형"을 생성하는 것은 기판으로부터의 재료 제거를 포함하는 것에 의해 기판에 영구적인 또는 시간 의존적인 변화를 만드는 것을 포함한다.
"스타일러스(stylus)"는 기판과 맞물리는 요소이다.
"접촉 요소(contact element)"는 기판과 맞물리는 스타일러스의 컴포넌트이다. 스타일러스는 둘 이상의 접촉 요소를 포함할 수 있다. 접촉 요소는 "접촉 프로파일"을 가지며, 이는 기판에 유동(flow)을 유도하는 형상을 갖는 프로파일이다. 접촉 프로파일은 기판의 의도된 변형 모드에 따라 직선, 경사, 볼록, 오목, 연속 또는 불연속일 수 있다. 접촉 요소는 하나 이상의 접촉 프로파일로 구성될 수 있다.
"접촉 역학 테스트(contact mechanics test)"는 국부적인 변형을 사용하여 구조물의 나머지를 변경 없이 유지하면서 재료의 기계적 응답을 조사하는 것이다. 특정 구현들은 단단한 스타일러스가 기판 표면에 수직으로 이동함으로써 더 부드러운 기판의 표면을 변형시키는 "압입 테스트"를 포함한다. 다른 구현은 단단한 스타일러스가 경로 궤도를 따라 이동하는 동안 더 부드러운 기판의 표면을 변형시키는 "마찰 슬라이딩 테스트"이다. 접촉 역학 테스트는 스타일러스가 기판 내로 가압되는 압입 모드 및/또는 스타일러스가 기판 표면을 따라 측 방향으로 이동하는 마찰 슬라이딩 모드에서 이루어질 수 있다.
"경로 궤도(path trajectory)"는 접촉 역학 테스트 동안 스타일러스가 따르는 기판에 대한 스타일러스의 물리적 경로 및 상대적인 배향이다.
"잔류 기판 표면(residual substrate surface)"은 접촉 역학 테스트 후에 기판에 남아 있는 특성 또는 기판의 변화를 포함하는 기판의 표면이다. 각각의 잔류 기판 표면은 다음을 포함한다.
(i) 개시 위치, 길이 및 방향을 갖는 기판 내의 새로운 표면들의 생성인 "미세 크랙(microcrack)".
(ii) 재료의 내부 구조의 임의의 변화인 "미세 구조 변화(microstructural change)". 이것은 각각의 결정 구조물의 볼륨 분율, 결정학적 및 분자적 텍스처, 재료 내의 자유 볼륨 및 분자 배열을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
(iii) 일반적으로 재료 내의 장력과 관련된 크레이즈들(crazes), 계면 결합 해제(interface debonding) 및 다른 현상들과 같은 재료 내의 추가 공간의 생성인 "미세 보이드(microvoid)".
(iv) 기판 내의 미세 크랙들, 미세 보이드들 또는 다른 변화의 임의 조합인 "미세변형(micromodification)". 미세변형들은 접촉 역학 테스트로 인한 스타일러스 근처의 기판 표면의 높이 및/또는 폭의 변화들과 같은 미세 구조 변화들, 미세 보이드 형성, 크랙킹 및 거대 구조 변화들을 포함한다. 인장 스트레스는 재료를 신장시키고 미세변형들의 형성을 촉진하도록 설계된 스타일러스로 생성된다.
(ⅴ) "띠(ligament)"는 접촉 역학 테스트 동안 신장 통로의 존재로 인해 기판 표면상에 형성되거나 남는 재료의 일부이다.
"잔류 기판 표면 측정 디바이스"는 잔류 기판 표면의 하나 이상의 특성의 측정을 가능하게 하도록 구성된 장치이다.
"공격 각도(attack angle)" 또는 "레이크 각도(rake angle)"는 접촉 역학 테스트를 수행하기 위해 장치가 기판과 맞물릴 때의 기판과 장치 간의 상대적인 접촉 각도이다. 접촉 역학은 공격 각도가 클수록 변형량이 많다는 것을 보여주었다. 구형 스타일러스 또는 곡선형 스타일러스의 경우, 공격 각도는 스타일러스가 비접촉 기판 표면과 맞물리는 각도이며, 따라서 침투 깊이에 따라 달라진다. "레이크 각도"는 수직 배향으로부터 측정되며, 90도에서 공격 각도를 뺌으로써 얻어진다.
"릴리프(relief)"는 접촉 각도를 줄이고, 결과적으로 접촉 역학 테스트 동안 발생하는 마찰, 표면 마모, 스타일러스 마모 또는 다른 바람직하지 않은 현상들을 감소시키기 위해 제거된 접촉 요소의 일부이다. 릴리프는 스타일러스를 기판으로부터 떨어지게 회전시켜 생성되는 릴리프에 의해 생성된 보이드의 사이각(included angle)인 "릴리프 각도"에 의해 특성화될 수 있다.
"신장 통로(stretch passage)"는 미세변형을 생성하고 유지할 수 있게 하는 스타일러스의 기하학적 상세이다. 신장 통로는 스타일러스에 고유할 수 있거나 2개 이상의 접촉 요소 사이의 분리에 의해 형성될 수 있다.
"접촉 요소 링크(contact element link)"는 2개 이상의 접촉 요소를 연결하는 구조적 부재이다. 접촉 요소 링크는 기판과 맞물려 그의 추가 변형 또는 병진 이동을 유발하는 실시예들에서 추가적인 접촉 프로파일의 역할을 할 수 있다. 접촉 요소 링크가 2개 이상의 접촉 프로파일을 연결하여 신장 통로를 형성할 때, 분리 거리, 따라서 신장 통로 폭은 나사식 연결기, 피스톤 또는 스페이서를 통해 조정될 수 있다.
"크랙 구동력(crack driving force)"은 균열 역학의 관점에서의 기판에 대한 요구(demand)의 일반 명칭이다. 엔지니어링 문헌에서, 크랙 구동력은 에너지 방출률, 스트레스 세기 인자 및 J 적분으로도 알려져 있다.
"균열 인성"은 미세변형의 성장에 저항하는 기판의 능력에 대한 일반적인 이름이다. 본 출원에서는 "미세변형 저항" 또는 "미세변형들에 대한 저항"과 유사한 재료 용량들을 지칭한다. 엔지니어링 문헌에서, 균열 인성은 임계 에너지 방출률, 임계 스트레스 세기 인자 및 임계 J 적분으로 지칭될 수 있다. 추가적인 관련 용어들은 완전 취성 재료들에 대한 표면 에너지 및 비탄성 소실을 겪는 재료들에 대한 균열 에너지이다. 균열 인성이 일정한 것이 아니라 미세변형 확장의 함수일 때, 이것은 저항 곡선(R 곡선 또는 J 곡선)으로 알려져 있다. 균열 인성에 대한 다른 경험적 측정은 유사한 시료 크기 및 테스팅 조건들의 재료들을 순위화하기 위한 인덱스로 사용될 수 있는 샤르피 충격 테스트들(또는 샤르피 V 노치)로부터의 CVN 에너지이다.
