KR20010060853A - 지연파괴 균열길이 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소발생분위기에서 하중이 가해지는 강재에 균열이 진전되어 강재가 파단하는 지연파괴를 실험하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 균열길이에 따른 미세한 전기저항의 변화를 이용하여 외부에서 연속적으로 지연파괴길이를 측정할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수소발생 수용액내의 노치시험편에 하중을 가하여 지연파괴를 측정하는 실험방법에 있어서, 노치시험편들에 다양한 길이의 인공균열을 각각 형성하는 단계; 상기 인공균열이 형성된 시험편의 길이방향으로 전류를 공급하면서, 상기 노치의 양단에서 전위차를 측정하는 단계; 상기 균열길이와 측정된 전위차의 상관관계를 구하는 단계; 실제 지연파괴측정실험에서, 시험편의 길이방향으로 전류를 공급하면서 시간에 따른 전위차를 측정하는 단계;

이 측정된 전위차를 상기 상관관계에 대입하여 시간에 따른 균열길이를 구하는 단계;를 포함하여 이루어지는 지연파괴 균열길이 측정방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

지연파괴 균열길이 측정방법{Method for crack length measurement during delayed fracture}

본 발명은 수소발생분위기에서 하중이 가해지는 강재에 균열이 진전되어 강재가 파단하는 지연파괴을 실험하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전위차를 이용하여 시험편에 하중을 부가한 시점부터 균열의 길이변화를 정확하게 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고강도합금을 수소발생분위기에서 하중을 가하면, 시간이 경과함에 따라서 시험편의 균열선단부로 수소가 침입하게 되어 균열이 진전하게 되는 현상이 발생한다. 이처럼 수소에 의한 재료의 파단현상은, 하중을 가하는 순간에는 균열이 진전되지 않으나 시간의 경과와 함께 수소가 재료내의 특정지역으로 확산해 들어가서 균열이 진전되는 특징이 있기 때문에 흔히 지연파괴현상이라고 부르고 있다. 이러한 지연파괴현상은 반드시 수소가 발생하는 분위기내에서 재료가 하중을 받고 있을 때 일어난다.

수소의 발생분위기는 기체상태의 수소, 수소가 전기화학적으로 발생할 수 있는 용액, 습도가 높은 공기 등을 들 수 있다. 특히, 수소발생 용액의 경우에는 전기화학적으로 수소발생압력이 약 10,000기압 이상이 될 수도 있기 때문에 지연파괴시험을 하는 경우 흔히 사용하는 방법이다. 도 1에는 지연파괴실험의 개략도가 제시되어 있으며, 도 1에서 1은 시험편이고, 4는 수소발생용액이다.

지연파괴현상에 대한 재료의 민감성의 평가로서, 균열전파의 잠복시간과 전파시간을 측정하는 방법이 있다. 여기서, 잠복시간은 초기균열이 진전하기 시작하는 시간을 말하며, 전파시간은 잠복시간 이후부터 균열이 전파함에 따라 재료의 단면적이 줄어들어 외부에서 가해진 하중을 지탱하지 못하여 기계적으로 파단이 일어나는 순간까지의 시간을 말한다. 보다 정확한 민감성 평가방법으로서 외부에서 가해준 하중에 따른 균열전파속도의 변화를 측정하는 방법이 있다. 그러나, 재료의균열발생부위가 용액내에 침적되어 있기 때문에 지연파괴시험동안에는 균열의 길이를 측정하기가 곤란하다. 따라서, Wire Journal International 1992년도 8월호 49∼58쪽에 나타난 바와 같이, 종래에는 하중을 부가하는 시점부터 시험편의 기계적 파단시점까지의 시간을 파단시간으로 정하고, 이 파단시간을 사용하여 지연파괴에 대한 민감성의 지표로 사용해왔다.

잠복시간과 전파시간의 합인 파단시간만으로 재료의 지연파괴특성을 평가하게 되면, 지연파괴균열의 잠복시간과 전파시간이 각각 재료의 종류에 따라서 어떻게 영향을 받는지를 평가하는 것이 불가능하며, 또한, 하중에 따른 균열의 전파속도변화를 평가하는 것은 더욱 불가능하다. 실제로 지연파괴균열의 잠복시간은 균열선단의 곡률에 따라 매우 민감하게 변화하기 때문에 재료고유의 특성을 반영하는 것이 될 수가 없고, 단지 전파시간 또는 전파속도가 재료의 지연파괴에 대한 민감도를 평가하는 지표가 될 수 있다. 따라서, 하중을 부가한 시점부터 균열길이변화를 정확하게 측정하는 방법이 있다면, 상기의 잠복시간을 제외한 전파시간동안의 균열전파속도를 정확하게 측정할 수 있게 되고, 그 결과로부터 재료의 지연파괴에 대한 민감도를 평가하는 것이 가능하다. 그러나, 현재로서는 그 대안이 전무한 실정이다.

