KR20030025651A - Small punch-fatigue tester and evaluation method of fatigue property and strength - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미소시험편을 이용하여 공학재료의 대표적인 재료 거동인 피로 특성과 강도를 효과적으로 평가하기 위하여 개발된 시험용 장치와 시험방법에 관한 것이다. 대부분의 산업용 기계 및 구조물들은 사용할 때 규칙적, 혹은 불규칙적인 변동 외력에 의하여 반복적인 응력의 영향을 받게 된다. 이러한 응력의 크기가 정적 시험에서 얻어진 재료의 강도보다 훨씬 작은 값 또는 탄성한도보다 작은 응력이 작용하여도 오랫동안 반복되면 균열이 개시, 전파하여 최종 파괴에 이르게 된다. 이러한 거동을 피로파괴라 하며 모든 산업용 구조물의 주요 파손 원인으로 작용하므로 설계 시 재료의 피로 특성과 강도는 반드시 고려되어져야 하는 필수적인 시험 항목이다.The present invention relates to a test apparatus and a test method developed to effectively evaluate fatigue characteristics and strength, which are typical material behaviors of engineering materials, using micro test pieces. Most industrial machines and structures are subject to repeated stresses when used with regular or irregular fluctuating external forces. If the magnitude of such stress is repeated for a long time even if a value much smaller than the strength of the material obtained in the static test or a stress smaller than the elastic limit is applied, the crack will start and propagate, leading to final failure. This behavior is called fatigue failure and it is a major cause of failure of all industrial structures, so the fatigue properties and strength of materials must be considered in the design.
종래 공학 재료의 피로특성과 강도는 비교적 대형의 실린더형 또는 판상의 시험편을 상용화된 기존의 피로시험기에 장착하여 평가되어 왔으며, 이에 대해 현재까지도 국내외적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 이러한 시험방법을 통해 얻어진 피로특성의 데이터들이 기계 및 구조물의 안전 설계에 큰 기여를 하였음에도 불구하고 점차 다양화, 복잡화, 가혹화되어가는 산업환경에 처한 공학 구조물의 피로거동을 효과적으로 평가하는데 한계를 안고 있다. 즉, 미국의 ASTM이나 일본의 JIS에서 규정하고 있는 피로시험편은 비교적 대형의 형태로서 시험편의 채취 및 가공, 대상 재료가 처한 시험환경의 구성 시 시험자에게 시간적, 경제적 측면의 어려움을 요구하고 있다. 또한 설계년도을 초과하여 사용되고 있는 대형 구조물의 피로 저항성에 대한 현 상태 진단 시 대형의 표준 시험편을 다량 채취하여 피로시험을 수행한다는 것은 매우 어렵다. 아울러 최근 고가의 다양한 기능성 재료와 생체재료, 전자재료 등의 개발 추세에 맞추어 이들 재료로 제작된 제품의 신뢰성 확보 측면에서 대표적인 기계적 특성인 피로거동을 시험하고자 기존의 시험방법을 이용한다는 것은 매우 비효율적이며, 평가 자체도 매우 곤란하다.Fatigue characteristics and strength of the conventional engineering materials have been evaluated by mounting a relatively large cylindrical or plate-shaped test specimen to the conventional fatigue tester commercialized, and many studies have been conducted domestically and internationally. However, despite the fact that the data of fatigue characteristics obtained through these test methods have contributed greatly to the safety design of machinery and structures, there is a limit to effectively evaluating the fatigue behavior of engineering structures in an increasingly diverse, complex, and harsh industrial environment. Holding it. In other words, the fatigue test specimens specified in the US ASTM and JIS JIS are relatively large in size, requiring the tester to have difficulty in time and economics when collecting and processing the test specimens and configuring the test environment in which the target material is located. In addition, it is very difficult to carry out a fatigue test by collecting a large number of large standard specimens when the current state diagnosis of the fatigue resistance of a large structure used beyond the design year. In addition, it is very inefficient to use existing test methods to test fatigue behavior, which is a representative mechanical property, in terms of securing reliability of products made from these materials in line with the development trend of various expensive functional materials, biomaterials, and electronic materials. The evaluation itself is also very difficult.
