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KR102787903B1 - 압입 시험 방법 - Google Patents

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KR102787903B1
KR102787903B1 KR1020210112717A KR20210112717A KR102787903B1 KR 102787903 B1 KR102787903 B1 KR 102787903B1 KR 1020210112717 A KR1020210112717 A KR 1020210112717A KR 20210112717 A KR20210112717 A KR 20210112717A KR 102787903 B1 KR102787903 B1 KR 102787903B1
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press
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 압입 시험 방법은, 평평한 제1 압입자로 재료의 표면을 압입하는 제1 압입 단계 및 상기 제1 압입자로 압입된 상기 재료의 표면을 제2 압입자로 압입하는 제2 압입 단계를 포함할 수 있다.

Description

압입 시험 방법{INDENTATION TEST METHOD}
본 발명은 압입 시험 방법에 관한 것이다.
물질의 경도(Hardness) 및 영률(Young's modulus)과 같은 특성을 측정하기 위한 시험 중 하나로 압입 시험이 사용된다. 압입 시험법은 압입자를 이용해 재료의 표면에 하중을 가하면서 실시간으로 하중과 압입 깊이를 측정하여, 하중-변위(load-displacement)곡선을 얻을 수 있다. 측정된 하중-변위(load-displacement)곡선의 해석을 통해 재료의 기계적 특성을 평가할 수 있다. 압입 시험법은 구조물의 안정성 및 무결성 평가를 위한 기존의 시험 방법을 대체할 수 있다. 압입 시험은 시험 절차가 간단하고. 재료의 표면에 작은 압흔만을 남기기 때문에 비파괴적인 기계적 시험법으로 현장에서 직접 기계적 물성에 대한 측정이 가능한 장점이 있다.
압입 시험은 실험실 수준에서 기존의 시험 방법과 유사한 결과를 생성하지만, 거친 표면의 재료에서 압입 시험을 수행할 때 실험 결과가 분산되는 경향이 있다. 그 결과 압입 시험 데이터는 인장, 압축 데이터 등 기존의 시험 방법과 비교하여 검증이 필요하다. 신뢰할 수 있는 데이터를 생성하기 위해서는 이상적으로 평평하고 매끄러운 표면을 가진 시편이 필요한데, 연마 및 연삭과 같은 표면 처리 공정은 잔류 응력을 유발하여, 압입 시험 영역의 응력 상태를 국부적으로 변경할 수 있다. 이러한 이유로 기존의 시험 방법에 비해 압입 시험 방법은 여러 이점에도 불구하고 산업 응용 분야에서 여전히 제한적으로 활용되고 있다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 본 압입 시험 이전에 평평한 압입자를 이용한 압입 단계를 거친 후, 본 압입 시험을 수행하는 압입 시험 방법을 제시하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 압입 시험 방법은, 평평한 제1 압입자로 재료의 표면을 압입하는 제1 압입 단계 및 상기 제1 압입자로 압입된 상기 재료의 표면을 제2 압입자로 압입하는 제2 압입 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 압입자는, 상기 제1 압입자와 형상이 다를 수 있다.
상기 제2 압입 단계로 제1 하중-변위(load-displacement)곡선을 얻을 수 있다.
상기 제1 압입자 및 상기 제2 압입자는, 상기 재료의 강성, 강도 및 경도 보다 높을 수 있다.
상기 제1 압입자는 원기둥 형상일 수 있다.
상기 제1 압입자는, 상기 제2 압입자의 직경의 적어도 3배 이상의 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 압입 단계 및 상기 제2 압입 단계를 적어도 2회 이상 반복 수행하여 복수 개의 상기 제1 하중-변위 곡선을 얻을 수 있다.
상기 제1 압입 단계의 압입 하중 및 압입 변위는, 복수 개의 상기 제1 하중-변위 곡선을 비교하여 오차범위에 따라 변경 가능할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 압입 시험 방법은 상기 제1 하중-변위 곡선을 응력-변형률(stress-strain) 곡선으로 변환하는 변환 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 압입 시험 방법은 상기 응력-변형률 곡선으로 상기 재료의 물성을 계산하는 제1 계산단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 압입 시험 방법은 상기 제1 하중-변위 곡선을, 무응력 상태의 상기 재료의 표면(stress-free surface)에서 측정한 제2 하중-변위 곡선과 비교하는 비교단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 압입 시험 방법은 상기 제1 하중-변위 곡선과 상기 제2 하중-변위 곡선을 비교하여 응력(stress)의 방향 및 크기를 계산하는 제2 계산단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 압입 시험 방법은 거친 표면의 재료에서 압입 시험으로 인한 실험 결과가 분산되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법의 압입 하중에 따른 재료의 표면을 비교한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법에서 재료의 특성에 따른 표면을 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법에서 제1 압입 깊이에 따른 제1 하중-변위 곡선을 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법에서 평평한 제1 압입자 직경에 따른 제1 하중-변위 곡선을 비교한 도면이다.
