KR20220128904A - Evaluation system of directionality of material yield strength using spherical indentation and surface displacement analysis - Google Patents

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KR20220128904A KR1020210033647A KR20210033647A KR20220128904A KR 20220128904 A KR20220128904 A KR 20220128904A KR 1020210033647 A KR1020210033647 A KR 1020210033647A KR 20210033647 A KR20210033647 A KR 20210033647A KR 20220128904 A KR20220128904 A KR 20220128904A
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Abstract

According to embodiments of the present invention, it is possible to evaluate a direction ratio of yield strength for a material having directionality of mechanical properties, and it is convenient and quick to evaluate with a small number of indentation tests. The present invention includes a press-fitting device; a camera device; and a processing device.

Description

압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템{EVALUATION SYSTEM OF DIRECTIONALITY OF MATERIAL YIELD STRENGTH USING SPHERICAL INDENTATION AND SURFACE DISPLACEMENT ANALYSIS}Yield strength direction evaluation system of materials using indentation test and surface displacement analysis

본 실시예들은 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압입시험에 의한 재료 표면의 방향성으로부터 항복강도의 방향비를 평가할 수 있는 평가 시스템에 관한 것이다.The present embodiments relate to a system for evaluating the directionality of yield strength of a material using an indentation test and surface displacement analysis, and more particularly, to an evaluation system capable of evaluating the directionality ratio of yield strength from the directionality of a material surface by an indentation test. .

구조재료에 대한 건전성 평가를 위해서는 가동 환경, 작용 응력, 결합 특성, 기계적 특성 등과 같은 다양한 정보가 필수적이다. 가동 환경과 작용 응력의 경우 설계 정보로부터 근사가 가능하고, 결함 특성의 경우 음향 방출 시험 및 초음파 시험법을 활용하여 산업 현장에서 측정이 가능하다. 반면, 재료의 고유한 기계적 특성은 종래의 표준화된 파괴적 평가 방법으로는 현장에서 측정이 불가능하다. 또한, ASTM(American Society for Testing Material) 및 ISO(International Organization for Standardization)와 같은 재료 시험에 관한 표준은 특정 형상과 크기를 규정하기 때문에, 극미세 구조물 혹은 복잡한 형상을 갖는 구조물에 대한 적용의 한계점이 존재한다. 따라서, 가동 중 구조물의 건전성 수준을 진단하거나, 복잡 다양해지는 최첨단 산업 제품의 품질을 평가하기 위해서는 기존 시험법의 한계점을 극복할 수 있는 평가 방법이 필요하다.In order to evaluate the soundness of structural materials, various information such as operating environment, working stress, bonding properties, and mechanical properties are essential. In the case of operating environment and operating stress, it is possible to approximate it from design information, and in the case of defect characteristics, it is possible to measure it in an industrial field using acoustic emission test and ultrasonic test method. On the other hand, the intrinsic mechanical properties of materials cannot be measured in the field by conventional standardized destructive evaluation methods. In addition, since standards related to material testing such as ASTM (American Society for Testing Material) and ISO (International Organization for Standardization) stipulate specific shapes and sizes, there are limitations in application to ultra-fine structures or structures having complex shapes. exist. Therefore, in order to diagnose the level of soundness of structures during operation or to evaluate the quality of complex and diversified cutting-edge industrial products, an evaluation method that can overcome the limitations of existing test methods is required.

기존 경도 측정법으로부터 발전된 연속압입시험법(IIT, Instrumented Indentation Testing)은 기본적으로 경도와 탄성계수를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 하중 및 변위곡선의 탄성, 소성 해석을 통해 인장물성, 잔류응력, 파괴인성 등과 같은 고급 물성을 측정할 수 있는 시험법이다. 또한, 압입자의 크기 혹은 하중 및 변위 범위를 조절하여 마이크로부터 나노 스케일까지 다양한 스케일에서의 기계적 특성에 대한 측정이 가능하다. 이처럼 연속압입시험법의 특징과 장점으로 많은 연구자들에 의해 실험적/해석적 연구가 활발히 이어져 오고 있다. 특히, 다양한 기계적 특성 중 항복강도는 재료의 영구적인 변형, 즉 소성변형이 시작되는 응력으로서 재료의 파손 예측에 가장 기본이 되는 정보이기 때문에, 연속압입시험법과 하중 및 변위곡선을 활용하여 항복강도를 예측하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다.Continuous indentation testing (IIT), developed from the existing hardness measurement method, can basically measure hardness and modulus, as well as tensile properties, residual stress, and fracture toughness through elastic and plastic analysis of load and displacement curves. It is a test method that can measure advanced physical properties such as In addition, it is possible to measure the mechanical properties at various scales from micro to nano scale by adjusting the size or load and displacement range of the indenter. As such, experimental/analytic studies have been actively carried out by many researchers due to the characteristics and advantages of the continuous indentation test method. In particular, since yield strength among various mechanical properties is the most basic information for predicting material failure as the stress at which permanent deformation of the material, that is, plastic deformation, begins, yield strength can be calculated using the continuous indentation test method and load and displacement curves. Many studies are being conducted to predict.