상기와 같은 배경 및 문제점으로부터 본 발명은 10×10×0.5tmm, φ6×0.5tmm의 크기를 갖는 미소시험편(1)을 사용하는 소형펀치(Small Punch ; SP) 시험을 이용하여 공학재료의 대표적인 재료 거동인 피로특성과 강도를 평가하는 새로운 피로시험 방법(이하 소형펀치-피로 시험법)과 시험장치를 제공하고자 한다.From the above background and problems, the present invention utilizes a small punch (SP) test using a small test piece 1 having a size of 10 × 10 × 0.5 t mm and φ6 × 0.5 t mm. A new fatigue test method (hereinafter, small punch-fatigue test method) and test apparatus for evaluating fatigue properties and strength, which are representative material behaviors, are provided.
이와 같은 시험 기술은 금속 및 비금속의 모든 공학재료를 대상으로 피로특성과 강도를 시간적, 경제적 측면에서 효율적으로 평가함은 물론 사용 중인 설비 부재에서 공학적으로 중요한 취약부위에 대한 고유한 피로특성과 피로강도 평가 시 매우 유용한 시험방법으로 사료된다.This test technology effectively evaluates the fatigue characteristics and strengths in terms of time and economics for all engineering materials, both metal and nonmetal, as well as the inherent fatigue characteristics and fatigue strengths for the engineeringally important weak parts in the equipment in use. This is a very useful test method for evaluation.
도 1은 본 발명에서 개발한 소형펀치-피로 시험장치 및 주변장치의 개략도Figure 1 is a schematic diagram of a small punch-fatigue test apparatus and peripheral devices developed in the present invention
도 2는 본 발명의 실시 예에 사용된 비소시험편의 체결 부위에 대한 상세 개략도,Figure 2 is a detailed schematic diagram of the fastening site of the arsenic test piece used in the embodiment of the present invention,
도 3은 소형펀치-피로 시험에서 얻은 부하축 변위-피로 반복수 거동을 나타낸 그래프 도,3 is a graph showing the load-axis displacement-fatigue repetition behavior obtained in the small punch-fatigue test;
도 4는 소형펀치-피로 시험에서 얻은 하중-피로 파단수명의 거동을 나타낸 그래프 도Figure 4 is a graph showing the behavior of load-fatigue failure life obtained in the small punch-fatigue test
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
1 : 시험편 2 : 소형펀치 지그의 상부다이1: Test piece 2: Upper die of small punch jig
3 : 소형펀치 지그의 하부다이 4 : 펀처3: bottom die of small punch jig 4: puncher
5 : 상부물림장치 6 : 펀처 홀더5: upper gripper 6: puncher holder
7 : 소형펀치 지그 홀더 8 : 상부 플랜지7: small punch jig holder 8: upper flange
9 : 베이스 플랜지 10 : 하부 물림장치9: Base Flange 10: Lower Batch Device
11 : 플랜지 홀더 12 : 크로스헤드11 flange holder 12 crosshead
13 : 로드셀 14 : 주프레임13: load cell 14: main frame
15 : 액추에이터 16 : 제어장치15: actuator 16: control device
17 : 데이터 획득 시스템17: data acquisition system
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 먼저 소형펀치-피로 시험장치를 자체 설계하여 제작 구성한다. 그리고 시험 대상 재료로부터 얻은 박판 두께를 갖는 미소시험편을 이용한 소형펀치-피로 시험장치를 사용하여 재료의 피로특성 및 강도의 평가방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention first designs and manufactures a small punch-fatigue test apparatus. In addition, the present invention provides a method for evaluating the fatigue properties and strength of materials using a small punch-fatigue test apparatus using micro test pieces having a thin plate thickness obtained from the material to be tested.