장치들, 방법들 및 응용들의 개요
재료의 균열 저항을 특성화하기 위해 일반적으로 사용되는 대부분의 일반 기술과는 달리, 예시적인 장치들 및 방법들은 응력 장이 국부적인 주축 방향들 중 적어도 하나에서 장력을 갖고 재료 샘플의 추출(extraction)을 요구하지 않을 때 미세 구조 변화들 및/또는 미세변형 형성들에 대한 재료의 저항을 특성화한다. 엔지니어링 응용들은 종종 안전한 수명 및 손상 허용 설계와 같은 재료의 미세변형 개시 및 미세변형 전파 저항에 대한 지식을 필요로 한다. 많은 예에서의 크랙킹 저항은 국부적인 가소성, 미세 보이드 형성 및 융합 및/또는 결정입계 크랙킹(grain boundary cracking), 분열(cleavage), 스트레스 부식 크랙킹 및 피로를 포함하는 특정 미세 메커니즘들과 관련된다. 따라서, 미세변형을 형성하기 위한 저항으로부터의 데이터는 샘플을 제거하지 않고 조건 평가 또는 품질 제어에서 획득될 수 있는 것을 보완하는 데 도움이 될 것이다. 하나의 중요한 파라미터는 명목적인 로딩(nominal loading)의 방향이다. 가공 제품들의 경우, 이것은 일반적으로 압연 또는 성형의 평면에 대한 세로, 가로 및 짧은 가로 방향으로 정의된다. 파이프들 및 압연 제품들의 경우, 이것은 일반적으로 원통 축에 대한 세로, 원주 및 방사상 방향으로 정의된다. 기법의 상이한 변화들에서, 테스트는 상이한 배향들에서의 미세변형 저항의 변화들을 특성화할 수 있다. 장치는 특정 응용을 수용하기 위해 압입 모드 또는 마찰 슬라이딩 모드에서 기능할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 미세변형은 특수 설계된 스타일러스로 접촉 역학 테스트를 통해 생성되고, 스타일러스는 하나 이상의 접촉 요소를 가지며, 각각의 접촉 요소는 스타일러스가 기판을 변형시킬 때 적어도 하나의 축을 따라 장력을 갖는 응력 장을 유도하는 접촉 프로파일을 갖는다. 이것은 도 1a 및 1b에 일반적으로 도시되며, 여기서 스타일러스(20)는 기판 재료(1)에 미세변형을 생성 및 유지하는 데 사용된다. 초기에, 스타일러스의 위쪽에는 변형되지 않은 기판 재료(7)가 있다. 이 예시적인 실시예에서, 스타일러스(20)는 2개의 접촉 요소(43)를 포함하며, 이들 각각은 스타일러스(20)가 이동함에 따라 기판 재료(1)를 변형시키는 형상을 갖는 접촉 프로파일들 및 그들 사이의 신장 통로(31)를 갖는다. 스타일러스(20)의 액션은 상당한 인장 스트레스 및 스트레인을 생성하여, 미세 보이드 형성 및 융합 또는 더 취성이 큰 프로세스들을 개시할 수 있는 미세변형을 생성한다. 미세변형의 형성은 미세변형의 시그니처들을 포함하는 잔류 기판 표면(17)을 포함하는 대향 면들을 갖는 새로운 표면들(45)의 생성을 수반한다. 이 시점 후에, 스타일러스는 잔류 기판 표면(17)의 일부 특성들을 측정하는 잔류 기판 표면 측정 디바이스를 사용하여 후속적으로 특성화될 수 있도록 잔류 기판 표면(17)의 소정 양태를 유지할 수 있다. 재료를 변형시키고 미세변형들을 생성할 때의 스타일러스(20) 상의 반동력들이 측정될 수도 있다. 잔류 기판 표면의 특성들 및/또는 스타일러스(20) 상의 힘들은 미세변형 개시 및 전파에 대한 재료 저항과 관련될 수 있다.
새로운 장치에 더하여, 몇몇 실시예들은 잔류 기판 표면의 반동력들 및/또는 특성들을 기판 재료의 미세변형 저항과 상관시키는 방법들을 구현한다. 잠재적인 응용은 상이한 조건들 하에서의 크랙킹에 대한 저항의 지시자(indicator)에 대한 재료 표면들의 특성화를 포함한다. 따라서, 테스팅 결과들은 균열 역학에 의해 정의되는 바와 같은 재료 균열 인성의 추정치로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 결과들은 재료들을 반정량적으로 순위화(semi-quantitatively rank)하기 위해 사용될 수 있는 미세변형 저항의 인덱스로 사용된다. 이 접근법은 재료 강도의 인덱스를 제공하는 압입 경도 측정들을 통해 널리 이용된다. 미세변형 저항과 관련된 다른 재료 속성들과의 상관성이 재료를 비교하고 평가하는 데 사용되는 다른 상황들이 있다. 예를 들어, 신장 통로를 갖는 웨지 형상 프로파일의 실시예들은 미세 보이드 형성의 개시를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 이것은 R 곡선 또는 샤르피 충격/V 노치 에너지(CVN)와 같은 전통적인 실험실 테스트들과 상관시키는 데에도 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들을 통해 얻어지는 잔류 기판 표면의 특성들은 또한 이러한 추가적인 재료 파라미터들과 상관될 수 있다. 온도 및 변형률(strain rate)과 같은 테스트 조건들은 상이한 로딩 환경들하에서 미세변형 저항을 평가하도록 변경될 수 있다. 미세변형들 근처의 국부적 응력-변형 장 및 소성 스트레인(plastic strain)의 크기뿐만 아니라 장력(모드 I) 및 전단(모드 II) 로딩의 비율은 스타일러스의 기하학적 양태들을 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 스타일러스의 기하학적 변화들 및 침투 깊이들에서, 재료들의 균열 저항은 평면 스트레스(plane stress) 조건으로부터 평면 스트레인(plane strain) 조건으로의 전이들을 설명하는 재료 제약 효과들(material constraint effects)을 설명하기 위해 재료 두께의 함수로 표현될 수 있다.
이 테스트에 대한 응용들은 에너지, 제조, 운반 및 통신을 포함하는 구조적 재료들을 사용하는 산업들에 걸친다. 기법의 주요 장점은 이것이 매우 작은 샘플만을 필요로 하며 구조물의 표면 특성들만을 조사하여 비파괴 방식으로 수행될 수 있다는 것이다. 테스트되는 기판의 깊이 또는 길이는 테스트되는 재료의 볼륨을 제어하기 위해 변경될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 발명의 명칭이 "스크래치 테스트 장치 및 그 사용 방법(Scratch Testing Apparatus and Methods of Using Same)"인 미국 특허 출원 공개 공보 제2014/0373608호, 발명의 명칭이 "재료 특성을 조사하기 위한 스타일러스 정렬을 이용한 접촉 역학 테스트(Contact Mechanics Tests using Stylus Alignment to Probe Material Properties)"인 미국 특허 출원 공개 공보 제2016/0258852호 및 발명의 명칭이 "재료 특성을 조사하기 위한 스타일러스 정렬을 이용한 접촉 역학 테스트(Contact Mechanics Tests using Stylus Alignment to Probe Material Properties)"인 미국 특허 출원 제15/256,276호에 설명된 바와 같이 파이프들 또는 I 빔들의 외측 표면상에서와 같은 장 환경들(field environments)에서 이동 가능한 측정들(portable measurements)을 가능하게 하기 위해 테스팅 플랫폼과 쉽게 결합될 수 있으며, 이들 특허 전체는 본 명세서에 참조로서 통합된다.
주어진 산업에 대해, 본 장치 및 방법의 실시예들은 공장에서의 품질 관리, 전달 동안의 품질 보증, 건설 품질 보증(현장 용접 등), 조건 평가 및 기존 구조물들의 재료 검증에 사용될 수 있다. 공장에서의 사용을 위한 실시예들은 다른 응용들에 대한 연속 모니터링의 일부일 수 있으며, 테스트가 비파괴적인 것으로 충분히 자격을 갖추는지는 최종 제품의 테스트 위치 및 서비스 조건들에 의존할 것이다. 신제품들의 테스팅의 경우, 덜 스트레스 받는 영역들 또는 용융 용접되고 있는 영역들이 선호될 것이다. 화학적 변형 크랙킹과 같은 부식 또는 재료 열화에 의한 금속 손실을 겪은 기존 구조물들의 경우, 영향을 받은 영역들 외부에서의 추가적인 테스트 또는 구조적 보강이 테스트 완료 후에 필요할 수 있다.