기존 연구들은 실험적 혹은 해석적 방법을 통해 압입 매개변수와 항복강도를 상관시킬 수 있는 모델을 정립하였고, 다양한 가공경화 거동을 갖는 재료에 대하여 제안된 모델의 정확도가 검증되었다. 하지만, 대부분의 기존 모델은 방향 별 기계적 특성이 동일한 등방성 재료에 대해 유도되었기 때문에 방향성에 관한 정보가 고려되지 않았다.Existing studies established a model that can correlate indentation parameters and yield strength through experimental or analytical methods, and the accuracy of the proposed model was verified for materials with various work-hardening behaviors. However, most of the existing models did not consider the directionality information because the mechanical properties for each direction were derived for the same isotropic material.

일반적인 산업의 구조재료들은 냉간, 열간 압연등과 같이 특정 방향으로의 소성변형 공정에 의해 제작되는데, 도 1에 도시된 바와 같이 압하율(reduction rate)이 증가함에 따라 그레인(grain)이 인장(elongated)되게 되며 이는 기계적 특성의 방향성을 야기하게 된다. 또한, 최근 활발히 연구되고 있는 3D 프린팅 재료 또한 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 제작단 위 특정 방향으로 재료 인쇄를 통해 제작되는데, 그로 인해 도 2의 (b),(c)에 도시된 바와 같이 인쇄 방향에 따라 기계적 특성에 서로 다른 방향성이 나타나게 된다.Structural materials in general industry are manufactured by a plastic deformation process in a specific direction, such as cold or hot rolling. As shown in FIG. 1, as the reduction rate increases, the grain is elongated. ), which causes the directionality of mechanical properties. In addition, 3D printing materials, which have been actively studied recently, are also produced through material printing in a specific direction per production unit as shown in FIG. Similarly, different directions appear in the mechanical properties depending on the printing direction.

이러한 제품들은 공정 이후, 열처리에 의해 잔류응력 완화 및 결정 특성의 균질화 처리가 진행됨에도 불구하고 기계적 특성의 방향성을 나타내는 것이 일반적으로 알려져 있다. 따라서 방향성을 나타내는 재료의 기계적 특성을 정확히 평가할 수 있는 새로운 연구가 필요하다.It is generally known that these products show the directionality of mechanical properties despite residual stress relaxation and homogenization of crystal properties by heat treatment after processing. Therefore, a new study that can accurately evaluate the mechanical properties of materials showing directionality is needed.

H. Lee, J. Haeng Lee, G.M. Pharr, A numerical approach to spherical indentation techniques for material property evaluation, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 53(9) (2005) 2037-2069 H. Lee, J. Haeng Lee, G. M. Pharr, A numerical approach to spherical indentation techniques for material property evaluation, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 53(9) (2005) 2037-2069

본 실시예들은 전술한 배경에서 안출된 것으로서, 압입시험에 의한 재료 표면의 방향성으로부터 항복강도의 방향비를 평가할 수 있는 평가 시스템에 관한 것이다.The present embodiments relate to an evaluation system that can evaluate the direction ratio of the yield strength from the directionality of the material surface by the indentation test as devised in the background described above.

본 실시예들에 의하면, 재료의 표면에 압입시험을 수행하는 압입장치, 압입시험이 수행되기 전후에 재료의 표면을 촬영하여 이미지정보를 검출하는 카메라장치, 이미지정보로부터 압입시험에 의한 재료의 표면의 변위인 변위데이터를 도출하고, 변위데이터로부터 재료의 항복강도의 방향성을 도출하는 처리장치를 포함하는 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템.According to the present embodiments, an indentation device for performing an indentation test on the surface of a material, a camera device for detecting image information by photographing the surface of the material before and after the indentation test is performed, and a surface of a material by an indentation test from image information A system for evaluating the directionality of yield strength of a material using an indentation test and surface displacement analysis, including a processing device that derives the displacement data, which is the displacement of , and derives the directionality of the material's yield strength from the displacement data.