도 6은 거친 표면에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법과 거친 표면 및 매끄러운 표면에서 제1 압입 단계를 거치지 않은 압입 시험 방법에서 얻은 제1 하중-변위 곡선을 비교한 도면이다.
도 7은 제1 압입 단계를 거치지 않은 경우의 하중-변위 곡선 및 응력-변형률 곡선을 나타낸 도면이다.
도 8은 제1 압입 단계를 거친 후 제2 압입 단계를 거친 경우의 하중-변위 곡선 및 응력-변형률 곡선을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압입 시험 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압입 시험 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 잔류 응력 분포가 있는 시편과 잔류 응력 분포가 없는 시편의 제1 하중-변위 곡선을 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 압입 시험 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압입 시험 방법은 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 포함할 수 있다. 제1 압입 단계(S100)에서 재료의 표면을 매끄럽게 한 후, 제2 압입 단계(S200)에서 압입 시험을 수행하여 재료의 표면이 매끄럽지 않더라도 압입 시험을 수행할 수 있다.
이로 인해, 현장에서 별도의 시험편을 수집하지 않고 잔류 응력 상태 및 기계적 특성을 측정하여 구조적 무결성을 평가할 수 있다. 또한, 최소한의 표면 처리 공정으로 표면 마감을 위한 기계적 연마와 같은 상당한 시간과 비용을 소모하는 과정을 생략할 수 있다.
또한, 기계적 연마로 인한 잔류 응력 유발 및 테스트 영역의 국부 응력 상태 변경을 방지할 수 있다. 압입 시험 방법을 활용하면 작업 조건 및 온도에 따른 기계적 특성 및 응력 상태의 변화를 현장에서 모니터링 할 수 있다. 여기에서 도 1에 도시되어 있는 단계 외에 다른 범용적인 단계들이 압입 시험 방법에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
제1 압입 단계(S100)는 후술하는 제2 압입 단계(S200)를 수행하기 전에 평평한 제1 압입자(110)로 재료의 표면을 압입할 수 있다. 제1 압입 단계(S100)는 제1 압입자(110)를 활용하여 거친 표면(10)에 제1 압입 하중(P1)을 가하여 제1 압입 깊이(d1)만큼 압입할 수 있다. 제1 압입 단계(S100)는 평면 압입일 수 있다. 제1 압입 단계(S100)를 제2 압입 단계(S200) 이전에 함으로써 거친 표면(10)에 소성 변형이 생기고 표면 거칠기(Ra)를 국부적으로 감소시킬 수 있다. 제1 압입 단계(S100)로 거친 재료의 표면이 매끄러워지고 이에 따라 신뢰할 수 있고 재현 가능한 압입 시험 데이터를 얻을 수 있다. 제1 압입 단계(S100)는 기계적 연마 및 연삭 과정으로 인한 잔류 응력 유발 및 재료의 응력 상태의 국부적인 변형을 최소화할 수 있다.
제1 압입자(110)는 단부가 평평한 압입자로 제1 압입 단계(S100)에 활용될 수 있다. 제1 압입자(110)는 시험 재료의 강성, 강도 및 경도 보다 높을 수 있다. 여기에서, 시험 재료는 직접 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 거치는 재료를 의미한다. 제1 압입자(110)는 탄화 텅스텐(tungsten carbide) 및 다이아몬드와 같은 강도 높은 재료가 활용될 수 있다. 제1 압입자(110)의 형상은 제2 압입자(210)의 형상과 다를 수 있다. 제1 압입자(110)는 재료의 표면에 접촉하는 부분이 평평한 원기둥 형상일 수 있다.
제1 직경(Df)은 제2 직경(Ds)과의 관계 고려하여 결정될 수 있다. 제1 직경(Df)은 제2 직경(Ds)의 적어도 3배 이상의 직경을 가질 수 있다. 제1 압입자(110)에 의해 거친 재료의 표면에 압입이 이루어지면, 제1 압입 단계(S100)에 의해 평탄화된 표면(20)과 아닌 표면의 경계에서 높은 잔류 응력의 변화 및 기울기 효과가 나타날 수 있다. 이를 줄이기 위해 후술하는 제2 압입 단계(S200)는 제1 압입 단계(S100)가 이루어지는 평탄화된 표면(20)의 중심에서 수행되어야 하고, 제1 압입 단계(S100)에 의해 평탄화된 표면(20)과 아닌 표면의 경계에서 일정거리 이격될 필요가 있을 수 있다. 제1 직경(Df)이 제2 직경(Ds)의 3배 이상인 경우, 제1 압입 단계(S100)에 의해 평탄화 된 표면(20)이 충분히 넓을 수 있다. 이로 인해 경계에서의 잔류 응력의 변화 및 기울기 효과로부터 자유롭게 평탄화 된 표면(20)의 중심에서 제2 압입자(210)가 압입될 수 있다.
