KR20130115078A

KR20130115078A - 자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소의 응력을 결정하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20130115078A
Application number: KR1020127029344A
Authority: KR
Inventors: 루이지 메를레띠; 가브리엘레 판토니; 루카쉬 미에르자크; 데이비드 씨. 질스
Original assignee: 아구스타웨스트랜드 에스.피.에이.
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2013-10-21
Also published as: US20130116938A1; JP2013526722A; EP2572175A1; ITTO20100095U1; WO2011144998A1; JP5981420B2; CN102971612B; CN102971612A; EP2572175B1; US9488537B2; KR101888073B1; RU2573118C2; RU2012155600A

Abstract

본 발명은 자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소(2)의 유의 응력 값(σ)을 결정하기 위한 시스템(1)에 관한 것으로서, 변동하는 진폭(H)의 자계를 생성하기 위한 발생부(3)와, 상기 자계의 진폭(H)의 변동에 따라서 바르크하우젠 잡음 신호(MBN)를 획득하기 위한 픽업부(4)를 포함하는 시스템(1)에 있어서, 상기 시스템은 자계의 진폭(H)의 변동들에 따라서 신호(MBN)의 최대치(MBNmax)의 역수(1/MBNmax)를 계산하기 위한 처리장치(5)를 포함하고, 상기 처리장치(5)는 상기 최대치의 역수(1/MBNmax)와 상기 유의 응력 값(σ) 사이의 선형 관계를 저장하기 위한 메모리부(15)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소의 응력을 결정하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING STRESS OF A COMPONENT MADE OF MAGNETIZABLE MATERIAL}

본 발명은 구성요소(component)의 응력, 바람직하게는 자화 가능한 물질(magnetizable material)로 이루어진 주로 항공기용 부품의 응력(stress)을 결정하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 항공기 산업에서는 질화강(nitrided steel) 또는 침탄강(carburized steel) 구성요소들을 이용하는데, 이것들은 처음에는 탄소가 혼합되고(carburized - 침탄), 그 다음에는 '숏피닝(shot peening)' 처리되어, 최종적으로는 연마(그라인딩)된다.

숏피닝 처리는 구성요소 표면을 냉간가공(cold working) 하여 그 구성요소의 최외각 층들에서 등방성 잔류압축(isotropic residual compression) 상태를 생성하는 하나의 기계적인 처리공정이다.

연마 공정은 종종 잔류 응력, 미세구조 및 결과적인 마모 및 피로에 대한 저항성과 같은 특성의 견지에서 숏피닝 처리된 구성요소들의 최종적인 표면 조건에 영향을 미친다.

특히, 그라인딩 영역에서 생성된 열의 형태로 에너지의 국부적인 방출은 그라인딩 공정의 파라미터들이 조심스럽게 제어되지 않는다면 그의 표면층에서 심각한 열손실을 야기할 수 있다.

만일 구성요소들의 온도가 뜨임처리 온도(tempering temperature)를 초과한다면, 그라인딩 작업은 야금학적 수준에서 미세구조 마르텐사이트 상변화(martensitic change)를 초래하여, 소위 "과-뜨임 처리된(overtempered)" 마르텐사이트, 즉, 더 부드러운 표면 영역과 기계적 특성에 있어 전반적인 악화를 수반하는 준안정상(metastable phase)으로 귀착된다.

결과적으로, 과-뜨임 처리된 마르텐사이트는 균열의 개시를 가속시킬 수도 있고, 그리고 분쇄 공정은 또한 해당 물질의 잔류 응력 패턴을 변화시킬 수 있다.

최악의 경우에는 재료가 표면 영역에서 압축 잔류 응력과 표면에 가까운 내부 영역에서 인장 잔류 응력(residual tensile stress)을 제공할 수 있어, 재료의 응력에 있어 급격한 변화를 초래하게 된다.

응력의 최종적인 진폭(amplitude)과 균일성은 상당히 변화할 수 있다.

따라서, 구성요소의 피로 저항성에 대한 정확한 평가를 가능하게 하기 위하여, 구성요소들의 응력에 대한 그라인딩의 효과를 판단할 필요성이 업계 내에서 인식되고 있다.

공지의 화학적 식각 성분(etching component) 검사법은 고미세구조 강(heavy microstructural steel)에 대해서만 효과적이고, 일정한 정도의 주관적인 평가를 언제나 수반한다.

게다가, 그것들은 또한 질화강 또는 침탄강 성분들의 잔류 응력에 있어서의 과-뜨임 처리에 의해 야기되는 변화를 판단하기에는 적절히 못하다.

구성요소의 응력을 판단하는 대안적인 방법은 바르크하우젠 효과(Barkhasen Effect)를 활용한다.

바르크하우젠 효과에 따르면, 변하는 자계에 노출된 자화 가능한, 예를 들어, 강자성(ferromagnetic) 물질로 된 구성요소 내의 자속(magnetic flux)은 연속적으로 변하지는 않지만, 이것은 불연속적인(discrete) 변화를 겪게 되어, 스피커에 접속되어 증폭될 수 있는 전압 펄스들을 상기 구성요소에 가까이 놓인 코일에서 유기함으로써, 바르크하우젠 잡음이라고 알려진 음향 펄스를 발생하게 된다.