본 실시예들에 의하면, 기계적 특성의 방향성을 가지는 재료에 대해서 항복강도의 방향비를 평가할 수 있으며, 적은 횟수의 압입시험으로도 평가가 가능하여 편리하고 신속하다.According to the present embodiments, the direction ratio of the yield strength can be evaluated for a material having the directionality of the mechanical properties, and the evaluation is possible even with a small number of indentation tests, which is convenient and quick.

도 1은 냉간압연에 의해 생성되는 재료의 기계적 특성의 방향성을 보여주는 도면이다.
도 2는 3D 프린팅에 의해 생성되는 재료의 기계적 특성의 방향성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 실시예들에 의한 평가 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 압입시험에 의한 재료 표면의 변위를 도출하는 일예를 나타내는 도면이다.
도 5는 등방성 재료 및 비등방성 재료에 있어서 압입시험에 의한 재료 표면의 변위의 차이를 나타내는 도면이다.
도 6은 냉간압연된 재료에 대해 압입시험을 수행하고 검출한 표면 변위의 방향성을 나타내는 도면이다.
도 7은 x축방향 항복강도 및 항복강도의 방향성를 달리하여 도출한 압입시험에 의한 재료 표면의 변위를 나타내는 그래프이다.
도 8은 압입시험에 의한 재료 표면의 변위의 방향성과 항복강도의 방향성 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 압하율를 달리하여 도출한 냉간압연된 재료의 압입시험에 의한 재료 표면의 변위의 방향성를 나타내는 도면이다.
도 10는 인장시험에 따른 항복강도의 방향성과 본 실시예들에 의한 평가 시스템에 의해 도출한 항복강도의 방향성을 비교하여 나타내는 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the directionality of the mechanical property of the material produced by cold rolling.
2 is a diagram showing the directionality of the mechanical properties of a material produced by 3D printing.
3 is a diagram showing the configuration of an evaluation system according to the present embodiments.
4 is a view showing an example of deriving the displacement of the material surface by the indentation test.
5 is a diagram showing the difference in the displacement of the material surface by the indentation test in an isotropic material and an anisotropic material.
6 is a view showing the directionality of surface displacement detected by performing an indentation test on a cold-rolled material.
7 is a graph showing the displacement of the material surface by the indentation test derived by varying the yield strength in the x-axis direction and the direction of the yield strength.
8 is a view showing the relationship between the directionality of the displacement of the material surface and the directionality of the yield strength by the indentation test.
9 is a view showing the direction of displacement of the surface of the material by the indentation test of the cold-rolled material derived by varying the reduction ratio.
10 is a view showing a comparison of the directionality of the yield strength according to the tensile test and the directionality of the yield strength derived by the evaluation system according to the present Examples.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.Hereinafter, some embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, the same components may have the same reference numerals as much as possible even though they are indicated in different drawings. In addition, in describing the present embodiments, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present technical idea, the detailed description may be omitted. When "includes", "having", "consisting of", etc. mentioned in this specification are used, other parts may be added unless "only" is used. When a component is expressed in a singular, it may include a case in which the plural is included unless otherwise explicitly stated.

또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.In addition, in describing the components of the present disclosure, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, order, or number of the elements are not limited by the terms.

구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.In the description of the positional relationship of components, when two or more components are described as being "connected", "combined" or "connected", two or more components are directly "connected", "coupled" or "connected" ", but it will be understood that two or more components and other components may be further "interposed" and "connected," "coupled," or "connected." Here, other components may be included in one or more of two or more components that are “connected”, “coupled” or “connected” to each other.

구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.In the description of the temporal flow relation related to the components, the operation method or the manufacturing method, for example, the temporal precedence relationship such as "after", "after", "after", "before", etc. Alternatively, when a flow precedence relationship is described, it may include a case where it is not continuous unless "immediately" or "directly" is used.

한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.On the other hand, when numerical values or corresponding information (eg, level, etc.) for a component are mentioned, even if there is no explicit description separately, the numerical value or the corresponding information is based on various factors (eg, process factors, internal or external shock, It may be interpreted as including an error range that may be caused by noise, etc.).