제1 압입 깊이(d1)는 제1 압입자(110)가 거친 표면(10)을 평평하게 하는 소성 변형을 일으키며 거친 표면(10) 내부로 압입되는 정도를 의미할 수 있다. 제1 압입 깊이(d1)는 재료의 강도와 같은 속성, 재료의 표면 거칠기(Ra) 및 잔류 응력 상태 등을 고려하여 결정될 수 있다. 제1 압입 깊이(d1)는 후술하는 제1 하중-변위 곡선에 표면 거칠기(Ra)의 영향을 줄여 신뢰할 수 있는 압입 데이터 값을 얻기에 충분한 깊이로 설정될 수 있다. 다만, 제1 압입 깊이(d1)는 반드시 이에 한정되지 않고, 당업자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.
제1 압입 하중(P1)은 제1 압입 단계(S100)를 수행할 때 제1 압입자(110)에 의해 재료의 표면에 가해지는 힘을 의미할 수 있다. 제1 압입 하중(P1)은 재료의 강도와 같은 속성, 재료의 표면 거칠기(Ra) 및 잔류 응력 상태 등을 고려하여 결정될 수 있다. 제1 압입 하중(P1)은 후술하는 제1 하중-변위 곡선에 표면 거칠기(Ra)의 영향을 줄여 신뢰할 수 있는 압입 데이터 값을 얻기에 충분한 하중으로 설정될 수 있다. 다만, 제1 압입 하중(P1)은 반드시 이에 한정되지 않고 당업자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.
제2 압입 단계(S200)는 제2 압입자(210)로 재료에 하중을 가하면서 밀어 넣어 하중에 따른 변위를 실시간으로 측정할 수 있다. 제2 압입 단계(S200)는 제2 압입자(210)를 활용하여 평탄화된 표면(20)에 제2 압입 하중(P2)을 가하여 제2 압입 깊이(d2)만큼 압입할 수 있다. 다만, 거친 표면(10)에 제2 압입 단계(S200)를 수행할 경우, 실험 결과가 분산되어 반복 재현성이 없을 수 있다. 따라서, 제1 압입 단계(S100)를 통해 거친 표면(10)을 평탄화 한 후 제2 압입 단계(S200)를 수행할 수 있다.
제2 압입 단계(S200)로 제1 하중-변위 곡선을 얻을 수 있다. 여기에서 제1 하중-변위 곡선이란, 제2 압입 단계(S200)의 압입이 진행되는 과정에서 연속적으로 하중과 변위를 측정해 곡선으로 나타낸 것이다. 제2 압입 단계(S200)에서는 제2 압입자(210)로 평탄화 된 표면(20)에 제2 압입 하중(P2)을 인가하며 그에 따라 평탄화 된 표면(20)에 발생한 압흔(indentation)을 관측할 수 있다.
제2 압입자(210)는 제1 압입 단계(S100) 이후 평탄화된 표면(20)에 압입되는 압입자로 제2 압입 단계(S200)에 활용될 수 있다. 제2 압입자(210)는 시험 재료의 강성, 강도 및 경도 보다 높을 수 있다. 제2 압입자(210)는 제1 하중-변위 곡선에 대한 제2 압입자(210)의 유한 탄성 변형의 영향을 줄이기 위해 탄화 텅스텐(tungsten carbide) 및 다이아몬드와 같은 재료가 활용될 수 있다. 제2 압입자(210)의 형상은 제1 압입자(110)의 형상과 다를 수 있다. 제2 압입자(210)는 재료의 표면과 접촉하는 단부가 좁은 다양한 형상일 수 있다. 예를 들어, 제2 압입자(210)는 구형 압입자, 원추형 압입자, 피라미드형 압입자, 비커스(Vickers) 압입자 및 눕(Knoop) 압입자가 될 수 있다.
제2 직경(Ds)은 제1 직경(Df)과의 관계를 고려하여 결정될 수 있다. 제2 직경(Ds)은 제1 직경(Df)의 1/3 이하일 수 있다. 제2 직경(Ds)이 작아야 거친 표면(10)과 평탄화 된 표면(20)의 경계에서 일정 거리 이격된 표면에서 제2 압입 단계(S200)가 수행될 수 있다.