구성요소 내부의 자속의 불연속적인 변화는 자기 도메인 모서리 부분들의 불연속적인 움직임에 관련된다. 더 상세하게는, 비자화 구성요소에 있어서 자기 도메인은 랜덤 상태로 배열되어 있어 물체의 평균 자화(mean magnetization of body)는 영이다. 외부 자계에 노출되었을 때, 구성요소의 도메인들의 배향(orientation)은 상응하게 변화하는 경향이 있고 인접한 도메인 벽들의 이동을 겪게 되는데, 이에 따라 그 물체의 거시적 자화(macroscopic megnetization)는 해당 구성요소 내에서의 자기의 불연속성으로 인하여 불연속적인(discrete) 변화를 겪게 된다.

바르크하우젠 잡음 특성은 구성요소의 인장 또는 압축 응력에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

바르크하우젠 효과를 이용하여 자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소의 응력을 결정하기 위한, 구현하기에 용이한, 시스템 및 방법의 필요성이 당해 업계에서 인식되고 있다.

또한 상이한 구성요소 깊이들에서 상기 응력을 결정하기 위한, 간편하고 또한 구현하기에 용이한, 시스템 및 방법에 대한 필요성이 인식되고 있다.

본 발명에 따르면, 자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소의 응력을 결정하기 위한 시스템이 제공되는바, 상기 시스템은:

변동하는 진폭(amplitude)의 자계를 생성하기 위한 발생부; 및

상기 자계의 진폭에 있어서의 변동에 따라서 바르크하우젠 잡음 신호를 획득하기 위한 픽업부를 포함하는 것에 있어서,

상기 시스템은 상기 자계의 진폭에 있어서의 변동에 따라서 상기 신호의 최대치의 역수(reciprocal)를 계산하기 위한 처리장치를 포함하고,

상기 처리장치는 상기 최대치의 역수와 유의 응력값(significant stress value) 간의 선형적 관계를 저장하는 메모리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소의 응력을 결정하기 위한 방법이 제공되는바, 상기 방법은:

변동하는 진폭의 자계를 발생하는 과정; 및

상기 자계의 진폭에 있어서의 변동에 따라서 상기 구성요소의 바르크하우젠 잡음 신호를 획득하는 과정을 포함하는 것에 있어서,

상기 방법은, 상기 자계의 진폭에 있어서의 변동을 따라서 상기 바르크하우젠 잡음 신호의 최대치의 역수를 계산하는 과정과; 그리고

상기 최대치의 역수와 유의 응력값 간의 선형 관계에 의하여 상기 구성요소의 유의 응력값을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한, 비한정적인 실시예가 첨부한 도면들을 참조하여 예시적인 방법으로 아래에서 설명될 것이다.
도 1은 자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소의 응력을 결정하기 위한 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 2는 상이한 유의 인가-응력(significant applied-stress) 값들에 대한, 도 1의 시스템에 의해 적용되는 자계의 강도에 있어서의 변동에 따른 유효 바르크하우젠 잡음 신호 값에 대한 그래프를 도시한다.
도 3은 도 2에서와 같은 동일 구성요소에 대한, 유의 인가-응력 값의 변동에 따른 도 2의 바르크하우젠 잡음 신호의 유효 값의 그래프를 도시한다.
도 4는 도 2 및 도 3에서와 같은 동일 구성요소에 대한, 유의 인가-응력 값의 변동에 따른 보자점(coercive point)에서의 비-히스테리시스 차동 자화율(nonhysteretic differential susceptability)의 이론적인 테스트 그래프를 도시한다.
도 5는 도 2, 도 3 및 도 4에서와 같은 동일 구성요소에 대한, 유의 인가-응력 값의 변동에 따른 비-히스테리시스 차동 자화율(nonhysteretic differential susceptability)의 이론적인 테스트 그래프를 도시한다.
도 6은 도 2 내지 도 5에서와 같은 동일 구성요소에 대한, 유의 인가-응력 값의 변동에 따른 최대 유효 바르크하우젠 잡음 신호 값의 역수에 대한 이론적인 테스트 그래프를 도시한다.
도 7 및 도 8은 상이한 물질들의 각각의 구성요소들에 대한, 유의 잔류 응력 값에 있어서, 그리고 도 1에 의해 적용된 자계의 강도에 있어서의 변동에 따른 유효 바르크하우젠 잡음 신호 값에 대한 그래프를 각각 도시한다.
도 9는 도 7 및 도 8에서의 동일 구성요소들에 대한, 유의 잔류 응력 값에 있어서의 변동에 따른 최대 유효 바르크하우젠 잡음 신호 값의 역수에 대한 그래프를 도시한다.

도 1에서 참조기호 1은 자화 가능한(magnetizable) 물질, 바람직하게는, 강자성체(ferromagnetic material)로 이루어진 구성요소(2)의 응력을 결정하기 위한 전체 시스템을 나타낸다.

구성요소 2는 바람직하게는 항공기 구성요소이다.

구성요소 2는 바람직하게는 열처리(heat treatment), 숏피닝(shot peeing) 및 그라인딩(grinding)에 의해 강화되었다.