본 발명은 지연파괴균열의 길이변화를 외부에서 연속적으로 정확하게 측정하는 방법에 대해서 깊이 있게 연구하여 안출된 것으로, 균열길이에 따른 미세한 전기저항의 변화를 이용하여 지연파괴길이를 측정할 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 지연파괴 실험장치의 일례도

도 2는 균열길이와 전위차의 관계를 나타내는 캘리브레이션 곡선

도 3은 본 발명에 따라 시험편의 균열길이로 전류를 부여하여

전위차를 측정하는 실험의 일례도

도 4는 본 발명의 실시예에 사용된 시험편의 일례도

도 5는 지연파괴실험결과를 응력확대계수에 따른 균열전파속도의 변화를

나타내는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지연파괴길이 측정방법은, 수소발생 수용액내의 노치시험편에 하중을 가하여 지연파괴를 측정하는 실험방법에 있어서,

노치시험편들에 다양한 길이의 인공균열을 각각 형성하는 단계;

상기 인공균열이 형성된 시험편의 길이방향으로 전류를 공급하면서, 상기 노치의 양단에서 전위차를 측정하는 단계;

상기 균열길이와 측정된 전위차의 상관관계를 구하는 단계;

실제 지연파괴측정실험에서, 시험편의 길이방향으로 전류를 공급하면서 시간에 따른 전위차를 측정하는 단계;

이 측정된 전위차를 상기 상관관계에 대입하여 시간에 따른 균열길이를 구하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자는 시험편에 균열이 발생하면 이 균열의 길이에 따라 균열양단에서의 전기저항이 변화하기 때문에, 시편 길이방향으로 일정전류를 공급하게 되면 균열양단에서 전위차의 변화가 발생하고, 이 전위차는 균열길이와의 일정한 상관성을 갖는다는데 주목하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명에서 따라 균열양단의 전위차로서 균열길이를 측정하려면, 먼저 균열길이와 전위차의 상관관계를 구하고, 이 상관관계를 이용하여 실제 지연파괴측정실험에서 측정되는 전위차를 사전에 구해놓은 상관관계에 대입하여 균열길이를 구한다. 균열길이와 전위차의 상관관계는, 캘리브레이션 커브(Calibration Curve) 또는 상관식으로 구하여 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 균열길이와 전위차의 상관성을 구하는 방법의 일례를 단계별로 자세히 설명한다.

노치시험편에 미세한 톱으로 균열을 형성하고, 이 균열이 형성된 노치시험편에 전류를 흘려주면서 전위차를 측정하여 해당 균열길이에 대한 전위차를 기록해둔다. 점차적으로 균열길이를 증가시키면서 해당 균열길이에 대한 전위차를 계속적으로 기록한다. 여러가지 균열길이에 따른 전위차 값들을 그래프로 그려서 캘리브레이션 커브를 작성한다.

도 2에는 캘리브레이션 커브의 한 예가 제시되어 있다. 도 2에서 균열길이 (a/a₀)는 노치시험편의 노치의 깊이를 a₀라 하고, 노치팁에서 인공균열을 만들고 최초의 노치깊이와 인공균열깊이의 합을 균열길이 즉, a로 하여 표기한 것이다. 또한, 전위차(V/V₀)는 노치만 있을때의 전위차를 V로 하고, 균열길이가 a일 때의 전위차를 V₀로 하여 표기한 것이다. 도 2의 캘래브레이션 커브에서 적절한 방식으로 회귀식(상관식)을 만들어 이를 사용할 수 있다.

상기와 같이, 균열길이와 전위차의 상관관계를 사전에 구한 다음에, 상관관계를 구한 시험편과 동일한 형상의 시험편을 가지고 지연파괴실험시 시간에 따른 균열길이의 변화를 연속적으로 측정한다. 이 측정된 전위차로부터 캘리브레이션 커브를 이용하여 균열길이로 환산하면, 시간에 따른 균열길이의 변화를 외부에서 측정할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명에서는 균열길이와 전위차의 상관관계를 구할 때 전위차 측정지점과 실제 지연파괴실험시의 측정지점이 동일하게 하는 것이 바람직한데, 이는 측정치의 정확성을 높이기 위해서이다. 도 3에는 노치시험편의 양단에 전위차 측정위치의 예를 보여주고 있다. 도 3에서 2는 시험편의 길이방향으로 전류를 흘려주기 위한 전원이고, 3은 균열주위의 전위차를 측정하기 위한 수단이다.