장치의 상세한 설명
본 발명의 실시예들은 1) 미세변형을 유도하고, 2) 잔류 기판 표면상의 미세변형의 특성들을 유지하는 국부적인 주축 방향들 중 적어도 하나에서의 장력을 갖는 응력 장을 생성하기 위해 기판 재료를 변형시키도록 설계된 스타일러스를 포함한다. 스타일러스는 기판을 변형시킬 때 스타일러스를 병진 이동시키고 배향하는 시스템의 일부일 수 있다. 시스템은 스타일러스 상의 반동력들 및/또는 잔류 기판 표면의 특성들과 관련된 측정들을 수행하는 추가적인 컴포넌트들도 포함할 수 있다. 시스템은 테스팅용 샘플들을 유지하는 실험실 디바이스의 일부일 수 있거나, 테스팅용 기존 구조물에 직접 부착되는 휴대용 디바이스의 일부일 수 있다.
스타일러스의 특정 실시예들
일부 실시예들에서, 신장 통로가 스타일러스의 컴포넌트로서 포함된다. 신장 통로는 단지 기판 재료의 자유 유동을 방지할 만큼 충분히 작지만, 미세변형을 유발할 만큼 충분히 또는 균열의 지점까지 장력으로 변형되는 띠의 형성을 가능하게 할 만큼 충분히 큰 스타일러스 내의 절단부(cut)일 수 있다. 다른 실시예에서, 신장 통로는 스타일러스가 기판을 변형시킬 때 미세변형의 특성들을 유지하는 기하학적 특징이다. 이 경우, 기하학적 특징은 스타일러스와 미세변형들 사이의 직접 접촉을 통해 발생할 수 있는 재료 시그니처의 변경을 방지한다. 다른 실시예에서, 신장 통로는 하나 이상의 접촉 요소 사이의 분리에 의해 형성된다. 하나 이상의 접촉 요소 사이의 분리는 접촉 요소 링크에 의해 정의될 수 있으며, 다수의 인장 로딩 구성을 획득하기 위해 조정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 일반적인 스타일러스 기하구조는 전통적인 머시닝 도구 기하구조에 의해 정의된다. 이러한 방식으로 설계된 스타일러스는 접촉 요소 및 접촉 프로파일을 정의하는 레이크 각도 및 적어도 하나의 릴리프 각도를 갖도록 설계될 수 있다. (기판 표면에 거의 수직인) 더 작은 레이크 각도들을 갖는 스타일러스들은 신장 통로 주위에 유동하는 재료가 접촉 프로파일 위로 밀릴 때 띠에서의 더 빠른 속도(rate)의 인장 스트레스를 제공한다. 또한, 스타일러스 앞의 재료는 더 큰 전단 및 정수 압축을 겪고 있을 것이다. 레이크 각도는 유동하는 동안 띠 및 기판 전단에서의 인장 스트레인 속도(tensile strain rate)의 원하는 결합에 기초하여 결정된다. 특정 재료 및 목적의 경우, 스타일러스 구성은 유한 요소 분석과 같은 실험들 또는 수치 시뮬레이션을 통해 최적화될 수 있다. 릴리프 각도들은 스타일러스의 경로 궤도 및 예상 마모 위치들에 기초하여 결정된다.
도 2a 내지 2e를 참조하면, 신장 통로를 포함하는 스타일러스(20)의 일 실시예가 접촉 역학 테스트 동안 마찰 슬라이딩 모드로 동작하는 것으로 도시된다. 스타일러스(20)는 양의 레이크 각도(47) 및 양의 릴리프 각도(49)를 사용하여 설계된다. 도 2b는 스타일러스 경로 궤도(51)의 앞에 변형되지 않은 기판 재료(7)를 도시한다. 스타일러스가 변형되지 않은 기판 재료(7)와 맞물릴 때, 접촉 프로파일은 도 2c에 도시된 바와 같이 기판 재료(1)를 분리하기 시작하여, 새로운 표면들(45) 및 띠(53)의 개시를 유발한다. 스타일러스가 경로 궤도(51)를 따라 계속 이동함에 따라, 띠(53)는 궁극적으로 미세변형이 형성되어 2개의 잔류 기판 표면(17)(도 2)을 유발할 때까지 인장 쿠폰(도 2d)과 유사한 접촉 요소 및 기판 재료(1)의 대향하는 힘들로 인해 장력으로 신장된다. 이 경우, 잔류 기판 표면은 잔류 표면 높이(55) 및 잔류 표면 폭(57)에 의해 특성화될 수 있다. 기판의 거동이 연성이면, 조건들은 (네크 구역(neck zone)의 중간 내의) 인장 테스트 시료의 최종 균열시의 조건과 유사할 것이다. 신장 통로로 인해, 남아 있는 로딩되지 않은 띠의 잔류 기판 표면(17)은 추가적인 변형이 방지되어 잔류 기판 측정 디바이스를 이용하는 가능한 후속 검사를 가능하게 한다.
신장 통로(31)를 포함하는 스타일러스의 일 실시예가 도 3a 및 3b에 도시되어 있다. 스타일러스는 2개의 접촉 요소(43)를 포함하며, 각각의 접촉 요소(43)는 신장 구역(13) 및 후속하는 옵션인 유지 구역(preserving zone, 29)을 구성하는 선단 에지들(23) 및 후미 면들(trailing faces, 25)을 갖는 접촉 프로파일(41)을 포함한다. 스타일러스는 기판과 맞물리고, 재료가 신장 구역(13)을 통과할 때 스타일러스로부터 옆으로 멀어지도록 재료를 변형시킨다. 신장 구역(13)은 재료에 인장 스트레스들을 점차적으로 생성하고, 이 실시예에서는 그의 윤곽이 곡선이지만, 재료 유동의 속도 및 배향을 제어하기 위해 직선이거나 단계적으로 증가할 수도 있다. 이 실시예에서, 신장 통로(31)는 접촉 요소 링크(33)에 의해 연결된 2개의 접촉 요소(43) 사이의 갭에 의해 형성된다. 접촉 요소 링크(33)는 영구적으로 설정되거나, 조정 가능하거나, 단일 컴포넌트 내의 모든 요소들을 포함하는 스타일러스의 내부 부분일 수 있다. 접촉 요소 링크(33)의 길이를 증가 또는 감소시키는 것은 신장 통로(31)의 크기를 변화시켜서 재료 내에서 유도되는 변형의 크기를 변경할 것이다. 더 넓은 신장 통로는 더 큰 재료 볼륨이 동시에 테스트될 수 있게 할 것이며, 이는 균열 거동에 대한 크기 의존성을 감소시킨다. 그러나, 이러한 이점은 신장 통로(31) 내의 유동으로 인한 더 많은 소성 변형도 고려해야 한다는 점에 의해 상쇄된다. 다른 실시예에서, 스타일러스의 에지들은 직선형이고 간단한 삼각형들로 이루어져서, 집속 이온 빔 밀링, 또는 레이저 소결 또는 다른 리소그래피 기법들을 통한 적층 제조(additive manufacturing)와 같은 머시닝 기법들을 사용하는 간단한 제조를 가능하게 할 수 있다. 적층 제조의 장점은 스타일러스에 센서들을 내장할 수 있다는 것이다. 스타일러스의 형상화는 평면 스트레스와 평면 스트레인 조건 사이의 스트레스 상태에도 영향을 미칠 것이다. 재료 제약은 미세변형 저항에 대한 잘 알려진 영향을 가지며, 평면 스트레스 조건들에 대한 더 큰 저항을 갖는다. 일부 실시예들에서, 접촉 요소 링크(33)는 선단 에지(23)의 충분히 아래쪽에 배치되며, 따라서 재료는 장력으로 고장 나서 접촉 요소 링크(33)에 도달하기 전에 분리될 것이다. 도 3a-b에 도시된 실시예에서, 기판 재료가 신장 통로(31) 주위에서 유동함에 따라, 자유 표면들이 생성되며, 이는 대향 표면들을 연결하는 띠에서의 인장 스트레스들을 국부화한다. 이것은 확산 액션(spreading action)으로부터 균열을 촉진하고, 후속적으로 특성화될 수 있는 미세변형을 포함하는 잔류 기판 표면을 형성한다.