도 1은 냉간압연에 의해 생성되는 재료의 기계적 특성의 방향성을 보여주는 도면, 도 2는 3D 프린팅에 의해 생성되는 재료의 기계적 특성의 방향성을 보여주는 도면, 도 3은 본 실시예들에 의한 평가 시스템의 구성을 나타내는 도면, 도 4는 압입시험에 의한 재료 표면의 변위를 도출하는 일예를 나타내는 도면, 도 5는 등방성 재료 및 비등방성 재료에 있어서 압입시험에 의한 재료 표면의 변위의 차이를 나타내는 도면, 도 6은 냉간압연된 재료에 대해 압입시험을 수행하고 검출한 표면 변위의 방향성을 나타내는 도면, 도 7은 x축방향 항복강도 및 항복강도의 방향성를 달리하여 도출한 압입시험에 의한 재료 표면의 변위를 나타내는 그래프, 도 8은 압입시험에 의한 재료 표면의 변위의 방향성과 항복강도의 방향성 간의 관계를 나타내는 도면, 도 9는 압하율를 달리하여 도출한 냉간압연된 재료의 압입시험에 의한 재료 표면의 변위의 방향성를 나타내는 도면, 도 10는 인장시험에 따른 항복강도의 방향성과 본 실시예들에 의한 평가 시스템에 의해 도출한 항복강도의 방향성을 비교하여 나타내는 도면이다.1 is a view showing the directionality of mechanical properties of a material produced by cold rolling, FIG. 2 is a view showing the directionality of mechanical properties of a material produced by 3D printing, and FIG. 3 is an evaluation system according to the present embodiments A diagram showing the configuration, Fig. 4 is a diagram showing an example of deriving the displacement of the material surface by the indentation test, Fig. 5 is a diagram showing the difference in the displacement of the material surface by the indentation test in an isotropic material and an anisotropic material, Fig. 6 is a view showing the directionality of the detected surface displacement after performing an indentation test on the cold-rolled material, and FIG. 7 is a diagram showing the displacement of the material surface by the indentation test derived by varying the yield strength and the direction of the yield strength in the x-axis direction 8 is a graph showing the relationship between the directionality of the displacement of the material surface by the indentation test and the directionality of the yield strength. 10 is a view showing a comparison of the directionality of the yield strength according to the tensile test and the directionality of the yield strength derived by the evaluation system according to the present Examples.

본 실시예들에 의한 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템(300)은, 재료의 표면에 압입시험을 수행하는 압입장치(310), 압입시험이 수행되기 전후에 재료의 표면을 촬영하여 이미지정보를 검출하는 카메라장치(320), 이미지정보로부터 압입시험에 의한 상기 재료 표면의 변위인 변위데이터를 도출하고, 도출된 변위데이터로부터 재료의 항복강도의 방향성을 도출하는 처리장치(330)를 포함한다.The yield strength direction evaluation system 300 of the material using the indentation test and the surface displacement analysis according to the present embodiments is the indentation device 310 for performing the indentation test on the surface of the material, before and after the indentation test is performed. A camera device 320 that detects image information by photographing a surface, a processing device that derives displacement data that is displacement of the material surface by indentation test from image information, and derives the directionality of the yield strength of the material from the derived displacement data (330).

도 3을 참고하여 살펴보면, 본 실시예들에 의한 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템(300)은 압입장치(310), 카메라장치(320) 및 처리장치(330)를 포함한다.Referring to FIG. 3 , the yield strength direction evaluation system 300 of the material using the indentation test and surface displacement analysis according to the present embodiments includes the indentation device 310 , the camera device 320 and the processing device 330 . include