구성요소 2는 또한 바람직하게는 질화강(nitrided steel) 또는 침탄강(carburized steel)으로 이루어지며, 뜨임처리(tempering) 온도 위로 그라인딩 되었다.

상기 시스템 1은,

- 상이한 주파수 값들 f1, f2,...fi,...fn 및 상이한 진폭 값 H를 갖는 교류 자계를 구성요소 2에서 발생하기 위한 자계 발생부(magnetizing element)(3),

- 상기 구성요소(2) 내에서의 자계의 작용으로부터 유도된 바르크하우젠 잡음의 진폭의 유효 값(MBN)을 결정하기 위한 프로브(probe)(4)와, 그리고

- 상기 프로브(4)에 의해 획득된 바르크하우젠 잡음을 처리하고, 상기 구성요소(2)에서 응력의 유의 값(σ)을 제공하기 위한 처리장치(5)를 포함한다.

더 상세하게는, 구성요소 3은 바람직하게는 교류 발전기(6)에 연결된 권선(winding)(21)이 장착된 페라이트 코어이다.

상기 구성요소 3은 U-자형이고, 구성요소 2의 자유면(free surface)(8)과 직각으로 접촉하는 각각의 단부들을 갖는 두 개의 평행한 암들(arm)(7)과, 그리고 상기 자유면(8)에 평행하고 그로부터 소정 거리만큼 이격된 상기 암들(7) 사이로 연장되는 가로부재(crosspiece)(9)를 포함한다.

상기 구성요소 3에 의해 발생된 자계는 구성요소 2에서 비연속적으로 변하는 자속을 유기한다.

상기 프로브(4)는 권선(10)을 포함하고 있는데, 여기에서 두 개의 마주하는 암들(7) 사이에서 자속의 수직 성분이 획득된다. 상기 구성요소 2에서는 동일한 자속이 존재하고, 유효 값(MBN)의 전압에 있어서 불연속적인(discrete) 점프를 발생시킨다.

각각의 주파수(f1, f2,...fi,...fn)에 대하여 처리장치(5)는 구성요소 3에 의해 인가된 자계의 진폭(H)에 있어서의 변동을 따라서 유효 값(MBN)의 최대치(MBNmax)를 계산한다.

상기 시스템 1은 또한,

- 프로브(4)에 의해 획득된 유효값(MBN)을 증폭하기 위한 증폭기(12)와,

- 유효값(MBN)을 필터링 하기 위한 대역통과 필터(11)를 포함한다.

더 상세하게는, 상기 필터(11)는 아래의 주파수들, 즉,

- 상기 구성요소 2의 검사 영역과 면(8) 사이의 각각의 거리(d1, d2, ... di, ... dn)와 연관된 주파수(f1, f2,...fi,...fn)와, 그리고

- 상기 면(8)으로부터의 거리에 독립적인 임계 주파수(fo) 사이의 유효값(MBN)의 주파수 성분을 통과시키도록 설계되어 있다.

더 상세하게는, 상기 주파수(fi)는 아래 식(1)에 의해 구해진다:

여기서, μ=μoμr은 투자율(magnetic permeability)이고, σe는 전도도(electric conductivity)이고, di는 유의 응력 값(σ)이 결정되는 상기 구성요소 2의 면(8)으로부터의 거리이다.

따라서, 각각의 주파수(f1, f2,...,fi,...fn)는 상기 면(8)으로부터의 상이한 거리(d1, d2, ..., di, ... dn) 만큼의 그에 직각으로 측정된 자계의 소정의 투과에 해당한다.

더 상세하게는, 주파수(f1, f2,...,fi,...fn)가 더 감소할수록 거리(d1, d2, ..., di, ... dn)는 더욱 증가한다.

상기 처리장치(5)는 바람직하게는 각각의 거리(d1, d2, ..., di, ... dn)에 상응하는 각각의 주파수(f1, f2,...,fi,...fn)에 대해 자계의 진폭(H)에 있어서의 변동에 따라 유효값(MBN)의 최대치(MBNmax)의 역수인 1/MBNmax 를 계산하도록 구성되는 한편, 이것은 상기한 유효값(MBN)의 최대치(MBNmax)의 역수인 1/MBNmax 및 유의 응력 값(σ) 사이의 선형의 관계(도 6 및 도 9 참조)를 각각의 주파수(f1, f2,...,fi,...fn)에 대해 저장하는 메모리부(15)를 포함한다.

상기 유의 응력 값(σ)은 단축 응력(mono-axial stress)의 경우에는 인장 또는 압축 응력과, 또는 다축 응력(multi-axial stress)의 경우에는 등가 응력(equivalent stress)과 같다.

각각의 선형 관계는 따라서 상기 면(8)에서부터 상이한 거리(di)에서의 상기한 최대치(MBNmax)의 역수인 (1/MBNmax)와 유의 값(σ) 사이의 관계를 보여준다.

상기 시스템(1)은 또한 거리 di에서 획득된 유효값(MBN)으로부터 상기 거리(di)보다 작은 거리들인 d1, d2, ..., di, ... dn에서 획득된 유효값들(MBN)의 유의 값을 빼기(subtracting) 위한 분석부를 포함한다.