도 1은 본 발명에서 개발한 소형펀치-피로 시험장치의 전체적인 개략도를, 도 2는 시험편의 체결부위에 대한 상세 개략도를 나타낸 것이다.1 is a general schematic view of a small punch-fatigue test apparatus developed in the present invention, Figure 2 shows a detailed schematic view of the fastening portion of the test piece.
이하, 본 발명에서 제안하고자 하는 소형펀치-피로 시험장치의 구성과 피로 특성 및 피로강도 평가방법의 공정을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration of the small punch-fatigue test apparatus proposed in the present invention, the fatigue characteristics and the process of the fatigue strength evaluation method will be described in more detail.
[소형펀치-피로 시험장치의 구성][Configuration of Small Punch-Fatigue Testing Equipment]
공학용 재료의 피로 특성과 강도를 평가하는 소형천치-피로 시험장치에 있어서,In a small scale tooth-fatigue test apparatus for evaluating the fatigue characteristics and strength of engineering materials
① 소형펀치-피로 시험장치의 중앙부에 위치하며 시험편(1)을 고정하는 소형펀치 지그의 상부다이(2) 및 하부다이(3)와① The upper die 2 and the lower die 3 of the small punch jig, which is located in the center of the small punch-fatigue test apparatus and fixes the test piece 1,
② 상기 소형펀치 지그(2, 3)의 사이에 고정된 시험편(1)에 직접 하중을 부여하는 펀처(4)와(2) a puncher (4) for directly applying a load to the test piece (1) fixed between the small punch jig (2, 3) and
③ 시험기의 상부 물림장치(5)에 고정되어 펀처(4)를 체결, 고정시키는 펀처 홀더(6)와,(3) a puncher holder (6) fixed to the upper gripping device (5) of the tester to fasten and fix the puncher (4),
④ 상기 소형펀치 지그(2, 3)를 위치, 고정시키는 소형펀치 지그 홀더(7)와,④ small punch jig holder (7) for positioning and fixing the small punch jig (2, 3),
⑤ 소형펀치 지그 홀더(7)를 고정시키는 상부 플랜지(8) 및 베이스 플랜지(9)와,⑤ the upper flange (8) and the base flange (9) for fixing the small punch jig holder (7),
⑥ 상부 플랜지(8) 및 베이스 플랜지(9)를 시험기의 하부 물림장치(10)에 연결시키기 위한 플랜지 홀더(11)와,⑥ a flange holder 11 for connecting the upper flange 8 and the base flange 9 to the lower gripper 10 of the tester,
⑦ 시험기 상부의 크로스헤드(12)에 장착되어 하중을 측정하는 로드셀(13)과,⑦ the load cell 13 mounted on the crosshead 12 of the upper part of the tester to measure the load,
⑧ 주프레임(14)에 부착되어 시험편(1)에 반복하중을 부여하는 액추에이터(15)와,(8) an actuator (15) attached to the main frame (14) to impart a repetitive load to the test piece (1),
⑨ 상기 변위 그리고 하중, 피로반복수를 측정 및 조정하고, 디스플레이(Display)하는 제어장치(16)와⑨ The control unit 16 for measuring, adjusting, and displaying the displacement, load, and fatigue repetition number.
⑩ 상기 변위 그리고 하중, 피로반복수 등의 데이터를 실시간적으로 획득 처리하는 데이터 획득 시스템(Data Acquisition System : DAS)(17)으로 구성된 것을 특징으로 하는 소형펀치-피로 시험장치Small punch-fatigue test apparatus, comprising a data acquisition system (DAS) 17 for acquiring and processing data such as displacement, load, and fatigue repetition number in real time.