압입장치(310)는 압입자를 재료의 표면에 압입한다. 압입자로는 비커스(vickers), 누프(knoop), 벌코비치(berkovich), 구형(spherical), 원뿔형(conical) 압입자 등을 사용할 수 있으나, 본 실시예들은 기계적 특성의 방향성을 갖는 재료에 대하여 상기 방향성을 평가하고자 하는 시스템이므로 축대칭형(axisymmetric) 압입자를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 비커스, 누프, 벌코비치 등 축대칭형이 아닌 압입자를 이용하여 기계적 특성의 방향성을 갖는 재료에 압입시험을 수행하는 경우에는 압입자의 방향에 따라 다른 압입결과가 생성되게 되므로 정확한 데이터를 얻기 어렵고 다수의 압입시험을 수행하여야 한다. 그러나, 축대칭형 압입자를 이용하여 기계적 특성의 방향성을 갖는 재료에 압입시험을 수행하는 경우에는 압입자의 방향과 무관하게 동일한 압입결과가 생성되게 되므로 1회의 압입시험으로도 정확한 데이터를 얻을 수 있으며, 따라서 그로부터 재료가 갖는 기계적 특성의 방향성을 평가할 수 있는 것이다. 이하 본 실시예들에 대한 설명은 원형 압입자를 사용하여 압입시험을 수행한 결과에 대한 것이며, 다만 본 실시예들은 원형 압입자로 압입시험을 수행하는 것으로 한정되지 않는다.The press-in device 310 press-inserts the indenter into the surface of the material. Vickers, knoop, berkovich, spherical, conical indenters, etc. may be used as the indenter. However, in the present embodiments, for a material having the directionality of mechanical properties, Since the system is intended to evaluate the directionality, it is preferable to use an axisymmetric indenter. That is, when an indentation test is performed on a material having mechanical properties directionality using a non-axially symmetric indenter such as Vickers, Knoop, or Bulkovich, it is difficult to obtain accurate data because different indentation results are generated depending on the direction of the indenter. of the indentation test should be performed. However, when an indentation test is performed on a material having the directionality of mechanical properties using an axisymmetric indenter, the same indentation result is generated regardless of the direction of the indenter, so accurate data can be obtained even with a single indentation test. From this, the directionality of the mechanical properties of the material can be evaluated. Hereinafter, the descriptions of the present examples relate to the results of performing the indentation test using the circular indenter, but the present Examples are not limited to performing the indentation test using the circular indenter.

본 실시예들과 같이 압입시험을 이용하여 재료의 기계적 특성을 평가하는 경우, 예를 들어 산업현장에 설치된 구조물과 같이 현장에서 직접 기계적 특성을 평가할 수 있어 보다 실제적인 평가 결과를 얻을 수 있으며, 가동 중이거나 복잡한 형상을 가지는 대상에 대해서도 기계적 특성을 평가할 수 있는 장점이 있다.In the case of evaluating the mechanical properties of a material using an indentation test as in the present examples, for example, a more practical evaluation result can be obtained because the mechanical properties can be evaluated directly in the field, such as a structure installed in an industrial site, and operation There is an advantage in that the mechanical properties can be evaluated even for a target having a medium or complex shape.

카메라장치(320)는 재료의 표면을 압입시험 전후로 촬영하여 이미지정보를 검출하며, 검출한 이미지정보를 처리장치(330)로 전달한다.The camera device 320 detects image information by photographing the surface of the material before and after the indentation test, and transmits the detected image information to the processing device 330 .

처리장치(330)는, 예를 들면 컴퓨터로서, 카메라장치(320)가 검출한 이미지정보로부터 압입시험에 의한 재료 표면의 변위인 변위데이터를 도출하고, 도출된 변위데이터로부터 재료의 항복강도의 방향성을 도출한다.The processing device 330 is a computer, for example, from the image information detected by the camera device 320 to derive displacement data that is the displacement of the material surface by the indentation test, and from the derived displacement data, the directionality of the yield strength of the material to derive

재료에 압입시험을 수행함으로써 재료에는 압입시험에 의한 소성변형이 발생하는데, 변위데이터는 재료 표면의 압입시험 전후로의 변위이다.By performing an indentation test on a material, plastic deformation by the indentation test occurs in the material, and the displacement data is the displacement of the material surface before and after the indentation test.

처리장치(330)는 카메라장치(320)가 검출한 이미지정보를 분석하고 그로부터 변위데이터를 도출하기 위해, 예를 들어 디지털 이미지 상관기법(DIC, digital image correlation)을 사용할 수 있다.The processing device 330 may use, for example, digital image correlation (DIC) to analyze the image information detected by the camera device 320 and derive displacement data therefrom.

처리장치(330)는 스트레인 게이지(strain gage), 전자 스페클 패턴 간섭법(ESPI, electronic speckle pattern interferometry) 등을 사용하여 이미지정보를 분석할 수도 있으나, 스트레인 게이지를 사용할 경우 각 스트레인 게이지마다 하나의 변위값밖에 도출할 수 없고 ESPI 기법은 레이저장치를 구비하여야 하는 등 장비가 비싸고 이를 사용하기 번거로운 문제가 있는데 반해, DIC 기법을 이용할 경우 간편하게 압입위치 주변영역에 대한 변위분석을 수행할 수 있다.The processing device 330 may analyze image information using a strain gage, electronic speckle pattern interferometry (ESPI), etc., but when using a strain gage, one Displacement values can only be derived and the ESPI technique is expensive and cumbersome to use, such as having a laser device. However, when using the DIC technique, displacement analysis can be easily performed on the area around the press-in position.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 처리장치(330)는 이미지정보를 DIC 기법으로 분석하여 재료 표면을 압입시험 전후로 비교함으로써 변위데이터를 도출할 수 있다.That is, as shown in FIG. 4 , the processing device 330 may derive the displacement data by analyzing the image information by the DIC technique and comparing the material surface before and after the indentation test.