상기 유의 값은 바람직하게는 거리 di-1에서 획득된 유효 값과 같다.

따라서 상기 시스템(1)은 유의 응력 값(σ)이 측정되는 구성요소 2의 영역과 상기 면(8) 사이의 거리 di에 의해 야기된 유효값(MBN)의 감쇄를 감안한다.

메모리부(15)는 바람직하게는 각각의 주파수들(f1, f2,...,fi,...fn)에 대하여 역수 1/MBNmax와 유의 응력 인가 값(σ) 사이의 다수의 제1 선형 관계들(도 5에 하나가 도시됨)을 저장한다.

상기 메모리부(15)는 또한 각각의 주파수들(f1, f2,..., fi,...fn)에 대하여 역수 1/MBNmax와 유의 잔류응력 값(σ) 사이의 다수의 제2 선형 관계들(도 9에 두 개가 도시됨)을 저장한다.

상기한 관계들의 각 계수(angular coefficient)들은 바람직하게는 동일 주파수 값들(f1, f2,...,fi,...fn)에 대해 같다.

상기 메모리부(15)에 저장된 각각의 선형 관계에 대한 그래프는 시스템(1)을 캘리브레이팅(calibrating) 할 때 획득된다.

캘리브레이션(calibration) 단계에서 소정의 물질 및 소정의 거리(di)에 대한 유의 값(σ)은 X-선 회절분석법(diffractometry)에 의해 결정되고, 역수 1/MBNmax는 각각의 유의 응력 값(σ)에 대해 결정된다.

증폭기(12), 데이터 획득부(13), 및 상기 구성요소(13)에 대한 전력증폭기(14)가 상기 시스템(1)의 중앙처리장치(30)에 더 구비된다.

발전기(6), 필터(11), 메모리부(15), 분석부(20), 및 유의 값(σ)를 표시하기 위한 디스플레이(35)가 상기 시스템(1)의 컴퓨터에 또한 장착된다.

상기 처리장치(5) 상에 로딩 되어 실행되는 소프트웨어는 각각의 주파수(fi)에 대한 상응하는 유의 값(σ)과 역수 1/MBNmax의 값을 발생하는 알고리즘을 활용하고 있다.

실제의 사용시, 상기 구성요소(3)는 소정의 주파수(f1, f2,...,fi,...fn)로써 가변적 자계를 발생한다. 그리고 자계의 진폭(H)은 변하고, 반면에 주파수 f1, f2,...,fi,...fn 를 일정하게 유지한다.

자계는, 그것이 구성요소(2)에 인가될 때, 구성요소(2)의 자기 도메인을 정렬함으로써 프로브(4)의 권선에서 유효값(MBN)의 불연속적인(디스크리트) 전압 펄스들을 생성하게 된다.

필터(11)는 유효값(MBN)의 전압신호를 필터링 한다.

각각의 주파수 값(f1, f2,...,fi,...fn)에 대하여 처리장치(5)는 자계의 진폭(H)에 있어서의 변동에 따라서 유효 값들(MBN)의 최대치인 MBNmax를 계산하고, 메모리부(15)에 있는 선형 관계들(도 5 및 도 9 참조)에 기초하여 주파수 값(f1, f2,...,fi,...fn)과 관련된 거리(di)에서의 상기 구성요소(2)의 유의 응력 값(σ)을 발생한다.

다음으로, 주파수(f1, f2,...,fi,...fn)가 변하고, 그리고 전술한 바와 같이 측정이 반복되어 메모리부(15)에 저장되어 있는 상이한 선형 관계를 이용하여 상이한 거리 d1, d2, ..., di, ... dn에서의 구성요소(2)의 유의 응력 값(σ)을 획득한다.

각각의 거리 di에 대하여, 분석부(20)는 거리 di에서 획득된 유효 값들(MBN)로부터 거리들 d1, d2, ..., di-1에서 획득된 유효 값들(MBN)의 유의 값의 뺄셈을 함으로써 상기 면(8)으로부터의 거리 di보다 더 작은 거리들 d1, d2, ..., di-1에서의 구성요소(2)의 물질에 의한 바르크하우젠 잡음 감쇄를 감안하도록 한다.

상기한 유의 값은 바람직하게는 거리 di-1에서 획득된 유효값(MBN)과 같다.

유의 값 σ를 측정하기 전에 상기 시스템(1)은 메모리부(15)에 있는 선형 관계들을 기억함으로써 캘리브레이션 된다.

더 상세하게는, 구성요소(2)와 동일한 물질로 이루어지는 테스트 피스(test-piece)가 응력이 형성되고, 상기 면(8)으로부터의 각각의 거리(di)에 대하여,

- 유의 응력 값 σ가 X-선 회절분석법에 의해 측정되고, 그리고

- 최대치 MBNmax가 프로브(4)에 의해 측정된다.

상기한 선형 관계는 도 5 및 도 9에 도시되어 있으며, 아래 기술된 바와 같이 본 출원인에 의한 연구의 결과물이다.