제2 압입 깊이(d2)는 제2 압입자(210)가 평탄화된 표면(20) 내부로 소성 변형을 일으키며 압입되는 정도를 의미할 수 있다. 제2 압입 깊이(d2)는 제2 압입 단계(S200)에서 실시간으로 측정될 수 있다. 제2 압입 깊이(d2)는 제1 하중-변위 곡선에서 변위에 해당할 수 있다.
제2 압입 하중(P2)은 제2 압입 단계(S200)를 수행할 때 제2 압입자(210)에 의해 평탄화된 표면(20)에 가해지는 힘을 의미할 수 있다. 제2 압입 하중(P2)은 측정하고자 하는 재료 및 조건에 따라 연속적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 제2 압입 단계(S200)를 수행하는 경우 제2 압입 하중(P2)은 2N(newton)이상 30KN이하의 값을 가지며 연속적으로 변할 수 있다. 더 작은 범위에서 제2 압입 단계(S200)를 수행하는 경우 제2 압입 하중(P2)은 2N 미만의 범위에서 연속적으로 변할 수 있다. 다만, 제2 압입 하중(P2)은 이에 한정되지 않고, 당업자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 일부 변경될 수 있다.
제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)는 적어도 2회 이상 반복 수행하여 복수 개의 제1 하중-변위 곡선을 얻을 수 있다. 동일한 제1 압입 하중(P1) 및 제1 압입 깊이(d1)로 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 여러 번 수행하여 거친 표면(10)의 표면 거칠기(Ra)에 영향을 받지 않는 안정적인 시험 데이터인지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들어, 제1 압입 하중(P1)은 10KN이고 제1 압입 깊이(d1)는 100㎛로 설정하여 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 5회 수행하여 5개의 제1 하중-변위 곡선을 얻을 수 있다. 5개의 제1 하중-변위 곡선 데이터의 오차범위를 확인하여 안정적인 시험 데이터인지 여부 확인할 수 있다.
제1 압입 단계(S100)의 제1 압입 하중(P1) 및 제1 압입 깊이(d1)는 복수 개의 제1 하중-변위 곡선을 비교하여 오차범위에 따라 변경 가능할 수 있다. 제1 하중-변위 곡선 데이터 간 오차범위가 큰 경우, 제1 압입 단계(S100)에서 충분한 평탄화가 이루어지지 않아 표면 거칠기(Ra)의 영향으로 시험결과가 분산되었다 판단할 수 있다. 이때, 제1 압입 하중(P1)을 증가시키고 및 제1 압입 깊이(d1)를 깊게 하여 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 반복 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 압입 하중(P1)은 10KN이고 제1 압입 깊이(d1)는 100㎛로 설정하여 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 5회 수행하여 5개의 제1 하중-변위 곡선을 얻을 수 있다. 5개의 제1 하중-변위 곡선 데이터의 오차범위가 5%를 초과하는 경우, 제1 압입 하중(P1)은 15KN 및 제1 압입 깊이(d1)를 150㎛로 변경하여 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 반복 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법의 제1 압입 하중(P1)에 따른 재료의 표면을 비교한 도면이다.
도 2를 참조하면, 그래프 ①은 표면 거칠기(Ra)가 3.8㎛인 스테인리스강(STS 304)의 초기 가공 표면을 나타낸다. 그래프 ②는 제1 직경(Df)가 3mm인 제1 압입자(110)를 이용해 제1 압입 하중(P1) 10kN으로 압입 하였을 때의 표면으로 표면 거칠기(Ra)가 2.1㎛이다. 그래프 ③은 제1 직경(Df)가 3mm인 제1 압입자(110)를 이용해 제1 압입 하중(P1) 15kN으로 압입 하였을 때의 표면으로 표면 거칠기(Ra)가 1.2㎛이다. 그래프 ④는 제1 직경(Df)가 3mm인 제1 압입자(110)를 이용해 제1 압입 하중(P1) 20kN으로 압입 하였을 때의 표면으로 표면 거칠기(Ra)가 0.9㎛이다.
그래프 ① 내지 ④를 통해, 제1 압입 단계(S100)를 거치는 경우, 거친 표면(10)이 평평한 제1 압입자(110) 아래의 높은 접촉 압력 하에서 큰 소성 변형을 일으켜 표면 거칠기(Ra)가 국부적으로 감소함을 알 수 있다. 또한, 제1 압입 하중(P1)의 크기가 10kN에서 15kN 및 20kN으로 커짐에 따라 표면 거칠기는 2.1㎛, 1.2㎛ 및 0.9㎛로 점차 감소하여 제1 압입 하중(P1)의 크기가 커짐에 따라 표면 거칠기는 감소함을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법에서 재료의 특성에 따른 표면을 비교한 도면이다.