신장 통로를 갖는 스타일러스 기하 구조의 대안 실시예가 도 4a 및 4b에 도시되어 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같은 스타일러스의 특징들 및 그의 기능들이 유지되며, 이는 선단 에지들(23), 후미 면들(25), 신장 구역(13), 유지 구역(29), 신장 통로(31), 접촉 요소 링크(33) 및 접촉 요소(43)를 포함한다. 이 실시예에서, 접촉 요소 링크(33)는 잔류 기판 표면상의 미세변형을 유지하기 위해 함몰된다. 이 실시예는 마찰 슬라이딩 실험에서 이동 방향에 대해 가로지르는 방향으로 미세변형들을 유도한다. 균열 프로세스의 방향을 제어하기 위해 상이한 스타일러스 기하구조들을 사용하는 것은 기판 재료에서의 미세변형 이방성의 측정을 가능하게 한다.
다른 실시예에서, 재료 유동이 웨지의 양측에서 개시됨에 따라 스타일러스가 기판을 조사할 때 적어도 하나의 축을 따라 장력을 갖는 응력 장을 점진적으로 유도하도록 접촉 프로파일을 이용하는 특별히 설계된 스타일러스로 미세변형이 생성된다. 이것은 도 5에 일반적으로 도시되며, 여기서 기판 재료(1)의 유동은 신장 통로를 포함하지 않는 스타일러스(20)를 갖는 스타일러스의 특정 영역들을 따라 도시된다. 스타일러스가 재료를 변형시킬 때의 결과적인 인장 스트레스도 도시된다. 초기에, 스타일러스의 위쪽의 재료는 변형되지 않은 기판 재료(7)이다. 스타일러스가 이동함에 따라, 기판 재료(1)는 연성 경작 변형 모드(ductile plowing deformation mode)에서 접촉 프로파일(41) 주위에서 이동하기 시작하도록 압축 및 강제된다. 이 영역은 상류 변형 영역(9)으로 정의된다. 스타일러스(20)의 선단 지점(11)이 통과한 후에, 재료는 접촉 프로파일들(41)에 도달한다. 접촉 프로파일들(41)은 각각 신장 구역(13)을 포함하며, 여기서 기판 재료는 적어도 하나의 주요 스트레스 방향으로 장력으로 신장되어, 인장 스트레스(19) 및 스트레인의 크기 증가를 유발한다. 접촉 프로파일(41)을 따른 거리(18)가 증가함에 따라, 축적된 스트레인 및 다방향 스트레스 상태의 주어진 결합에서 미세변형이 개시될 때까지 기판 재료(1)의 스트레스 및 스트레인이 계속 증가한다. 상이한 속성들을 가진 기판들은 신장 구역(13)에서 또는 그 근처에서 스타일러스 아래 또는 주위의 다른 위치에서 미세변형을 개시하기 시작할 것이다. 균열에 대한 저항이 클수록, 더욱 스타일러스 뒤에, 아래에 또는 주위에 미세변형이 있을 것이다. 신장 구역(13)의 정점 이후에, 신장 변형은 감소되고, 재료는 탄성적으로 언로딩되어 접촉 프로파일(41)의 탄성 복구 영역(15)에서 인장 스트레스(19) 및 스트레인의 크기를 감소시킨다. 탄성 복구 영역(15)에서 나온 후에, 기판 재료(1)는 접촉 역학 테스트 동안 형성된 미세변형의 시그니처들을 포함하는 잔류 기판 표면(17)을 가진 상태로 남는다.
일 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 도 5에서 설명된 프로세스 하에서 동작하는 접촉 프로파일을 갖는 스타일러스가 제공된다. 스타일러스가 기판과 맞물릴 때, 스타일러스와 기판 사이에 형성된 공격 각도(59)는 스트레스 및 변형의 크기를 제어한다. 더 큰 공격 각도(59)는 더 큰 스트레스들 및 평균 소성 스트레인을 유발한다. 소정의 기계적 속성들을 갖는 재료들의 경우, 공격 각도(59) 및 접촉 조건들(예를 들어, 마찰 계수)에 기초하는 연성 경작 응답과 취성 머시닝(brittle machining)(예를 들어, 칩핑(chipping)) 사이의 전이가 존재할 것이다. 공격 각도(59)는 원추형 또는 피라미드형 기하 구조에 대해 일정하거나 구형 또는 타원형 기하구조와 같이 깊이에 따라 변할 수 있다. 도 6에 도시된 스타일러스는 스타일러스 경로 궤도(51)에 대한 가로 방향(transverse direction)으로 미세변형을 유도하기 위해 접촉 프로파일(41)의 각 측 상의 재료의 유동의 2개의 구역 사이의 분리를 점진적으로 증가시키는 신장 구역(13)을 구성하는 선단 에지(23) 및 후미 면들(25)을 갖는다. 미세변형 개시 및 전파에 대한 더 큰 저항을 갖는 재료는 미세변형이 발생하기 전에 신장 구역을 따라 더 큰 공격 각도에 도달할 것이다. 신장 구역의 뒤는 옵션인 유지 구역(29)이다. 이 실시예에서, 옵션인 보조 접촉 프로파일(61)은 신장 및 완화 변형을 다시 반복하여, 재료 피로와 같은 추가적인 변형 역학을 유발할 것이다.
도 5에서 설명된 것들과 유사한 역학하에서 동작하는 스타일러스의 다른 실시예가 도 7a-c에 도시되어 있다. 스타일러스는 경작 표면(ploughing surface, 63) 및 후미 면들(25)을 포함하는 신장 구역(13)을 포함한다. 신장 구역(13)은 경작 표면(501) 상의 압축력을 후미 면들(25)에 수직으로 작용하는 장력들로 점진적으로 전이시킴으로써 미세변형 형성을 촉진하며, 미세변형 스타일러스와 기판 사이의 마찰 계수가 균열될 때까지 기판을 신장시킬 만큼 충분히 높은 것으로 가정한다. 유동 제어 리지들(flow control ridges, 65)은 접촉 역학 테스트 동안 기판의 소성 유동을 조작함으로써 신장 구역(13)의 유효성을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 선단 면(67)은 바닥 표면(71) 아래에서 균열이 발생하는 것을 보장하기 위한 곡선 전면 및 돌기(69)를 갖는다.