이를 약술하면, 본 출원인은 하기와 같은 사실을 관찰하였다:

- 소정의 물질에 대하여, 소정의 주파수(fi)에서의 유효값(MBN)의 최대치 MBNmax는 최대 차동 자화율(maximum differential susceptability)인 X'max에 의존한다;

- 대부분의 물질들에 대하여, 비-히스테리시스 차동 자화율(nonhysteretic differential susceptability)인 X'an은 최대 차동 자화율(X'max)과 같다; 그리고

- 비-히스테리시스 차동 자화율(X'an)의 역수인 1/X'an는 해당 물질의 유의 응력값 σ의 선형 함수이다.

더 상세하게는, 최대 비-히스테리시스 차동 자화율(X'an)은 보통은 보자점(coercive point)에서, 즉 인가된 자계의 진폭(H)이 영일 때 도달되며, 그리고 상기 구성요소(2)는 그 구성요소(2)의 물질의 히스테리시스 사이클에 의해 야기된 잔류 자화를 함유한다.

따라서 본 출원인은 최대치(MBNmax)의 역수인 1/MBNmax와 유의 값(σ) 사이의 선형 관계의 존재를 추론하였고, 실험에 의해 확인하였다.

더 상세하게는, 본 출원인은 가공된 표면들 상에서 상이한 조건을 얻기 위해 SAE 9310 및 SAE 32CDV13 강의 원통형 테스트-피스들을 SAE 9310 강의 원형의 개뼈다귀-형(dog-bone-shaped) 인장 테스트-피스와 함께 그라인딩 하였다.

아래의 표 1은 그들의 화학적 조성을 나타낸다.

SAE 9310	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu
SAE 9310	0.07 - 0.13	0.04 - 0.07	0.15 - 0.35	0 - 0.015	0 - 0.015	1 - 1.4	3 - 3.5	0.08 - 0.15	0 - 0.35
32CDV13	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	V
32CDV13	0.29 - 0.36	0.4 - 0.7	0.1 - 0.4	0 - 0.015	0 - 0.005	2.8 - 3.3	0.3	0.7 - 1.2	0.15 - 0.35

그 다음에 세 개의 32CDV13 테스트-피스들 및 인장 테스트-피스가 고압축-응력 영역들을 연구하기 위해 숏피닝 처리되었다. 치수(크기), 그라인딩 및 숏피닝 조건들의 세부사항과 이러한 테스트-피스들의 결과적인 잔류 표면 응력은 아래의 표 2와 3에 나타나 있다.

SAE 9310	길이당 직경(mm)	그라인딩 속도(rpm)	공급 속도(rpm)	윤활도 (%)	잔류 응력(MPa)
테스트 피스 1	25 x 35	25	0.15	0	+399
테스트 피스 2	25 x 35	24	0.1	0	+292
테스트 피스 3	25 x 35	24	0.15	0	+256
테스트 피스 4	25 x 35	24	0.002	50	-281
테스트 피스 5	25 x 35	24	0.04	50	-339
테스트 피스 6	25 x 35	95	0.002	100	-482
인장 테스트 피스	10 x 50 (사용 가능 부분)	95	0.002	100	-805 (숏피닝 처리 후)

32CDV13	길이당 직경(mm)	그라인딩 속도(rpm)	공급 속도(rpm)	숏피닝 파라미터	잔류 응력(MPa)
테스트 피스 1	30 x 110	30	0.5	모든 테스트 피스들은 0,008-0,012A에서 SAE170, HRC42-52 shot을 사용해 숏피닝 처리되었음	-145
테스트 피스 2	30 x 110	30	1.5		-298
테스트 피스 3	30 x 110	30	1		-533
테스트 피스 4	30 x 110	30	0.5		-745
테스트 피스 5	30 x 110	30	1.5		-765
테스트 피스 6	30 x 110	30	1		-775

인장 테스트 중, 테스트-피스들은 기계적 서보유압식(servohydraulic) 테스트 시스템을 이용하여 탄성 한계 내에서 상이한 유의 응력 값들(σ)을 받게 하였다. 그리고 50Mpa의 증분으로 단조롭게 증가하는 부하에 대하여 유효 값(MBN)이 측정되었다.

도 2에는 침탄화(carburized) SAE 9310 테스트-피스에 대한 그리고 상이한 유의 인가 응력 값들(σ)에 대한(이 경우에는 인장 응력) 유효 값들(MBN)의 시퀀스의 윤곽 곡선들이 도시되어 있으며, 이 곡선들은 20 내지 1250 kHz 주파수 범위에서 유효 값들(MBN)을 나타낸다.

유효 바르크하우젠 잡음 값들(MBN)에 있어서의 점진적인 변화는 증가하는 유의 응력 값(σ)을 생성하는 부하에 대한 응답하여 관찰되었다. 이러한 동작특성은 등가 자계(Hσ)의 견지에서 인가된 응력의 효과를 기술하는 이론과 일치한다. 이러한 부가적인 자계는 자기탄성 결합(magnetoelastic coupling)으로부터 도출되고, 아래 수식에 의해 표현된다:

여기서, σ는 유의 응력 값이고, λ는 자기변형(magnetostriction)이고, μ₀는 공간투자율(space permeability)이고, θ는 응력 축(예컨대, 인장 응력의 경우에는 당김 축)과 Hσ의 방향 사이의 각도이고, 그리고 ν는 포아송 비(poisson ratio)이다. 따라서 유효 값(MBN)은 아래 식과 같이 표현될 수 있는 실질적인 자계에 대한 응답이다.