도 3을 참조하면, 그래프 ①은 시험 재료의 초기 표면 형상이다. 여기에서, 그래프 ①은 시험 재료의 초기 표면 형상만을 나타내고 탄성 한계 응력(elastic limit stress, σ 0 ) 및 변형 경화 지수(strain hardening exponent, n)는 각각 그래프 ② 내지 ④의 경우와 동일하다. 그래프 ②는 탄성 한계 응력(σ 0 )이 200Mpa이고 변형 경화 지수(n)가 20인 시험재료에 제1 압입자(110)로 제1 직경(Df)이 3mm이고 최대 제1 압입 깊이(d1)을 100㎛로 하여 제1 압입 단계(S100)를 수행한 표면이다. 그래프 ③은 탄성 한계 응력(σ 0 )이 400Mpa이고 변형 경화 지수(n)가 10인 시험재료에 그래프 ②와 동일 조건 하에 제1 압입 단계(S100)를 수행한 표면이다. 그래프 ④는 탄성 한계 응력(σ 0 )이 800Mpa이고 변형 경화 지수(n)가 5인 시험 재료에 그래프 ②와 동일 조건 하에 제1 압입 단계(S100)를 수행한 표면이다.
그래프 ① 내지 ④를 참조하면, 동일한 제1 압입 깊이(d1) 및 제1 직경(Df) 하에서 재료 특성이 다른 경우의 평탄화 된 표면(20)을 비교할 수 있다. 그래프 ②의 강도가 낮은 재료의 경우 그래프 ④의 강도가 높은 재료보다 큰 소성 변형이 발생하여 평탄화 정도가 높음을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법에서 제1 압입 깊이(d1)에 따른 제1 하중-변위 곡선을 비교한 도면이다.
도 4를 참조하면, 그래프 ①은 탄성 한계 응력(σ 0 )이 400MPa이고 변형 경화 지수(n)가 10이고 제1 직경(Df)이 2mm일 때, 최대 제1 압입 깊이(d1)를 150㎛로 하여 제1 압입 단계(S100)를 수행한 제1 하중-변위 곡선이다. 그래프 ②는 그래프 ①과 나머지 조건은 동일하고 최대 제1 압입 깊이(d1)가 100㎛일 때의 제1 하중-변위 곡선이다. 그래프 ③은 그래프 ①과 나머지 조건은 동일하고 최대 제1 압입 깊이(d1)가 50㎛일 때의 제1 하중-변위 곡선이다.
그래프 ① 내지 ③을 참조하면, 제1 하중-변위 곡선에 대한 제1 압입 깊이(d1)의 영향을 확인할 수 있다. 제1 압입 깊이(d1)가 50㎛인 경우보다 제1 압입 깊이(d1)가 100㎛ 및 150㎛로 늘어남에 따라 제1 하중-변위 곡선이 점차 안정됨을 확인할 수 있다.
제1 압입 깊이(d1)가 50㎛인 경우 거친 표면(10)을 평탄화 하기에 충분하지 않아 상당히 높은 표면 거칠기 및 고르지 않은 잔류 응력 분포를 가질 수 있다. 따라서 거친 표면(10)을 평탄화 하는데 필요한 최대 제1 압입 깊이(d1)까지 제1 압입 깊이(d1)를 늘려가며 제1 압입 단계(S100)를 수행하면 제1 하중-변위 곡선에 대한 표면 거칠기의 영향을 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법에서 평평한 제1 직경(Df)에 따른 제1 하중-변위 곡선을 비교한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 5 (a)는 탄성 한계 응력(σ 0 )이 400MPa이고 변형 경화 지수(n)이 10이며 제1 직경(Df)이 2mm이고 최대 제1 압입 깊이(d1)가 100㎛일 때, 그래프 ①은 매끄러운 표면에서 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 수행한 제1 하중-변위 곡선이고 그래프 ②는 매끄러운 표면에서 제2 압입 단계(S200)을 수행한 제1 하중-변위 곡선이다. 도 5 (b)는 도 5 (a)와 동일 조건 하에서 제1 직경(Df)만 3mm로 변경한 것이다. 도 5 (c)는 도 5 (a)와 동일 조건 하에서 제1 직경(Df)만 4mm로 변경한 것이다.