시스템 컴포넌트들의 특정 실시예들
스타일러스를 원하는 경로 궤도를 따라 변위시키기 위해, 적어도 하나의 맞물림 메커니즘이 전달 부재(transfer member)에 의해 스타일러스에 결합될 수 있다. 맞물림 메커니즘은 접촉 역학 테스트의 파라미터들에 따라 원하는 경로 궤도를 따라 스타일러스를 밀거나 당길 수 있다. 전달 부재는 변위 방식에 기초하여 선택되어야 하고, 필요한 모션들을 허용하는 회전 및 병진 이동 부착물들의 결합일 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 장치는 스타일러스가 기판 표면에 대한 국부적인 각도 배향에서 맞물림 메커니즘과 무관하게 이동할 수 있는 동안 하나 이상의 맞물림 메커니즘이 스타일러스에 병진 이동, 회전 또는 결합된 병진 이동 및 회전 모션을 전달할 수 있도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 구동력들은 원하는 경로 궤도를 따라 동작하는 병진 이동 또는 회전 액추에이터들로 인가된다. 액추에이터들은 기판 표면과 맞물리는 스타일러스의 반동력들을 극복하기에 충분한 힘을 제공할 수 있는 임의의 적절한 메커니즘(예를 들어, 기계, 유압, 공기압, 전자기 등)일 수 있다. 하나 이상의 맞물림 메커니즘은 다수의 병진 이동 속도로 동작할 수 있으며, 이는 접촉 역학 테스트를 위해 기판에 상이한 변형률들(strain rates)을 부과할 것이다.
예시적인 실시예에 따르면, 장치는 불규칙한 기판 표면에 대한 스타일러스의 위치 및/또는 국부적인 각도 배향을 확립하는 정렬 메커니즘을 포함할 수 있다. 정렬은 접촉 참조(contact referencing)를 통해 달성될 수 있으며, 이는 정렬 메커니즘이 기판 표면에 대해 스타일러스를 배향시키기 위해 스타일러스에 의해 맞물린 영역 외부에서 기판 표면과 접촉하는 2개 이상의 플로트를 이용할 때이다. 플로트들은 분리된 컴포넌트들이거나 스타일러스의 접촉 요소들과 인접할 수 있는 결합 부재들에 의해 스타일러스에 연결된다. 정렬에 더하여 또는 정렬과 무관하게, 플로트들은 접촉 역학 테스트 동안 스타일러스가 너무 깊게 침투하는 것을 방지하기 위한 안전 제한들의 역할을 할 수 있다. 정렬은 또한 스타일러스의 상대적인 배향을 인식하고 경로 궤도를 수정하기 위해 기계적 시스템들을 활성화하는 제한 스위치들(limit switches)과 같은 전자 제어들에 의해 달성될 수 있다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 신장 통로(31)를 포함하는 스타일러스(20)가 예시적인 맞물림 메커니즘(71) 및 정렬 메커니즘(73, 75)을 갖는 것으로 도시된다. 이 실시예에서, 맞물림 메커니즘(71)은 강성 전달 부재(76)에 의해 스타일러스(20)에 결합되고, 선형 경로 궤도(51)를 따라 스타일러스를 밀도록 구성되며, 기판 재료(1)와 맞물리는 스타일러스(20)에 의해 야기되는 반동력들을 극복하기에 충분한 힘을 갖는 임의의 병진 이동 액추에이터를 포함할 수 있다. 또한, 정렬 메커니즘은 결합 부재들(75)에 의해 스타일러스에 결합된 2개의 플로트(73)로 구성되며, 따라서 기판 표면(3)에 대한 스타일러스(20)의 규정된 국부적 배향이 접촉 역학 테스트 전반에서 유지된다.
선택된 맞물림 메커니즘(71)과 정렬 메커니즘의 결합은 고정 실험실 환경 또는 휴대용 장 환경에서 동작할 수 있는 장치의 능력을 지정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 맞물림 메커니즘(71)이 스타일러스(20)에 대해 샘플을 이동시키도록 구성된 샘플에 부착되고, 정렬 메커니즘이 스타일러스에 대해 샘플의 국부 기판 표면(3)을 조정하도록 구성된 경우, 장치는 제거된 샘플들의 실험실 테스팅에 가장 적합할 수 있다. 대신에, 예를 들어, 결합 메커니즘(71)이 구조물에 장착되고 기판 표면(3)에 대해 스타일러스(20)를 이동시키도록 구성되며, 정렬 메커니즘이 국부 기판 표면과 접촉하고 원하는 국부적 배향을 유지하기 위해 스타일러스를 정렬하는 경우, 장치는 서비스 중인 자산들의 장 테스팅(field testing of in-service assets)에 가장 적합할 수 있다.
방법의 상세한 설명
전술한 새로운 장치는 연성 및/또는 취성 재료가 장력으로 영구적으로 변형될 때 기판 재료에서 미세변형 저항을 조사하는 새로운 방법을 가능하게 한다. 재료 응답은 재료의 미세변형 개시 및 전파에 대한 재료의 저항, 스타일러스와 기판 간의 접촉 조건들, 스타일러스의 기하구조, 및 온도 및 로딩 레이트를 포함하는 테스트 환경의 조건들에 의존한다. 방법은 일반적으로 1) 장치로 접촉 역학 테스트를 수행하는 단계, 2) 잔류 기판 표면의 특성들 및/또는 스타일러스 상의 반동력을 동시에 또는 순차적으로 측정하는 단계, 및 3) 접촉 역학 테스트 동안 또는 후에 획득된 측정들을 사용하여 미세변형 저항과 관련된 기판 속성들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방법은 아이템 1 및 2만을 포함할 수 있으며, 테스트 측정들은 유사한 조건들하에서 테스트된 기판들 간의 비교를 가능하게 하는 미세변형 저항의 인덱스로서 사용된다. 단계 3은 표면 에너지, 균열 에너지, 임계 에너지 방출률, 임계 스트레스 세기 인자, 임계 J 적분, R 곡선의 파라미터들(개시 또는 정상 상태), CVN 및/또는 연성-취성 전이를 포함하는 기판 재료들의 확립된 균열 인성 속성들을 결정하는 것과 관련된다. 스타일러스를 기판을 통해 병진 이동시키고, 스타일러스의 배향을 유지하며, 잔류 기판 표면의 특성들을 측정하는 방법들의 추가적인 실시예들이 본 명세서에 이전에 참조로서 통합된 발명의 명칭이 "스크래치 테스트 장치 및 그 사용 방법(Scratch Testing Apparatus and Methods of Using Same)"인 미국 특허 출원 공개 공보 제2014/0373608호, 발명의 명칭이 "재료 특성을 조사하기 위한 스타일러스 정렬을 이용한 접촉 역학 테스트(Contact Mechanics Tests using Stylus Alignment to Probe Material Properties)"인 미국 특허 출원 공개 공보 제2016/0258852호 및 발명의 명칭이 "재료 특성을 조사하기 위한 스타일러스 정렬을 이용한 접촉 역학 테스트(Contact Mechanics Tests using Stylus Alignment to Probe Material Properties)"인 미국 특허 출원 제15/256,276호에 설명되어 있다.
접촉 역학의 특정 실시예들
도 9-14를 참조하면, 기판 재료(1)의 속성들에 따라, 다양한 결과들을 산출하는 스타일러스가 따르는 많은 가능한 경로 궤도(51)가 존재한다. 상이한 경로 궤도들(51)에서의 테스팅을 위한 동기는 미세변형들에 대한 이방성 저항을 갖는 기판 재료(1)를 조사하거나, 방법을 구현하는 데 필요한 장비 및 재료를 간소화하는 것이다. 마찰 슬라이딩 접촉 역학 테스트들의 실시예들에서, 스타일러스는 세로 또는 가로 방향이고 기판 표면(3)에 대해 평행한 경로 궤도(51)를 따를 수 있다(도 9). 또한, 스타일러스는 곡선 경로 궤도(51) 상에 설정되어, 아킹 모션(arcing motion)으로 기판 표면(3)에 진입한 후에 나갈 수 있다(도 10). 원통, 국부적 곡선 또는 구형 기판 표면(3)의 경우, 스타일러스는 곡률 반경(도 12)에 접선 방향뿐만 아니라 표면에 대략 또는 정확하게 원주 방향인 경로 궤도(51)를 따를 수 있다(도 11). 이러한 배향들은 전술한 정렬 메커니즘들을 사용하여 평면 또는 곡선 기판 표면들(3)에 대해 유지될 수 있다. 샘플이 긴 파이프와 같이 국부적으로 원통형인 경우, 스타일러스는 또한 기판 표면(3)에 국부적으로 수직하게 정렬될 수 있고, 원통에 대해 세로인 경로 궤도(51)를 따른다(도 13). 본 방법의 일 실시예에서는, 이러한 가능한 경로 궤도들 중 하나만을 따른다. 본 방법의 다른 실시예에서는, 다수의 경로 궤도를 순차적으로 따른다. 본 방법의 또 다른 실시예에서는, 다수의 경로 궤도를 중첩시켜 더 복잡한 다중-모드 경로 궤도들을 생성한다.