[소형펀치-피로 시험지그를 이용한 피로 특성 평가 방법][Fatigue Characteristics Evaluation Method using Small Punch-Fatigue Test Jig]
① 소형펀치 시험 지그의 하부다이(3)에 10×10×0.5tmm 혹은 φ6×0.5tmm의 크기를 갖는 박판형 시험편(1)을 놓고 그 위에 상부다이(2)를 놓고 하부다이(3)를 체결하여 소형펀치 지그 홀더(7)에 장착하는 공정과,① Place a thin specimen (1) having a size of 10 × 10 × 0.5 t mm or φ6 × 0.5 t mm on the lower die (3) of the small punch test jig, and place the upper die (2) on the lower die (3). Fastening to the small punch jig holder (7), and
② 시험편(1)에 하중을 부여하는 펀처(4)를 펀처 홀더(6)에 체결하여 상부 물림장치(5)에 고정시키는 공정과,(2) fastening the puncher (4) applying the load to the test piece (1) to the puncher holder (6) and fixing the upper punching device (5);
③ 펀처 홀더(6)에 체결된 펀처를 소형펀치 지그 홀더(7) 상에 체결된 소형펀치 시험 지그의 상부다이(2) 상의 펀처 홀에 위치시키는 공정과,(3) placing the puncher fastened to the puncher holder 6 in the puncher hole on the upper die 2 of the small punch test jig fastened to the small punch jig holder 7;
④ 위치 완료된 소형펀치 지그 홀더(7)를 상부 플랜지(8)와 베이스플랜지(9)에 고정시킨 후 플랜지 홀더(11)를 통해 하부 물림장치(10)에 고정시키는 공정과,④ the position of the small punch jig holder (7) of the position is fixed to the upper flange (8) and the base flange (9) and then fixed to the lower biting device (10) through the flange holder (11),
⑤ 일정 크기의 하중을 펀처(4)를 통해 시험편(1)에 직접 부여하는 공정과,⑤ directly applying the load of a certain size to the test piece (1) through the puncher (4),
⑥ 액추에이터(15)의 왕복운동에 의해 시험편(1)에 부과되는 하중의 반복수와 그에 따른 시험편(1)의 변형 부위의 부하축 방향 변위량을 측정하여 시험 대상 재료의 피로강도와 부여하중에 대한 반복강도계수 및 반복강도지수, 피로한도 등과 같은 공학재료의 피로거동을 평가하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 소형펀치-피로 시험 방법⑥ By measuring the number of repetitions of the load imposed on the test piece 1 by the reciprocating motion of the actuator 15 and the amount of displacement in the load axis direction of the deformation site of the test piece 1, Small punch-fatigue test method comprising the process of evaluating the fatigue behavior of engineering materials such as cyclic strength factor, cyclic strength index, fatigue limit, etc.
이하에서는 상기의 소형펀치 피로시험장치와 시험평가 방법을 이용한 실시 예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the embodiment using the small punch fatigue test apparatus and the test evaluation method.
본 예에 사용된 재료는 현재 고온 고압용 발전설비에 널리 사용되는 재료인 X20CrMoV 121강 이며, 화학적 성분은 아래 표 1과 같다.The material used in this example is X20CrMoV 121 steel, a material widely used in high temperature and high pressure power generation facilities, and the chemical composition is shown in Table 1 below.