도 5 (a) 내지 (c)를 참조하면, 제1 하중-변위 곡선에 제1 직경(Df)이 미치는 영향을 확인할 수 있다. 도 5 (a) 를 참조하면, 제1 직경(Df)이 2mm인 경우 제2 압입 깊이(d2)가 깊어짐에 따라 그래프 ①과 ②간의 편차가 커짐을 알 수 있다. 이에 반해, 도 5 (b) 및 (c)를 참조하면, 제1 직경(Df)이 3, 4mm인 경우 제2 압입 깊이(d2)가 깊어짐에 따라 그래프 ①과 ②간의 편차가 크지 않음을 알 수 있다.
이러한 편차는 제1 압입 단계(S100)에서의 제1 직경(Df)이 충분히 크지 않아 고르지 않은 잔류 응력 분포에 의해 발생할 수 있다. 제1 직경(Df)이 충분히 크지 않은 경우, 제1 압입자(110) 하단의 거친 표면(10)과 평탄화 된 표면(20)의 경계에서 높은 기울기를 유발할 수 있으며 이로 인해 제1 하중-변위 곡선에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 거친 표면(10)에서 매끄러운 표면에서의 제1 하중-변위 곡선과 유사한 제1 하중-변위 곡선을 얻기 위해서는, 제1 직경(Df)이 최소 제2 직경(Ds)의 3배 이상이 되는 충분한 직경 비율을 유지해야 한다. 이는 제2 압입자(210)의 형상이 원뿔형, 구형, 피라미드형, 비커스 형상 및 눕 형상인 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 다만, 일정 제1 압입 깊이(d1)를 얻기 위해 필요한 제1 압입 하중(P1)은 제1 직경(Df)이 증가함에 따라 증가함을 고려하여 제1 직경(Df)을 결정 할 수 있다.
도 6은 거친 표면에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법과 거친 표면 및 매끄러운 표면에서 제1 압입 단계(S100)를 거치지 않은 압입 시험 방법에서 얻은 제1 하중-변위 곡선을 비교한 도면이다.
도 6을 참조하면, 그래프 ①은 탄성 한계 응력(σ 0 )이 400MPa이고 변형 경화 지수(n)가 10이며 제1 직경(Df)이 3mm일 때, 거친 표면(10)에서 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 거친 제1 하중-변위 곡선을 나타낸다. 그래프 ②는 그래프 ①과 동일 조건 하에서 매끄러운 표면에서 제2 압입 단계(S200)를 거친 제1 하중-변위 곡선을 나타낸다. 그래프 ③은 그래프 ①과 동일 조건 하에서 거친 표면(10)에서 제2 압입 단계(S200)를 거친 제1 하중-변위 곡선을 나타낸다.
도 6의 그래프 ①은 그래프 ②와 편차가 있음을 알 수 있다. 제1 압입 하중(P1)을 줄이는 언로딩(unloading) 과정 에서는 표면 거칠기에 관계없이 그래프 ①, 그래프 ②및 그래프 ③의 제1 하중-변위 곡선이 일치함을 알 수 있다.
도 6의 그래프 ①및 그래프 ②간 의 편차는 제1 압입 단계(S100) 이후에 잔존하는 고르지 않은 잔류응력의 존재, 거친 표면(10)이 완벽히 평평해지지 않음에 따른 잔류 거칠기의 존재 및 제1 압입 단계(S100) 이후에 존재하는 압흔에 의해 발생할 수 있다.
도 6의 그래프 ③는 그래프 ①의 경우보다 그래프 ②와의 편차가 큼을 알 수 있다. 따라서 제1 압입 단계(S100)를 거침에 따른 잔류응력, 잔류 거칠기 및 압흔에도 불구하고 제1 압입 단계(S100)를 거치지 않은 경우보다 신뢰할 수 있는 데이터를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 제1 압입 단계(S100)를 거치지 않은 경우의 하중-변위 곡선및 응력-변형률 곡선을 나타낸 도면이고, 도 8은 제1 압입 단계(S100)를 거친 후 제2 압입 단계(S200)를 거친 경우의 하중-변위 곡선 및 응력-변형률 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 압입 단계(S100)를 거치는 지 여부에 따라 제1 하중-변위 곡선 및 응력-변형률 곡선의 양상이 달라짐을 알 수 있다. 도 7 (a)에서 그래프 ①은 거친 표면(10)에서의 제1 하중-변위 곡선을 나타내고, 그래프 ②는 매끄러운 표면에서의 이상적인 제2 하중-변위 곡선을 나타낸다. 여기에서, 제2 하중-변위 곡선은 매끄럽고 이상적인 표면에서 제2 압입 단계(S200)를 수행해 제2 압입 단계(S200)의 압입이 진행되는 과정에서 연속적으로 하중과 변위를 측정해 곡선으로 나타낸 것이다. 도 7 (b)에서 그래프 ①은 제2 압입 단계(S200)를 거친 압입 시험에서의 제1 응력-변형률 곡선을 나타내고, 그래프 ②는 인장시험에서의 제2 응력-변형률 곡선을 나타낸다.