마찰 슬라이딩 모드들의 경우, 기판 표면 아래의 스타일러스의 침투 깊이는 재료 응답에 상당한 영향을 미친다. 머시닝 문헌에 근거하여, 절삭 속도와 레이크 각도와 함께 절삭 깊이는 생성되는 칩들의 크기 및 타입, 절단 도구 마모량 및 마찰량(및 이후의 열)에 중요한 영향을 갖는다. 이것은 재료의 변형과 균열 전파에 필요한 에너지 때문이다. 접촉 역학에 근거하면, 얕은 절삭 깊이들은 훨씬 적은 힘을 필요로 하지만, 연성 금속들은 접촉 요소들의 상부의 재료의 두께를 통해 훨씬 더 큰 소성을 겪을 것이다. 그 결과는 미세변형들로부터 분리되는 재료의 칩의 소성 속성들의 더 큰 영향 및 더 큰 곡률이다. 미세변형 저항이 작고 침투 깊이가 더 큰 취성 재료들의 경우, 소규모 항복 조건에 도달하여, 선형 탄성 균열 역학(LEFM)의 적용을 가능하게 할 수 있다. 미세변형 주변의 균열 프로세스 구역이 시료 치수들 및 크랙 크기에 비해 매우 작은 소규모 항복 조건에 도달하는 능력은 재료의 미세변형 저항 및 테스팅하는 데 이용 가능한 재료의 양에 의존한다. 연성 금속들의 경우, 매우 큰 시료 및 불가능한 침투 깊이들에 대한 필요로 인해 탄성-소성 균열 역학(EPFM)이 필요하다.
접촉 역학 테스트의 추가적인 실시예가 도 14a-b 및 15에 도시된 바와 같은 압입 모드에 있다. 도 14a 및 14b는 경로 궤도(51)의 개략적인 개요를 나타낸다. 이 실시예에서, 스타일러스는 기판 표면(3)에 대략 또는 정확하게 수직인 방향으로 기판 재료(1) 내로의 경로 궤도(51)를 따른다. 마찰 슬라이딩 모드에서와 같이, 스타일러스는 신장 통로 또는 신장 구역은 물론 유지 구역을 포함하여, 잔류 기판 표면의 특성들을 생성하고 유지할 수 있다. 도 15는 기판 재료(1)로의 압입 경로 궤도(51)를 따르는 신장 통로(31)를 생성하는 방식으로 위치하는 2개의 접촉 요소(43)를 갖는 스타일러스(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 새로운 표면들 및 잔류 기판 표면은 기판 재료(1) 내에 있다.
미세변형들의 특정 실시예들
전술한 바와 같이, 본 장치 및 방법의 실시예들의 액션은 미세 구조 변화들 및 미세변형들을 유도할 수 있다. 이들은 각각의 결정 구조의 볼륨 분율, 결정학적 및 분자적 텍스처, 재료의 자유 볼륨, 분자 배열, 보이드들 또는 다른 비정상들, 예를 들어 크레이즈들 및 전단 대역들의 생성을 포함한다. 스타일러스의 특성은 장력 변형에 대한 재료의 응답을 생성하고 보존하는 능력이다. 다른 기법들은 접촉 역학이 재료에 크랙들 및 손상을 생성하는 데 사용될 수 있음을 보여 주었지만, 본 명세서에서 설명되는 본 장치 및 방법의 실시예들은 재료 시그니처를 제어된 로딩 조건으로 유지 및 기록하는 능력을 제공한다. 스타일러스의 기하구조 및 접촉 역학 테스트의 타입(즉, 압입 또는 마찰 슬라이딩)에 따라, 미세변형은 스타일러스의 상이한 영역들에서 형성될 수 있다. 영역들은 스타일러스 아래, 스타일러스의 위쪽, 또는 스타일러스 이동에 대해 가로지르는 방향을 포함한다. 미세변형은 잔류 기판 표면상에 남은 특징들 및 띠의 치수들에 의해 특성화될 수 있다. 미세변형의 크기, 형태학(morphology) 및 타입은 테스트되는 기판의 재료 속성들에 의존한다. 미세변형을 특성화하는 데 사용될 수 있는 특정 특징들은 크랙 길이, 전단 립 오프셋(shear lip offset), 표면 거칠기, 표면적 및 전단 대역 치수를 포함한다. 미세변형들을 포함하는 잔류 기판 표면의 양측이 특성화될 수 있다. 일 실시예에서, 재료는 완전 분리 또는 크랙킹의 지점까지 변형된다. 시그니처는 그러한 크랙킹 전에 재료가 겪은 인장 신장의 양 및/또는 잔류 기판 표면의 상세들을 포함한다. 연성 금속들에 대한 미세변형 저항의 한 가지 지시는 소성 및 균열 속성들 양자의 함수인 띠의 높이이다. 금속들은 감소된 항복 강도들 및 스트레인 경화 지수들 또는 증가된 균열 인성을 나타내는 경우에 비교적 더 높은 띠 높이들을 갖는다.
도 16은 접촉 역학 테스트 후의 가능한 미세변형의 다양한 영역들을 도시한다. 잔류 기판 표면(17) 바로 아래에, 이 실시예에 도시된 바와 같이, 측면 마이크로크랙들(77), 중앙 마이크로크랙들(79) 또는 이들 양자가 있을 수 있다. 또한, 높은 변형(81)에서부터 중간 변형(83) 및 낮은 변형(85)에 이르는 기판 재료(1) 내의 다양한 소성 변형 영역들이 있다. 이러한 소성 변형 영역들은 소성 구역(87)을 구성한다. 또한, 표면 변형(89)의 영역들이 있을 수 있다. 변형의 레벨은 접촉 역학 테스트 동안 재료 내의 미세 보이드 형성의 양과 상관되며, 미세변형 형성 영역과 관련된다.
잔류 기판 표면들의 특성들은 상이한 테스트 조건들에서의 상이한 재료 시료들에 기초하여 크게 변한다. 연성 금속들은 미세변형들 근처에서의 상당한 소성 변형과 관련된 미세 보이드들의 성장 및 융합으로 인해 남는 특성 딤플들 및 높은 표면 거칠기를 갖는 연성 균열의 지시들을 나타낸다. 연성 균열 표면 상에 남은 띠는 인장 테스트 시료의 네크 부분과 유사하다. 취성 재료들은 미세변형 전파 전에 매우 작은 변형이 발생한 낮은 거칠기를 갖는 평면들에 의해 특성화되는 분열 균열(cleavage fracture)을 나타낸다. 금속 합금은, 테스트가 증가하는 변형률(증가된 스타일러스 속도) 또는 감소하는 온도로 수행되는 경우에 연성에서 취성 균열로의 전이를 겪을 수 있다.