처리장치(330)가 도출하는 변위데이터는 재료 표면의 표면방향으로의 변위이다. 기존에 압입시험에 의해 돌출되는 재료 표면의 변위, 즉 z방향 변위로부터 재료의 기계적 특성의 방향성을 평가하려는 시도가 있었으나, z방향 변위를 검출하기 위해서는 매우 정밀한 장치가 필요하고 유효한 데이터를 검출하기도 어려운 문제가 있었다. 그러나, 본 실시예들에 의한 평가 시스템(300)은 DIC 기법을 이용하여 재료 표면의 표면방향으로의 변위를 검출하고 그로부터 방향성을 평가하는 시스템으로서 보다 간단하고 편리하게 방향성을 평가할 수 있다.The displacement data derived by the processing device 330 is the displacement of the material surface in the surface direction. In the past, there have been attempts to evaluate the directionality of mechanical properties of materials from the displacement of the protruding material surface by the indentation test, that is, the z-direction displacement. There was a problem. However, the evaluation system 300 according to the present embodiments detects the displacement of the material surface in the surface direction by using the DIC technique and evaluates the directionality therefrom, so that the directionality can be evaluated more simply and conveniently.

한편, 재료 표면의 변위의 방향성을 평가하는 경우 변위의 크기가 가장 큰 방향을 x방향으로 설정할 수 있으며, 따라서 그에 수직한 y방향으로는 변위의 크기가 가장 작을 수 있다. 상기와 다른 방식으로 x방향 및 y방향을 설정할 수 있음은 당연하다. 처리장치(330)는 카메라장치(320)가 검출한 이미지정보로부터 변위데이터를 검출하고 변위의 크기로부터 x방향 및 y방향을 설정할 수 있으며, x방향으로의 변위 및 y방향으로의 변위로부터 변위의 방향성을 도출할 수 있다. 따라서, 변위데이터에서 소정의 기준에 따라 x방향 및 y방향을 설정한 후에는 재료 표면의 변위의 방향성을 x방향으로의 변위(

Figure pat00001
) 및 y방향으로의 변위(
Figure pat00002
)의 비(
Figure pat00003
)로서 나타낼 수 있으며, 마찬가지로 항복강도의 방향성 역시 x방향으로의 항복강도(
Figure pat00004
) 및 y방향으로의 항복강도(
Figure pat00005
)의 비(
Figure pat00006
)로서 나타낼 수 있다.On the other hand, when evaluating the directionality of the displacement of the material surface, the direction in which the magnitude of the displacement is greatest may be set as the x-direction, and thus the magnitude of the displacement may be the smallest in the y-direction perpendicular thereto. It goes without saying that the x-direction and the y-direction can be set in a manner different from the above. The processing device 330 may detect displacement data from the image information detected by the camera device 320 and set the x-direction and the y-direction from the magnitude of the displacement, and the displacement from the displacement in the x-direction and the y-direction. direction can be derived. Therefore, after setting the x-direction and the y-direction according to a predetermined criterion in the displacement data, the direction of the displacement of the material surface is
Figure pat00001
) and displacement in the y direction (
Figure pat00002
) of the ratio (
Figure pat00003
), and similarly, the directionality of the yield strength is also the yield strength in the x direction (
Figure pat00004
) and the yield strength in the y direction (
Figure pat00005
) of the ratio (
Figure pat00006
) can be expressed as

도 5는 기계적 특성의 방향성을 갖지 않는 등방성 재료와 기계적 특성의 방향성을 갖는 비등방성 재료에 대하여 각각 압입시험을 수행하고, 각각에 대하여 x방향으로의 변위 및 y방향으로의 변위를 도시한다. 도시된 바와 같이, 등방성 재료는 x방향 및 y방향으로의 변위가 거의 동일하게 나타나는데 반해, 비등방성 재료는 x방향으로의 변화와 y방향으로의 변위가 서로 다르게 나타남을 확인할 수 있다.5 shows the displacement in the x-direction and the displacement in the y-direction for each indentation test performed on an isotropic material having no directionality of mechanical properties and an anisotropic material having a directionality of mechanical properties, respectively. As shown, it can be seen that the displacement in the x-direction and the y-direction of the isotropic material is almost the same, whereas the change in the x-direction and the displacement in the y-direction of the anisotropic material are different from each other.