여기서, He는 전체적인 자계, α는 도메인 결합을 나타내는 평균 자계 파라미터, 그리고 Hσ는 등가 응력 자계(equivalent stress field)이다. 본 출원인의 측정으로는, 인가된 외부 자계 H는 유의 인가-응력 값(σ)과 동축이었으며, 따라서 유의 인가-응력 값(σ)의 증가는 해당 도메인에서 더 높은 전체 자계(He)를 생성한다.

이것의 결과로서 도메인 벽들은 인가된 자계의 더 낮은 진폭 H의 값들에서 국부적인 에너지 장벽들을 깨뜨릴 수도 있는데, 이것은 유효 값(MBN)의 진폭의 증가와 일치한다.

유의 값(σ)의 증가와 함께 증가하는 최대치 MBNmax의 경향은 도 3에 도시되어 있다. 이러한 유의 값(σ)에 대한 종속은, 도 4에 도시된 바와 같은, AISI 4130 강의 보자점 비-히스테리시스 차동 자화율(nonhysteretic differential susceptability)인 X'an(H=0)에서 본 출원인에 의해 관찰되었다.

더 상세하게는, 보자점 비-히스테리시스 차동 자화율 X'an(H=0)은 구성요소의 히스테리시스 사이클로 인해 잔류 자화가 남아있을 때 영의 자계 진폭(H)으로써 측정된 비-히스테리시스 차동 자화율 X'an이다.

유의 값(σ)과 보자점 비-히스테리시스 차동 자화율 X'an(H=0)(즉, 영의 진폭 H을 갖는) 사이의 이러한 관계를 보여주는 수식은 자화에 대한 랑주뱅 함수(Langevin function)로부터 획득되었는데, 여기서는 등가 응력 자계(Hσ)가 인가 자계(H) 및 내부 결합계(αM)에 추가되었다.

비-히스테리시스 자화 Man을 나타내기 위해 사용된 랑주뱅 함수는 아래와 같다:

여기서, Ms는 포화 자화(saturation magnetization), 즉 구성요소(2)의 물질이 도달할 수 있는 최대 자화이고, 그리고 a는 구성요소(2)의 물질의 자기 도메인들의 크기 및 온도를 감안하는 형상 파라미터(shape parameter)이다.

상기 수학식 3의 등가 응력 자계(Hσ)의 효과를 염두에 두면, 응력이 존재 시 비-히스테리시스 자화 Man 방정식은 하기와 같다:

λ가 M에서 대칭일 경우, 더 낮은 자화 값들에서의 자기변형(magnetostriction)은 아래 식으로 근사화될 수 있다.

따라서,

자기변형 계수(b)의 값은 자기변형 측정에 의해 실험적으로 결정될 수 있다. 비-히스테리시스 자화는 진폭(H)에 관하여 원래 선형이며, 아래 식으로 표현될 수 있다:

낮은 H 값에 대하여, 이것은 아래와 같은 최초의 차동 자화율 방정식을 제공한다:

이것은 하기의 형식으로 다시 작성할 수 있다.

영의 진폭(H) 및 상이한 유의 값들(σ)의 비-히스테리시스 차동 자화율 X'an(H=0) 테스트 데이터와 자기변형 계수 값(b)를 이용하여, AISI 4130 강에 대하여, 영의 자계 진폭(H) 상태에서 유의 응력 값(σ)에 대한 비-히스테리시스 차동 자화율 X'an(H=0)의 종속관계를 계산하는 것이 가능하였다. 본 출원인은 또한 많은 물질들에 대하여 최대 비-히스테리시스 차동 자화율 X'an(H=0)는 보자점에서, 즉 영의 진폭(H) 상태에서 최대 차동 자화율 X'max와 같다는 것을 관찰하였다.

상기 수식 (10)에 기초하여, 통상적으로 보자점에서 측정된 최대 차동 자화율 X'max는 따라서 아래의 수식에 의해 유의 응력 값(σ)에 관련된다:

전술한 이론의 진실성은, 도 5에 도시된 바와 같이, 비-히스테리시스 차동 자화율 X'an의 역수 대 유의 응력 값(σ)을 도시함으로써 확인되었다.

도 5에 보이는 바와 같이, 그러한 선형 관계에 의해 표현되는 이론적인 예상은 측정치들에서 보이는 경향과 부합하며, 이로써 측정 가능한 크기의 자기 특성으로부터, 특히 응력의 부재시 최대 차동 자화율 X'max로부터 유의 응력 값(σ)을 결정하는 편리한 방법으로서 상기 수식(11)에 있어서의 선형 관계를 확인하는 것이다. 대안적인 그리고 더 실질적인 옵션은, 상기 수식(11)에서 보이는 것과 같이, 보자점에서의 최대 차동 자화율 X'max를 이용하는 것이다.

본 출원인은 최대치 MBNmax가 최대 차동 자화율 X'max와 같은 방식으로 유의 응력 값(σ)과 함께 변한다는 것을 관찰하였다.