도 8 (a)의 그래프 ①은 평탄화 된 표면에서의 제1 하중-변위 곡선을 나타낸다. 도 8 (b)의 그래프 ①은 제1 압입 단계(S100) 및 제2 압입 단계(S200)를 거친 압입 시험에서의 제1 응력-변형률 곡선을 나타내고, 그래프 ②는 인장시험에서의 제2 응력-변형률 곡선을 나타낸다.
하중-변위 곡선에서, 제1 압입 단계(S100)를 거치지 않은 경우(도 7 (a)참조)의 그래프 ①은 제1 하중-변위 곡선이 불규칙 적인 형태로 형성되며 점선으로 표현된 매끄러운 표면에서의 이상적인 제2 하중-변위 곡선인 그래프②와의 편차가 상당함을 알 수 있다. 이에 반해 제1 압입 단계(S100)를 거친 경우(도 8 (a)참조)의 그래프 ①은 보다 안정적이고 매끄러운 표면에서의 이상적인 제2 하중-변위 곡선과의 편차가 줄어든 것을 확인할 수 있다.
응력-변형률 곡선에서, 제1 압입 단계(S100)를 거치지 않은 경우(도 7 (b)참조)에는 제1 응력-변형률 곡선인 그래프 ①은 인장 시험에서의 제2 응력-변형률 곡선인 그래프 ②와의 차이가 클 수 있다. 제1 압입 단계(S100)를 거친 경우(도 8 (b)참조)에는 제1 응력-변형률 곡선인 그래프 ①이 인장 시험에서의 제2 응력-변형률 곡선인 그래프 ②와의 차이가 줄어든 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압입 시험 방법에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압입 시험 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압입 시험 방법은 제1 압입 단계(S100), 제2 압입 단계(S200), 변환 단계(S300) 및 제1 계산 단계(S400)의 순서로 진행될 수 있다. 여기에서, 도 9에 도시되어 있는 단계들 외에 다른 범용적인 단계들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 압입 시험 방법은 변환 단계(S300) 및 제1 계산 단계(S400)를 제외하고는 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법과 동일한 단계로 이루어지므로 동일한 단계에 대한 중복 설명은 생략한다.
변환 단계(S300)는 제2 압입 단계(S200)로 얻은 제1 하중-변위 곡선을 제1 응력-변형률 곡선으로 변환하는 단계이다. 제1 하중-변위 곡선을 제1 응력-변형률 곡선으로 변환하는 이유는 제1 응력-변형률 곡선을 이용하여 재료의 기계적 물성을 계산하기 용이하기 때문이다. 제1 하중-변위 곡선을 제1 응력-변형률 곡선으로 변환할 때에는 역해석 기법과 같은 매끄러운 표면을 기반으로 개발된 기존의 재료 물성 평가를 위한 압입 방법에 기초하여 변환할 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면 제1 압입 단계(S100)와 제2 압입 단계(S200)를 거친 압입 시험 방법의 경우, 매끄러운 표면에서의 압입 시험과 시험 결과가 크게 차이 나지 않기 때문에 매끄러운 표면을 기반으로 개발된 기존의 재료 물성 평가를 위한 압입 방법을 활용할 수 있다.
제1 계산 단계(S400)는 변환 단계(S300)로 얻어진 제1 응력-변형률 곡선을 이용하여 재료의 기계적 물성을 계산하는 단계이다. 제1 계산 단계(S400)에 의해 제1 응력-변형률 곡선에서 탄성 계수 E, 탄성 한계 응력 σ 0 및 경도 H 등과 같은 기계적 물성을 계산할 수 있다. 예를 들어, 탄성 계수 E는 제1 응력-변형률 곡선이 선형인 영역(탄성 영역)의 기울기로 계산할 수 있다. 탄성 한계 응력 σ 0 은 제1 응력-변형률 곡선이 선형인 영역(탄성 영역)에서 곡선인 영역(소성 영역)으로 넘어가는 경계에서의 응력으로 계산할 수 있다. 경도 H는 최대 제2 압입 하중(P2)과 평탄화 된 표면(20)에 남아있는 압흔의 크기로부터 계산할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압입 시험 방법에 대해서 설명한다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압입 시험 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 11은 잔류 응력 분포가 있는 시편과 잔류 응력 분포가 없는 시편의 제1 하중-변위 곡선을 비교한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 압입 시험 방법에는 제1 압입 단계(S100), 제2 압입 단계(S200), 비교 단계(S500) 및 제2 계산 단계(S600)의 순서로 진행될 수 있다. 여기에서, 도 10에 도시되어 있는 단계들 외에 다른 범용적인 단계들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
본 제3 실시예에 따른 압입 시험 방법은 비교 단계(S500) 및 제2 계산 단계(S600)를 제외하고는 제1 실시예에 따른 압입 시험 방법과 동일한 단계로 이루어지므로 동일한 단계에 대한 중복 설명은 생략한다.