소형펀치-피로 시험에 사용되는 미소시험편(1)의 크기는 10×10×0.5tmm 혹은 φ6×0.5tmm으로 제작한다. 피로시험은 펀처(4)를 통하여 하중제어(Load Control) 방식에 의해 5kg∼200kg 범위의 하중을 시험편(1)에 부과한다. 이때 피로하중 사이클의 파형(Waveform)은 피로시험에서 흔히 사용되는 정현파, 삼각파 등을이용하며, 주파수(Frequency)는 피로시험기의 용량에 따라 0.1∼50Hz 까지 가능하다. 본 예에서 부과하중은 30kg∼120kg 범위, 파형은 정현파, 주파수는 10Hz, 하중비(R)는 0의 조건에서 시험을 수행한다. 또한 시험편의 파괴 수명(Nf)은 펀처가 시험편을 완전 관통하였을 때의 반복수(No. of Cycles : N)로 정의한다.Small punch-size of the micro test piece (1) for use in the fatigue test to produce a 10 × 10 × 0.5 t mm or φ6 × 0.5 mm t. The fatigue test imposes a load in the range of 5 kg to 200 kg on the test piece 1 by the load control method through the puncher 4. At this time, the waveform of the fatigue load cycle (Saveform) uses a sine wave, a triangular wave, etc. commonly used in the fatigue test, the frequency (Frequency) is possible from 0.1 to 50Hz depending on the capacity of the fatigue tester. In this example, the test is carried out under the conditions of imposed load in the range of 30kg to 120kg, waveform in sine wave, frequency in 10Hz and load ratio in R. In addition, the fracture life (N f ) of the test piece is defined as the number of cycles (N) when the puncher completely passes the test piece.
시험도중 시험편(1)의 변형 부위의 중앙변위(Central Displacement ; δ)와 하중의 반복수는 제어 장치(16)로부터 측정하며, 여기에서 얻어지는 데이터들은 실시간적으로 데이터 획득 시스템(17)에 저장된다.The central displacement (δ) of the deformation site of the test piece 1 and the number of repetitions of the load during the test are measured from the control device 16, and the data obtained therein are stored in the data acquisition system 17 in real time. .
본 발명에서는 이상과 같이 자체적으로 설계 제작한 소형펀치-피로 시험장치와 미소시험편을 이용한 소형펀치-피로 시험에 의한 공학재료의 피로특성 및 피로강도의 평가방법을 제안하고자 한다.The present invention proposes a method for evaluating the fatigue characteristics and fatigue strength of engineering materials by the small punch-fatigue test apparatus and the small punch-fatigue test using micro-test specimens designed and manufactured as described above.
〈실시예 1〉<Example 1>
도 3은 X20CrMoV 121강의 모재를 대상으로 상온 환경에서 소형펀치-피로시험장치를 사용하여 얻은 피로 반복수(N)에 따른 부하 축방향의 변위(δ)를 나타낸 그림이다.3 is a diagram showing displacement of the load axial direction (δ) according to the fatigue repetition number (N) obtained by using a small punch-fatigue test apparatus in a room temperature environment of the X20CrMoV 121 steel base material.
전체적인 거동을 살펴볼 때, 하중 조건에 따라 각각의 관계 곡선은 상호간에 뚜렷한 차이를 보이고 있으며, 하중 반복수가 증가함에 따라 변위값은 증가하고 있음을 볼 수 있다. 이때, 변위값의 증가 거동은 관계 곡선의 기울기를 볼 때, 각 하중조건에서 공히 3단계의 기울기 거동을 나타내고 있다. 즉, 반복수가 증가함에 따라 변위의 증가가 거의 없는 1단계 거동과, 시험편의 내부에서 반복수의 증가에 따른 미소 균열의 발생 등으로 인해 변위가 일정한 기울기로 증가하는 2단계 영역, 그리고 미소균열의 성장으로 인한 시험편 두께방향으로의 균열 관통, 관통 균열의 반경방향으로의 성장 등으로 인한 변위의 급격한 증가 영역인 3단계 영역으로 구분할 수 있다. 특히 부과하중이 증가됨에 따라 2단계 영역의 곡선기울기가 점차 증가하고 있음을 볼 수 있다.Looking at the overall behavior, the relationship curves show distinct differences depending on the load conditions, and the displacement value increases as the number of load repetitions increases. At this time, the increase behavior of the displacement value indicates the three-step slope behavior under each load condition in view of the slope of the relationship curve. That is, as the number of repetitions increases, the one-step behavior with little increase in displacement, the two-stage region where the displacement increases with a constant slope due to the occurrence of microcracks due to the increase in the number of repetitions inside the specimen, and the It can be divided into three stages, which are areas of rapid increase in displacement due to crack penetration through the crack in the test piece thickness direction and growth of the through crack in the radial direction. In particular, as the applied load increases, the slope of the curve in the second stage is gradually increased.