따라서 이러한 두 개의 결과 사이에 어떤 관계가 존재해야만 할 것이다. 하나의 이론은 양쪽 모두가 자화 과정에서 동일한 단계(phase)에 해당하며, 여기서 dM/dH의 값들, 따라서 dB/dH는 최대치인 것이다. 이러한 영역들은 보자점에서 자화 곡선의 가장 가파른 경사에 의해 표현된다. 또 하나의 이론은 소정의 시간간격(dMJS)에서 바르크하우젠 작용의 레벨은 자화에 있어서의 변화율, dM/dt = (dM/dH) (dH/dt) = X'dH/dt 에 비례한다는 것이다. 이러한 관계는 히스테리시스 이론에 기초하여 바르크하우젠 측미법 작용 모델(micrometric activity model)로써 이미 기술되었다. 이러한 모델에 따르면, 소정의 기간(Δt)에서 바르크하우젠 잡음에 의해 생성된 전압들의 합계는 동 기간 중의 자화 ΔM의 전체 변화에 비례한다. 이것은 아래의 수식에 의해 표현될 수 있다.

여기서, γ는 단순히 자화의 총 변동에 대한 불연속성의 비율을 표현하는 비례 계수(0 ≤ γ ≤1)이다. 이 방정식은 히스테리시스 사이클의 임의의 지점에서 유효값 MBN과 차동 자화율 X' 사이의 연결관계를 정의하고, 그리하여 최대치 MBNmax와 최대 차동 자화율 X'max 사이의 직접적인 관계를 확인하여 준다. 따라서 역수 1/MBNmax의 그래프는 또한 도 5에 도시된 바와 같이 유의 인가-응력 값(σ)의 선형 관계로서 나타낼 수가 있을 것이다.

두 그룹의 테스트-피스에 대하여 유효값(MBN) 대 유의 잔류-응력 값(σ)은 도 6 및 도 7에 나타나 있다.

상기 시스템(1) 및 본 발명에 따른 방법에 있어서의 이점들은 전술한 설명으로부터 명백히 이해될 것이다.

특히, 그것들은 유효값(MBN)의 최대치 MBNmax의 역수인 1/MBNmax과 유의 인가- 또는 잔류-응력 값(σ) 사이의 선형적 관계를 활용한다.

따라서, 본 발명에 따른 시스템(1) 및 방법은 용이하게 그리고 객관적으로 유의 값(σ)을 결정하는 장치와 방법을 제공한다. 더 상세하게는, 구성요소(2)가 질화강 또는 침탄강으로 이루어지고 뜨임처리 온도 이상으로 숏피닝 처리 및 그라인딩 되었을 때, 상시 시스템(1)은 구성요소(2)의 면(8) 아래에서 직접적으로 영역들에서의 잔류 응력을 정확하게 결정하는 것을 제공한다.

게다가, 다양한 주파수들(f1, f2,...,fi,...fn)에서 자계를 발생함으로써 본 발명에 따른 시스템(1) 및 방법은 면(8)으로부터의 상이한 거리들 d1, d2, ..., di, ... dn에서 유의 값을 결정하는 것이 제공한다.

마지막으로, 본 발명에 따른 시스템(1) 및 방법은 주파수 fi에서 결정된, 즉 면(8)에서의 거리 di와 관련된, 유효값(MBN)으로부터 주파수들 f1, f2,...,fi-1에서 결정된 유효값(MBN)을 뺄셈(subtracting)하는 것을 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 시스템(1) 및 방법은 더 큰 계산능력을 요구하는 복잡한 수학적 계산이 필요 없이도 상기 구성요소(2)의 물질에 의한 감쇠를 용이하게 고려하는 해결책을 제공한다.

이상 본 발명의 여러 실시예에 대하여 예시적으로 기술하였지만, 당해 기술분야의 전문가라면, 본 발명은 후술하는 특허청구의 범위로부터 벗어남이 없이 전술한 시스템과 방법을 변형시킬 수 있다는 점을 명백하게 인식할 수 있을 것이다.