비교 단계(S500)는 제1 하중-변위 곡선을 무응력 상태 재료의 표면에서 측정한 제2 하중-변위 곡선과 비교할 수 있다. 비교 단계(S500)에서는 제1 하중-변위 곡선과 제2 하중-변위 곡선간의 편차량 및 방향을 평가할 수 있다.
도 11을 참조하면, 그래프 ①은 압축 잔류 응력이 존재할 경우의 제1 하중-변위 곡선, 그래프 ②는 잔류 응력이 존재하지 않을 경우의 제1 하중-변위 곡선 및 그래프 ③은 인장 잔류 응력이 존재할 경우의 제1 하중-변위 곡선을 의미할 수 있다. 그래프 ①은 그래프 ②에 비해 동일 변위에 대해 큰 하중 값을 가짐을 알 수 있다. 그래프 ③은 그래프 ②에 비해 동일 변위에 대해 작은 하중 값을 가짐을 알 수 있다.
제2 계산 단계(S600)는 제1 하중-변위 곡선과 제2 하중-변위 곡선을 비교하여 응력의 방향 및 크기를 계산할 수 있다. 제2 계산 단계(S600)에서는 비교 단계(S500)에서 평가된 제1 하중-변위 곡선과 제2 하중-변위 곡선 간의 편차량 및 방향으로 잔류 응력 및 현재 응력의 크기 및 방향을 계산할 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면 제1 압입 단계(S100)와 제2 압입 단계(S200)를 거친 압입 시험 방법의 경우, 매끄러운 표면에서의 압입 시험과 시험 결과가 크게 차이 나지 않기 때문에 매끄러운 표면을 기반으로 개발된 기존의 잔류 응력 평가 방법을 활용할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 거친 표면
20 평탄화 된 표면
S100 제1 압입 단계
S200 제2 압입 단계
S300 변환 단계
S400 제1 계산 단계
S500 비교 단계
S600 제2 계산 단계

Claims (12)

  1. 시료의 표면을 가압할 때 재료를 평평하게 가압할 수 있는 평평한 제1 압입자로 재료의 표면을 압입하는 제1 압입 단계 및
    상기 제1 압입자에 의하여 함몰되며 평평하게 된 재료의 표면에 제2 압입자로 압입하는 제2 압입 단계를 포함하는, 압입 시험 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 압입자는, 상기 제1 압입자와 형상이 다른, 압입 시험 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 압입 단계로 제1 하중-변위(load-displacement)곡선을 얻는, 압입 시험 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 압입자 및 상기 제2 압입자는,
    상기 재료의 강성, 강도 및 경도 보다 높은, 압입 시험 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 압입자는 원기둥 형상인, 압입 시험 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 압입자는,
    상기 제2 압입자의 직경의 적어도 3배 이상의 직경을 갖는, 압입 시험 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 압입 단계 및 상기 제2 압입 단계를 적어도 2회 이상 반복 수행하여 복수 개의 제1 하중-변위 곡선을 얻는, 압입 시험 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 압입 단계의 압입 하중 및 압입 변위는,
    복수 개의 상기 제1 하중-변위 곡선을 비교하여 오차범위에 따라 변경 가능한, 압입 시험 방법
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 하중-변위 곡선을 응력-변형률(stress-strain) 곡선으로 변환하는 변환 단계를 더 포함하는, 압입 시험 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 응력-변형률 곡선으로 상기 재료의 물성을 계산하는 제1 계산단계를 더 포함하는, 압입 시험 방법.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 하중-변위 곡선을,
    무응력 상태의 상기 재료의 표면(stress-free surface)에서 측정한 제2 하중-변위 곡선과 비교하는 비교단계를 더 포함하는, 압입 시험 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 하중-변위 곡선과 상기 제2 하중-변위 곡선을 비교하여 응력(stress)의 방향 및 크기를 계산하는 제2 계산단계를 더 포함하는, 압입 시험 방법.
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