〈실시예 2〉<Example 2>
도 4는 부과하중(P)과 파괴까지의 반복수(Nf)와의 관계를 나타낸 결과이다. 시험편에 부과된 하중이 작아질수록 파괴까지의 반복수는 증가하고 있음을 볼 수 있다. 또한 본 예에서 적용된 최소 하중인 30kg 조건에서 시험편의 파괴까지의 반복수는 약 1,170,000 사이클로서 부과하중에 따른 파괴까지의 반복수의 전체적인 거동을 볼 때 이 조건이 시험재료의 피로한도(endurance limit)임을 알 수 있다.4 is a result showing the relationship between the imposed load P and the number of repetitions N f until failure. It can be seen that as the load applied to the specimen decreases, the number of repetitions until failure increases. In addition, the number of repetitions to failure of the specimen at 30 kg, the minimum load applied in this example, is about 1,170,000 cycles, and this condition is the endurance limit of the test material. It can be seen that.
피로한도를 나타내는 조건인 30kg의 경우를 제외할 때, 본 예에서 얻은 하중과 파괴까지의 반복수의 관계는 다음과 같은 파워 로우(Power Law)의 관계식으로 표현할 수 있다.Except for the case of 30 kg, which is a condition for indicating a fatigue limit, the relationship between the load obtained in this example and the number of repetitions until breakage can be expressed by the following Power Law relationship.
본 발명에서 얻은 이상과 같은 실험결과들 즉, 부하축 변위(δ)와 하중 반복수(N)와의 관계, 하중(P)과 파괴까지의 반복수(Nf)와의 관계, 그리고 이로부터 얻어진 시험재료의 반복강도계수(A)와 반복강도지수(B)의 평가 등의 결과로부터 미소시험편을 이용한 소형펀치-피로 시험장치 및 평가방법은 공학재료의 피로특성과 강도를 평가하는 새로운 피로시험장치 및 방법으로 적용 가능함을 알 수 있다.Experimental results as described above obtained in the present invention, that is, the relationship between the load shaft displacement (δ) and the number of load repetition (N), the relationship between the load (P) and the number of repetitions (N f ) to failure, and the test obtained therefrom From the results of evaluation of the cyclic strength factor (A) and the cyclic strength index (B) of the material, the small punch-fatigue test device and the evaluation method using the micro test piece are a new fatigue test device for evaluating the fatigue properties and strength of engineering materials and It can be seen that the method is applicable.
상기와 같은 본 발명에 의해 즉, 미소시험편을 이용한 소형펀치-피로 시험장치와 평가방법은 공학재료의 피로특성과 피로강도를 평가 가능하게 한다. 또한 이 같은 발명은 기계 및 구조물의 주요한 파괴 원인으로서 알려져 있는 피로거동을 매우 경제적이고 효과적으로 평가할 수 있는 방법이며, 기존의 시험방법으로는 평가가 곤란한 실기 고응력부나 신소재, 고가재료 등의 피로특성 및 강도 평가가 가능하고, 구조물의 건전성에 악영향을 주지 않는 범위 내에서 준 비파괴적으로 현 상태에서의 재료의 피로강도 평가와 수명예측이 가능하다.According to the present invention as described above, that is, the small punch-fatigue test apparatus and the evaluation method using the micro test piece make it possible to evaluate the fatigue properties and the fatigue strength of the engineering material. In addition, this invention is a very economical and effective method for evaluating fatigue behavior, which is known as a major cause of failure of machinery and structures. It is possible to evaluate the strength and to evaluate the fatigue strength of the material in the present state and to predict its life in a non-destructive manner within the range that does not adversely affect the structural integrity.
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