또한, 본 발명에서 노치시험편의 노치양단에 전위차는 다음의 2가지 이유에서 1mV이하가 되도록 전류를 공급하는 것이 바람직하다.

첫째, 지연파괴균열은 그 특징상 취성파괴균열이기 때문에 균열선단에서의재료내 소성변형이 매우 작다. 따라서, 균열선단에 가까워질수록 균열양단이 극히 가깝게 된다. 일반적으로 수용액은 약한 전도체이기 때문에 균열양단의 전위차가 과다하게 크게 되면 시험편내부를 지나가야 하는 전류가 수용액을 거쳐서 흐를 우려가 있다. 이렇게 되면 정확한 시험편의 길이를 측정하는 것이 불가능해진다.

둘째, 균열양단의 전위차가 과도하게 크게 되면 균열면을 따라서 형성되는 전위의 변화에 의해서 수용액과 접촉하고 있는 균열표면에서의 전기화학적 반응속도가 영향을 받게 된다. 이렇게 되면 수소발생속도 및 재료내부로의 수소침투반응이 영향을 받게 되어 정확한 실험을 할 수 없게 되기 때문이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

아래 표 1의 저합금강을 담금질처리한 후 200℃에서 1시간 뜨임처리를 하여 인장강도가 1,950MPa이 되도록 하였다. 지연파괴실험용 시험편은 도 4에 실제수치와 함께 나타내었으며, 균열양단의 전위차 측정위치점 사이의 거리는 12mm가 되도록 하였다.

화학조성(중량%)
C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	P	S
0.40	0.20	0.77	1.81	0.74	0.15	0.011	0.014

지연파괴시험 수용액은 증류수에 3.5중량%의 소금을 첨가하였다. 시험편의 양단에 2A의 전류를 흘려줌으로써 균열양단에서의 전위차가 실험시간동안에 1mV를 넘지 않도록 하였다. 비교를 위해 시험편양단에 전류를 3A를 흘러주었을 경우 균열이 많이 진전되었을 때, 균열양단에서의 전위차가 1mV를 넘게 되어 정확한 실험이 불가능하였다.

이렇게 하여 측정되는 시간에 따른 전위차를 도 3에 캘리브레이션 커브를 이용하여 균열길이로 구하고, 이를 다시 균열전파속도로 환산하여 도 4에 나타내었다.

도 4에서 응력확대계수가 어떤 임계치를 넘게 되면 균열이 전파하기 시작하여 균열전파속도가 응력확대계수의 증가와 함께 빨라지는 단계를 거쳐서 응력확대계수의 증가에도 불구하고 지연파괴 균열전파속도가 변화하지 않고 포화되는 단계를 나타내는 전형적인 지연파괴의 거동을 나타내고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 하중을 부가한 시점부터 균열길이변화를 정확하게 외부에서 연속적으로 측정할 수 있음에 따라 지연파괴에 대한 민감도를 평가하는 것이 가능한 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 수소발생 수용액내의 노치시험편에 하중을 가하여 지연파괴를 측정하는 실험방법에 있어서,

   노치시험편들에 다양한 길이의 인공균열을 각각 형성하는 단계;

   상기 인공균열이 형성된 시험편의 길이방향으로 전류를 공급하면서, 상기 노치에 접하는 시편 양 평탄부의 전위차를 측정하는 단계;

   상기 균열길이와 측정된 전위차의 상관관계를 구하는 단계;

   실제 지연파괴측정실험에서, 시험편의 길이방향으로 전류를 공급하면서 노치에 접하는 시험편의 양 평탄부에서 시간에 따른 전위차를 측정하는 단계;

   이 측정된 전위차를 상기 상관관계에 대입하여 시간에 따른 균열길이를 구하는 단계;를 포함하여 이루어지는 지연파괴 균열길이 측정방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 시험편 길이방향의 전류공급은 노치에 접하는 시험편의 양 평탄부의 전위차가 1mV이하가 되도록 함을 특징으로 하는 지연파괴 균열길이 측정방법.