측정 방법들의 특정 실시예들
도 17을 참조하면, 접촉 역학 테스트가 기판 재료(1)에서 원하는 미세변형 응답을 유도하기 위해 2개의 접촉 요소(43)를 갖는 스타일러스(20)로 수행되고, 이 미세변형을 포함하는 잔류 기판 표면(17)이 잔류 기판 표면 측정 디바이스(39)로의 특성화를 위해 후속적으로 유지되는 방법의 일 실시예가 도시된다. 접촉 요소들(43) 사이에 규정된 공간은 신장 통로(31)를 나타낸다. 측정은 테스트 동안 미세변형들이 생성되고 있는 동안에 또는 테스트가 완료된 후에 발생할 수 있다.
도 18-23은 접촉 또는 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스들을 이용하는 특성화 기법들과 함께 미세변형들을 포함하는 잔류 기판 표면들(17)의 다수의 실시예를 도시한다. 도 18 내지 20은 비접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스(91)와 함께 도시되는 반면, 도 21 내지 23은 접촉 잔류 기판 표면 측정 디바이스(93)와 함께 도시된다. 도 18, 19, 21 및 22에서, 미세변형들은 마찰 슬라이딩 모드에서 동작하는 스타일러스로부터 생성되며, 미세변형의 배향은 스타일러스 기하구조 및 배향에 의존한다. 도 18 및 21은 재료의 가로 방향에서의 접촉 역학 테스트들로부터의 잔류 기판 표면들(17)을 도시하는 반면, 도 19 및 22는 기판 표면에 수직인 짧은 가로 방향에서의 접촉 역학 테스트들로부터 잔류 기판 표면들(17)을 도시한다. 일 실시예에서, 스타일러스들은 기판의 방향성 재료 속성들을 측정하는 데 사용되어, 세로, 가로 및 짧은 가로 방향 미세변형 저항의 측정을 가능하게 한다. 도 20 및 23은 압입 모드 접촉 역학 테스트들에 고유한 잔류 기판 표면들(17)을 도시한다. 잔류 기판 표면 측정 디바이스는 레이저 간섭계와 같은 광학 기구들 및/또는 조면계들(profilometers)과 같은 접촉 기구들을 포함할 수 있다. 또한, 도 18-23에 도시된 잔류 기판 표면 측정 디바이스들은 또한 잔류 기판 표면(17)에 대하여 소정의 각도로 기울어져서 균열 표면들의 더 양호한 접근을 가능하게 할 수 있다. 이러한 잔류 기판 표면 측정 디바이스들은 표면 거칠기, 크랙 길이 및 표면적과 같은 잔류 기판 표면의 양측 상의 미세변형의 특정 특성들을 조사한다. 미세변형은 또한 현미경 검사 또는 야금술을 사용하여 검사될 수 있다. 미세변형과 관련된 잔류 기판 표면의 양측이 조사될 수 있다.
방법의 일부 실시예들에서, 스타일러스 상의 반동력들은 하나 이상의 국부적인 배향에 대해 모니터링된다. 반동력들은 전체 접촉 역학 테스트에 대해 또는 제한된 부분에 대해서만 모니터링될 수 있다. 스타일러스 상의 힘들은 또한 미세변형 개시의 순간을 결정하기 위해 일정한 힘 또는 낮은 힘에서 높은 힘으로 상승하는 힘으로도 인가될 수 있다. 스타일러스 상의 힘들은 재료에 인가되는 등가 크랙 구동력을 결정하기 위해 기판과 스타일러스의 상호 작용의 분석적 또는 수치적 계산들과 결합될 수 있다. 미세변형 전파 순간의 크랙 구동력은 재료의 균열 인성과 관련된다.
미세변형 속성 상관성(Micromodification Property Correlation)의 특정 실시예들
잔류 기판 표면으로부터 얻어지는 미세변형의 특성들의 측정들 및/또는 스타일러스 상의 반동력들은 기판의 재료 속성들과 관련될 수 있다. 이것은 스트레스 세기 인자, 에너지 방출률, J 적분, 표면 에너지, 균열 에너지, R 곡선 파라미터들 및 CVN과 같은 균열 인성 속성들을 포함한다. 크랙 팁 개구 변위(CTOD) 및 크랙 팁 개구 각도(CTOA)와 크게 상관되는 크랙킹의 모드 I(장력 모드)과 같은 특정 모드들도 조사될 수 있다. 일 실시예에서, 모드 I 및 모드 II(전단) 로딩의 결합으로 로딩된 미세변형의 팁에서의 스트레스 및 스트레인 조건들과 유사한 조건들이 생성된다. 다른 실시예에서, 모드 I 및 모드 II 로딩 기여들의 상대적 비율은 미세변형 프로세스의 분석 또는 수치 모델들을 통해 정량화된다.
수치 모델들은 주어진 재료 조건, 마찰 계수 및 스타일러스 기하구조에 대해 유도된 완전한 응력 및 변형 장의 고려를 가능하게 하는 유한 요소 분석 시뮬레이션들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 유한 요소 분석 모델들은 J 적분 계산들을 통해 주어진 크랙 기하구조, 스타일러스 기하구조 및 침투 깊이에 대한 크랙 구동력을 결정하기 위해 재료 소성 및 비탄성(inelasticity)을 고려한다. 다른 실시예에서, 유한 요소 분석은 방향성 스트레스 세기 인자들 또는 임계 에너지 방출률과 같은 선형 탄성 균열 역학(LEFM)과 일치하는 값들을 출력한다. 재료와 접촉 조건들의 큰 결합에 대한 파라미터 연구들을 수행함으로써, 실험 조건들의 함수로서 크랙 구동력을 간주하여 치수 분석을 통해 예측 함수들이 얻어질 수 있다. 연성 금속들의 경우, 항복 강도 및 스트레인 경화 지수는 인장 테스트, 자동 볼 압입 또는 마찰 슬라이딩과 같은 적절한 수단을 통해 측정되거나 알려져야 할 것이다. 또한, 실험 측정들을 통해 얻은 크랙 구동력은 균열 인성과 관련될 수 있는 미세변형 전파와 관련된 임계치일 것이다. 다른 실시예에서, 재료의 소성 및 균열 속성들 양자를 포함하는 명시적인 손상 기반 유한 요소 분석 시뮬레이션들이 수행된다. 이 접근법은 실험 결과들과 비교될 수 있는 잔류 기판 표면에 남아있는 띠의 치수들의 예측을 가능하게 한다. 손상 기반 유한 요소 분석 시뮬레이션들은 정수 스트레스 컴포넌트들, 스트레스 3축성, 최대 주 스트레스 또는 스트레인 및 추가 파라미터들의 영향을 포함하여 조사되는 기판 재료에 적합한 손상 개시에 대한 재료 모델을 필요로 한다. 다른 실시예에서, 변형률 의존 재료 데이터는 손상 응답에 대한 변형률의 영향을 평가하는 데 사용된다.
다른 실시예에서, 크기 효과들 및 평면 스트레인 또는 평면 스트레스 로딩 조건들의 효과도 고려될 수 있다. 다수의 테스트가 미세변형들을 겪는 재료의 띠 내에서의 정수 스트레스들 및 제약의 양을 제어하는 다양한 신장 통로 치수들로 기판 재료에 대해 수행될 수 있다. 다른 실시예는 변형되지 않은 기판의 표면 아래의 다수의 침투 깊이에서 스타일러스로 마찰 슬라이딩 테스트들을 수행한다. 침투 깊이가 증가함에 따라, 미세변형들을 겪는 재료에 더 큰 제약이 가해진다. 기판 균열 인성에 따라, 평면 스트레인 조건들 및/또는 소규모 항복 조건들이 침투시에 큰 신장 통로 폭 및 깊이에 대해 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 머시닝에 필요한 스타일러스 상의 힘들은 동일한 전체적인 기하구조를 갖지만 하나의 스타일러스는 신장 통로를 포함하고 다른 하나는 신장 통로를 포함하지 않는 2개의 스타일러스를 사용하여 접촉 역학 테스트를 수행함으로써 미세변형 분리에 필요한 힘들로부터 분리된다. 신장 통로가 없는 스타일러스는 재료를 머시닝하는 데 필요한 힘을 측정할 것이며, 신장 통로가 있는 스타일러스는 재료를 머시닝하고 분리하는 데 필요한 힘을 측정할 것이다. 유사한 접촉 조건들에 대해, 분리의 힘은 분리된다(decoupled). 다른 실시예에서, 마찰 슬라이딩 테스트들이 머시닝 스타일러스로 다수의 침투 깊이에서 수행되며, 따라서 침투 깊이의 함수로서의 머시닝 힘이 얻어질 수 있다. 또한, 신장 통로가 있는 스타일러스를 사용하여 머시닝 힘 대 깊이 함수의 한계들(limits of the machining force vs. depth function) 내의 임의의 침투 깊이에서 테스트할 수 있다.