도 6을 참고하여 살펴보면, 냉간압연된 재료에 압입시험을 수행할 경우 압입시험에 의한 재료 표면의 변위의 방향성은 압연방향에 의존한다는 것을 알 수 있다. 즉, 냉간압연된 재료에 압입시험을 수행할 경우 그 표면의 압연방향(rolling direction)으로의 변위가 압연방향과 수직한 방향(transverse direction)으로의 변위보다 크게 나타남을 확인할 수 있다. 이와 같이, 냉간압연 이외에 방향성을 갖는 다른 공정으로 처리되는 등의 다양한 원인에 의해 재료는 그 기계적 특성이 변화하여 방향성을 가질 수 있으며, 본 실시예들에 의하면 그러한 재료들이 가지는 항복강도의 방향성을 평가할 수 있는 것이다.Referring to FIG. 6 , when an indentation test is performed on a cold-rolled material, it can be seen that the direction of displacement of the material surface by the indentation test depends on the rolling direction. That is, when the indentation test is performed on the cold-rolled material, it can be confirmed that the displacement of the surface in the rolling direction is larger than the displacement in the transverse direction to the rolling direction. As such, the mechanical properties of the material may change due to various causes, such as being processed by other processes other than cold rolling, and thus may have directionality. According to the present embodiments, the directionality of the yield strength of such materials can be evaluated. it can be

도 7은 x방향 항복강도(

Figure pat00007
) 및 항복강도의 방향성(
Figure pat00008
)이 서로 다르게 설정된 재료들을 준비하고 상기 준비된 재료들에 대하여 압입시험을 수행하여 변위데이터(
Figure pat00009
)를 도출한 결과를 도시한다. x방향 항복강도(
Figure pat00010
)는 265, 350, 450, 550, 650 MPa 중 어느 하나로, 항복강도의 방향성(m)은 1.0, 1.2, 1.4, 1.6 중 어느 하나로 설정되었다. 즉, y방향 항복강도(
Figure pat00011
)가 x방향 항복강도(
Figure pat00012
)보다 크게 설정되었으며, 따라서 x방향으로의 변위의 크기가 y방향으로의 변위의 크기보다 크게 검출되었다.7 shows the yield strength in the x direction (
Figure pat00007
) and the directionality of yield strength (
Figure pat00008
) is set differently from each other, and the displacement data (
Figure pat00009
), the result obtained is shown. Yield strength in the x direction (
Figure pat00010
) was set to any one of 265, 350, 450, 550, and 650 MPa, and the directionality (m) of the yield strength was set to any one of 1.0, 1.2, 1.4, and 1.6. That is, the yield strength in the y direction (
Figure pat00011
) is the yield strength in the x direction (
Figure pat00012
), and therefore the magnitude of the displacement in the x-direction was detected to be larger than the magnitude of the displacement in the y-direction.

도 8은 도 7의 결과로부터 도출한 재료 표면의 변위의 방향성(

Figure pat00013
)과 항복강도의 방향성(
Figure pat00014
) 간의 상관관계를 나타내며, 이는 다음 수학식 1과 같이 표현되었다.Fig. 8 shows the direction of displacement of the material surface derived from the result of Fig. 7 (
Figure pat00013
) and the directionality of yield strength (
Figure pat00014
), which is expressed as Equation 1 below.

Figure pat00015
Figure pat00015

요컨대, 상기 수학식 1을 이용함으로써, 재료에 압입시험을 수행하여 검출한 변위데이터로부터 재료의 항복강도의 방향성을 도출할 수 있게 된다.In other words, by using Equation 1, it is possible to derive the directionality of the yield strength of the material from the displacement data detected by performing an indentation test on the material.

도 9는 압하율을 달리하여 냉간압연한 재료들에 대하여 압입시험을 수행하고 변위데이터를 도출한 결과를 나타낸다. 압하율은 0, 10, 20%로 설정되었으며, 각각에 대해 도출된 재료 표면 변위의 방향성은 1.09, 0.79, 0.64이다.9 shows the results of performing an indentation test on materials cold-rolled with different reduction ratios and deriving displacement data. The reduction ratios were set to 0, 10, and 20%, and the derived material surface displacement directions for each were 1.09, 0.79, and 0.64.