Claims

자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소(2)의 유의 응력 값(σ)을 결정하기 위한 시스템(1)으로서,
변동하는 진폭(H)의 자계를 생성하기 위한 발생부(3), 및
상기 자계의 진폭(H)에 있어서의 변동에 따라서 바르크하우젠 잡음 신호(MBN)를 획득하기 위한 픽업부(4)를 포함하는 시스템(1)에 있어서,
상기 시스템은, 상기 자계의 진폭(H)에 있어서의 변동들에 따라서 상기 신호(MBN)의 최대치(MBNmax)의 역수(1/MBNmax)를 계산하기 위한 처리장치(5)를 포함하고,
상기 처리장치(5)는 상기 최대치의 역수(1/MBNmax)와 상기 유의 응력 값(σ) 사이의 선형적 관계를 저장하기 위한 메모리부(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 픽업부(4)로부터 하향으로 그리고 상기 메모리부(15)로부터 상향으로 상기 신호(MBN)를 필터링 하기 위한 대역통과 필터(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 발생부(3)는 상기 구성요소(2)의 자유면(8)으로부터의 제1 거리(d1, d2)와 연관된 적어도 제1주파수(f1, f2)에서 상기 자계를 생성하고,
상기 대역통과 필터(11)는 상기 거리(d1, d2)와는 독립적인 문턱 주파수(f0)와 상기 제1주파수(f1, f2) 사이의 주파수들을 갖는 상기 신호(MBN)의 성분들을 통과하게 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 발생부(3)는 또한 적어도 제2주파수(f2, f1)에서 상기 자계를 생성하고,
상기 메모리부(15)는 상기 제1 및 제2 주파수(f1, f2)와 각각 관련되고, 그리고 상기 구성요소(2)의 면으로부터의 각각의 제1 및 제2 거리(d1, d2)에서의 상기 유의 응력 값(σ)과 관련되는, 제1 및 제2의 선형 관계를 저장하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제4항에 있어서,
상기 발생부(3)는 상기 자유면(8)으로부터의 거리들(d1, d2, d3, ... di... dn)을 증가하는 것과 관련되는 일정 범위의 주파수들(f1, f2, f3..,fi...fn)에서 상기 자계를 생성하고,
상기 처리장치(5)는 소정의 거리(di)에서 픽업된 상기 신호(MBN)로부터 상기 소정의 거리(di)보다 더 작은 거리들(d1, d2,... di-1)에서 픽업된 신호들(MBN)을 나타내는 값을 빼는 연산을 하는 분석부(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제5항에 있어서, 상기 분석부(20)는 소정의 거리(di)에서 픽업된 신호(MBN)로부터 상기 소정의 거리(di)를 선행하는 거리(di-1)에서 픽업된 신호(MBN)를 빼는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 메모리부(15)는,
- 상기 진폭(H)의 변동에 따라서 그리고 소정의 주파수(f1, f2)에 대하여, 최대치의 역수(1/MBNmax)와 유의 인가-응력 값(σ) 사이의 제1 선형 관계, 및
- 상기 진폭(H)의 변동에 따라서 그리고 소정의 주파수(f1, f2)에 대하여, 최대치의 역수(1/MBNmax)와 유의 잔류-응력 값(σ) 사이의 제2 선형 관계를 저장하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 선형 관계들의 각 계수(angular coefficient)들은 동일한 물질로 이루어진 구성요소들(2)에 대해서는 같음을 특징으로 하는 시스템.
자화 가능한 물질로 이루어진 구성요소(2)의 응력을 결정하는 방법으로서,
변동하는 진폭(H)의 자계를 발생하는 과정과, 그리고 상기 자계의 진폭(H)에 있어서의 변동에 따라서 상기 구성요소(2)의 바르크하우젠 잡음 신호(MBN)를 획득하는 과정으로 이루어진 방법에 있어서,
상기 방법은, 상기 자계의 진폭(H)에 있어서의 변동들에 따라서 상기 바르크하우젠 잡음 신호의 최대치(MBNmax)의 역수(1/MBNmax)를 계산하는 과정과, 그리고
최대치(MBNmax)의 역수(1/MBNmax)와 상기 유의 응력 값(σ) 사이의 선형 관계를 이용하여 상기 구성요소(2)의 유의 응력 값(σ)을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 계산 과정 전에 그리고 상기 획득 과정 후에 상기 신호(MBN)를 필터링 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 발생 과정은 상기 구성요소(2)의 자유면(8)으로부터의 제1 거리(d1, d2,...dn)와 연관된 제1주파수(f1, f2,...fn)에서 자계를 발생하는 과정을 포함하고,
상기 필터링 과정은 상기 제1 거리(d1, d2,...dn)와는 독립적인 문턱 주파수(f0)와 상기 제1주파수(f1, f2,...fn) 사이의 신호(MBN)의 주파수 대역을 필터링하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 발생 과정은 제2 주파수(f2)에서 상기 자계를 또한 발생하는 과정을 포함하고,
상기 방법은, 상기 제1 및 제2 주파수(f1, f2,...fn; f2)와 각각 관련되고, 그리고 상기 구성요소(2)의 자유면(8)으로부터의 각각의 제1 및 제2 거리(d1, d2,...dn; d2)에서의 유의 응력 값(σ)과 관련되는, 제1 및 제2의 선형 관계를 저장하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서,
상기 발생 과정은 상기 자유면(8)으로부터의 거리들(d1, d2, d3, ... di... dn)을 증가하는 것과 관련되는 일정 범위의 주파수들(f1, f2, f3..,fi...fn)에서 자계를 생성하는 과정을 포함하고,
상기 계산 과정은 소정의 거리(di)에서 픽업된 신호(MBN)로부터 상기 소정의 거리(di)보다 더 작은 거리(di-1)에서 픽업된 신호(MBN)를 빼는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
선형 관계가 계산되는 캘리브레이팅 과정을 포함하되,
상기 캘리브레이팅 과정은,
- 상기 구성요소(2)에서 응력을 발생하도록 구성요소(2)에 부하를 인가하고,
- X선 회절분석법에 의해 유의 응력 값(σ)을 측정하고, 그리고
- 상기 유의 응력 값(σ) 각각에서 바르크하우젠 잡음 신호의 최대치(MBNmax)의 역수(1/MBNmax)를 결정하는 과정들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 따른 방법의 과정들을 구현하도록 실행이 가능하고, 처리장치(5)에 로딩 가능한 소프트웨어 기록매체.