수치적 또는 분석적 수단을 통해 얻어진 예측 함수들에 더하여, 테스팅 결과들의 데이터베이스를 사용하여 경험적 함수들을 도출할 수 있다. 이것은 접촉 역학 테스트에서 측정된 응답과 벌크 실험에서 얻은 값 간의 직접적인 관계를 가능하게 한다. 벌크 실험들은 모드 I 또는 모드 II 로딩 및 샤르피 V 노치 값들에서의 균열 인성 테스트들을 포함한다. 또한, 치수 분석은 벌크 실험들을 접촉 역학으로부터의 미세변형 특성들과 관련시키는 데 사용될 수 있다.
위의 설명은 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들을 개시하였지만, 이 분야의 기술자들은 본 발명의 진정한 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 장점들 중 일부를 달성하는 다양한 변경들을 행할 수 있음이 명백해야 한다.
Claims (19)
- 기판에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 장치로서,
적어도 2개의 접촉 요소들을 갖는 스타일러스로서, 각각의 접촉 요소는 접촉 프로파일을 가지고, 상기 접촉 요소들은 상기 스타일러스 내에 배치되어 그들 사이에 신장 통로(stretch passage)를 규정하며, 상기 스타일러스는 상기 기판을 변형시켜 띠(ligament)를 형성하고 상기 기판을 상기 접촉 요소들 사이에서 유동하게 하며 상기 신장 통로 내에서 상기 띠에 장력을 유도하여 상기 기판에 미세변형들을 생성 및 유지하도록 구성되는, 스타일러스; 및
상기 기판이 상기 스타일러스에 의해 변형될 때 상기 스타일러스를 기판 표면을 따라 측방으로 이동시키도록 구성된 시스템을 포함하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스타일러스는 다수의 배향의 상기 미세변형들을 생성 및 유지하도록 더 구성되며, 상기 다수의 배향은 (a) 상기 스타일러스가 상기 기판의 변형되지 않은 표면에 평행하게 이동할 때 상기 변형되지 않은 표면에 대해 수직이거나 가로지르는 개구 및 (b) 압입 모드 동안 이동 방향에 대해 수직이거나 가로지르는 개구 중 적어도 하나를 포함하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스타일러스에 결합되며 마찰 슬라이딩 모드 또는 압입 모드에서 상기 스타일러스의 이동을 제공하도록 구성된 맞물림 메커니즘을 더 포함하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스타일러스에 결합되며 상기 스타일러스의 이동을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 맞물림 메커니즘; 및
상기 적어도 하나의 맞물림 메커니즘에 결합되며 상기 기판에 대한 상기 스타일러스의 배향 및 위치 중 적어도 하나를 확립하도록 구성된 정렬 메커니즘
을 더 포함하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스타일러스에 결합되며 상기 스타일러스의 이동을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 맞물림 메커니즘; 및
상기 적어도 하나의 맞물림 메커니즘 중 하나 이상에 결합되며 상기 스타일러스가 이동할 때 상기 미세변형들과 관련된 상기 기판 표면의 특성들을 측정하는 기판 표면 측정 디바이스
를 더 포함하는, 장치. - 기판상에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 방법으로서,
제1항에 기재된 바와 같은 스타일러스를 제공하는 단계;
상기 스타일러스를 상기 기판에 맞물리게 하는 단계; 및
상기 스타일러스를 이동시켜 접촉 역학 테스트를 수행하여 상기 기판에 잔류 기판 표면을 생성하고 상기 잔류 기판 표면을 유지하는 단계
를 포함하며, 상기 잔류 기판 표면은 미세변형들을 갖는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 기판 내의 상기 미세변형들과 관련된 상기 잔류 기판 표면의 특성들을 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 스타일러스가 상기 기판에 상기 미세변형들을 생성할 때 상기 스타일러스 상에서 반동력들을 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
신장 통로를 갖지 않는 추가적인 스타일러스를 제공하는 단계;
상기 추가적인 스타일러스를 상기 기판에 맞물리게 하는 단계; 및
상기 추가적인 스타일러스를 이동시켜 기판 응답을 생성하는 단계
를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 기판 내의 상기 미세변형들과 관련된 상기 기판 표면의 특성들을 측정하거나 상기 스타일러스 상에서 반동력들을 측정하는 단계; 및
예측 알고리즘들에서 상기 잔류 기판 표면 및 상기 반동력들 중 적어도 하나의 상기 측정을 이용하여 미세변형 개시 및 전파에 대한 그의 저항과 관련된 상기 기판의 기계적 속성들을 결정하는 단계
를 더 포함하는, 방법. - 제10항에 있어서,
미세변형 개시 및 전파에 대한 상기 저항을 결정할 때 소성 재료 속성들을 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 기판 내의 상기 미세변형들과 관련된 상기 기판 표면의 특성들을 측정하거나 상기 스타일러스 상에서 반동력들을 측정하는 단계; 및
예측 알고리즘들을 개발하기 위해 상기 기판 표면 및 상기 반동력들 중 적어도 하나의 상기 측정을 사용하여 재료 속성들 및 스타일러스 기하구조에 기초해서 응력-변형 장을 특성화하는 수치 모델들과 비교하는 단계
를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 기판 내의 상기 미세변형들과 관련된 상기 기판 표면의 특성들을 측정하는 단계; 및
경험적 데이터베이스를 사용하여 상기 기판 표면의 상기 측정을 상기 기판의 기계적 속성들과 관련시키는 단계
를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
연성-취성 전이를 결정하기 위해 온도 및 스타일러스 속도 중 적어도 하나를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
미세변형 개시 및 전파에 대한 그의 저항과 관련된 상기 기판에 대한 재료 제약의 영향을 평가하기 위해 상이한 스타일러스 침투 깊이 및 신장 통로 폭 중 적어도 하나에 의해 제6항의 단계들을 반복하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 스타일러스를 이동시켜 상기 기판상에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 단계는 압입 모드에서 수행되는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 스타일러스를 이동시켜 상기 기판상에서 접촉 역학 테스트를 수행하는 단계는 마찰 슬라이딩 모드에서 수행되는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 추가적인 스타일러스를 이동시켜 기판 응답을 생성하는 단계는 압입 모드에서 수행되는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 추가적인 스타일러스를 이동시켜 기판 응답을 생성하는 단계는 마찰 슬라이딩 모드에서 수행되는, 방법.
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| Kang et al. | Determination of Fracture Behavior of AA6060 Aluminum Alloy Extrusion Using Digital Image Correlation© Her Majesty the Queen in Right of Canada, as represented by the Minister of Natural Resources, 2015. | |
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| Ohms | Tearing Resistance of High Strength Line Pipe Steels | |
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| Najafabadi | Analysis of the Cyclic Behavior and Fatigue Damage of Low Alloy Steels |
Legal Events
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