도 10은 도 9에서 이용된 재료들에 대하여 인장시험을 수행하여 도출된 항복강도의 방향성과 압입시험에 의한 재료 표면 변위의 방향성(

Figure pat00016
)으로부터 수학식 1을 이용하여 도출된 항복강도의 방향성(
Figure pat00017
)을 비교하여 나타낸다. 도시된 바와 같이, 인장시험에 의한 결과와 본 실시예들에 의한 평가 시스템(300)에 의한 결과가 거의 동일함을 확인할 수 있다.10 shows the directionality of the yield strength derived by performing a tensile test on the materials used in FIG. 9 and the directionality of the material surface displacement by the indentation test (
Figure pat00016
), the directionality of the yield strength derived using Equation 1 (
Figure pat00017
) are compared. As shown, it can be seen that the results of the tensile test and the results of the evaluation system 300 according to the present embodiments are almost the same.

따라서, 본 실시예들에 의하면 압입시험을 이용함으로써 보다 편리하고 간단하게 기계적 특성의 방향성을 가지는 재료에 대하여 항복강도의 방향성을 평가할 수 있다.Therefore, according to the present embodiments, the directionality of the yield strength can be evaluated for a material having the directionality of the mechanical properties more conveniently and simply by using the indentation test.

이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present disclosure, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present disclosure by those skilled in the art to which the present disclosure pertains. In addition, the present embodiments are not intended to limit the technical spirit of the present disclosure, but to explain, and thus the scope of the present technical spirit is not limited by these embodiments. The protection scope of the present disclosure should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present disclosure.

300: 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템
310: 압입장치 320: 카메라장치
330: 처리장치
300: Yield strength direction evaluation system of materials using indentation test and surface displacement analysis
310: press-in device 320: camera device
330: processing unit

Claims (5)

재료의 표면에 압입시험을 수행하는 압입장치;
압입시험이 수행되기 전후에 상기 재료의 표면을 촬영하여 이미지정보를 검출하는 카메라장치;
상기 이미지정보로부터 압입시험에 의한 상기 재료 표면의 변위인 변위데이터를 도출하고, 상기 변위데이터로부터 상기 재료의 항복강도의 방향성을 도출하는 처리장치;
를 포함하는 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템.
an indentation device for performing an indentation test on the surface of the material;
a camera device for detecting image information by photographing the surface of the material before and after the indentation test is performed;
a processing device for deriving displacement data that is displacement of the material surface by an indentation test from the image information, and deriving a directionality of yield strength of the material from the displacement data;
A system for evaluating the directionality of yield strength of materials using indentation tests and surface displacement analysis, including.
제 1 항에 있어서,
상기 압입장치의 압입자는 구형 압입자(spherical indenter)인 것을 특징으로 하는 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템.
The method of claim 1,
The indenter of the indentation device is a spherical indenter (spherical indenter), the yield strength direction evaluation system of the material using the indentation test and surface displacement analysis.
제 1 항에 있어서,
상기 처리장치는 DIC(digital image correlation) 기법을 이용하여 상기 재료 표면의 변위를 분석하는 것을 특징으로 하는 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템.
The method of claim 1,
The treatment device is a system for evaluating the directionality of yield strength of a material using an indentation test and surface displacement analysis, characterized in that it analyzes the displacement of the material surface using a digital image correlation (DIC) technique.
제 1 항에 있어서,
상기 처리장치는, 상기 변위데이터로부터 상기 재료 표면의 변위의 방향성을 도출하고, 상기 변위의 방향성으로부터 상기 항복강도의 방향성을 도출하는 것을 특징으로 하는 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템.
The method of claim 1,
The processing apparatus derives the directionality of the displacement of the material surface from the displacement data, and the yield strength directionality of the material using an indentation test and surface displacement analysis, characterized in that deriving the directionality of the yield strength from the directionality of the displacement evaluation system.
제 4 항에 있어서,
상기 처리장치는, 다음 수학식에 의해 상기 항복강도의 방향성을 도출하는 것을 특징으로 하는 압입시험 및 표면 변위 분석을 이용한 재료의 항복강도 방향성 평가 시스템.
Figure pat00018

여기서, a는 재료 표면의 변위의 방향성이고 m은 항복강도의 방향성이다.
5. The method of claim 4,
The processing device, the yield strength direction evaluation system of the material using the indentation test and surface displacement analysis, characterized in that deriving the directionality of the yield strength by the following equation.
Figure pat00018

Here, a is the directionality of the displacement of the material surface and m is the directionality of the yield strength.
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