Ball-on-3-ball 시험에 의한 알루미나의 이축 파괴 거동 및 피로 수명 예측 시뮬레이션 Biaxial fracture behavior and simulation for prediction of fatigue lifetime in alumina by ball-on-3ball test원문보기
이축 강도를 측정하기 위한 시험 중 새로운 방법인 ball-on-3-ball 시험에 대하여 알루미나세라믹스의 이축 파괴 거동 및 피로 수명 예측 시뮬레이션에 대하여 고찰하였다. ASTM 규격에 규정되어 있는 piston-on-3-ball 시험법과 비교하여 ball-on-3-ball 시험에서 강도를 결정하기 위한 방법과 시험 중 시편에 인가되는 ...
이축 강도를 측정하기 위한 시험 중 새로운 방법인 ball-on-3-ball 시험에 대하여 알루미나세라믹스의 이축 파괴 거동 및 피로 수명 예측 시뮬레이션에 대하여 고찰하였다. ASTM 규격에 규정되어 있는 piston-on-3-ball 시험법과 비교하여 ball-on-3-ball 시험에서 강도를 결정하기 위한 방법과 시험 중 시편에 인가되는 응력 분포에 대해서 고찰한 결과, ball-on-3-ball 시험에서의 이축 강도는 piston-on-3-ball 시험에서의 강도식과 등가 반지름을 이용하여 계산할 수 있었다. 유한 요소 해석을 이용하여 ball-on-3-ball 시험과 piston-on-3-ball 시험에서 시편의 변형과 응력 분포를 비교 분석해 본 결과, 시편 아래면 중심에서 최대 인장 응력이 인가되고 가장자리로 갈수록 점점 줄어드는 분포를 보인다. Ball-on-3-ball 시험에서 이축 파괴 거동을 살펴보기 위해서 시편 압입에 따른 영향, 시편 두께에 따른 영향, down speed에 따른 영향 등으로 나누어 고찰한 결과, 시편 중심에서 압입점까지의 거리가 멀어질수록 파괴 강도가 증가하였고, 지지볼을 지나지 않는 경로에 압입한 시편보다는 지지볼을 지나는 경로에 압입한 시편의 강도가 높게 나타났다. 또한, 시편 두께에 따라 강도의 차이는 생기지 않았고, crack-branching number가 커질수록 강도는 증가하는 경향을 나타내었다. #600 grit의 다이아몬드 휠로 표면 마무리 가공을 한 알루미나 시편의 경우, grinding 방향은 jog 방향에 대해 영향을 미친다고 할 수 없다. 시편에 하중을 인가하는 down speed가 빠를수록 파괴 강도는 증가하고, 디스크형 알루미나 시편에 대한 ball-on-3-ball 치구에서의 동적 피로 시험에서 균열 성장 지수와 상수 A를 구하였다. 세라믹스의 피로 수명을 예측하기 위하여, 느린 성장 균열 모델을 기초로 하여 피로 수명에 가장 큰 영향을 미친다고 생각되는 균열의 크기와 분포, 시편에 인가되는 응력의 크기와 분포만을 고려하여 모델을 구성하고 시뮬레이션을 이용하여 고찰한 결과, 시편에 존재하는 초기 균열 길이가 작고 down speed가 느린 경우, 동적 피로 시험 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 일치하였다. 초기 균열 길이가 2.3μm인 막대형 알루미나 시편을 0.0005 mm/min의 down speed로 동적 피로 시험했을 때와 같은 피로 수명을 갖기 위해서는 응력비가 각각 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5인 부분에서는 각각 2.9, 3.7, 5.0, 6.9, 10.2 μm 길이의 초기 균열이 존재해야 가능하고, 초기 균열 길이가 2.3 μm인 디스크형 알루미나 시편을 0.0005 mm/min의 down speed로 동적 피로 시험했을 때와 같은 피로 수명을 갖기 위해서는 응력비가 각각 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5인 부분에서는 각각 2.9, 3.9, 5.2, 7.5, 11.4 μm 길이의 초기 균열이 존재해야 가능하다.
이축 강도를 측정하기 위한 시험 중 새로운 방법인 ball-on-3-ball 시험에 대하여 알루미나 세라믹스의 이축 파괴 거동 및 피로 수명 예측 시뮬레이션에 대하여 고찰하였다. ASTM 규격에 규정되어 있는 piston-on-3-ball 시험법과 비교하여 ball-on-3-ball 시험에서 강도를 결정하기 위한 방법과 시험 중 시편에 인가되는 응력 분포에 대해서 고찰한 결과, ball-on-3-ball 시험에서의 이축 강도는 piston-on-3-ball 시험에서의 강도식과 등가 반지름을 이용하여 계산할 수 있었다. 유한 요소 해석을 이용하여 ball-on-3-ball 시험과 piston-on-3-ball 시험에서 시편의 변형과 응력 분포를 비교 분석해 본 결과, 시편 아래면 중심에서 최대 인장 응력이 인가되고 가장자리로 갈수록 점점 줄어드는 분포를 보인다. Ball-on-3-ball 시험에서 이축 파괴 거동을 살펴보기 위해서 시편 압입에 따른 영향, 시편 두께에 따른 영향, down speed에 따른 영향 등으로 나누어 고찰한 결과, 시편 중심에서 압입점까지의 거리가 멀어질수록 파괴 강도가 증가하였고, 지지볼을 지나지 않는 경로에 압입한 시편보다는 지지볼을 지나는 경로에 압입한 시편의 강도가 높게 나타났다. 또한, 시편 두께에 따라 강도의 차이는 생기지 않았고, crack-branching number가 커질수록 강도는 증가하는 경향을 나타내었다. #600 grit의 다이아몬드 휠로 표면 마무리 가공을 한 알루미나 시편의 경우, grinding 방향은 jog 방향에 대해 영향을 미친다고 할 수 없다. 시편에 하중을 인가하는 down speed가 빠를수록 파괴 강도는 증가하고, 디스크형 알루미나 시편에 대한 ball-on-3-ball 치구에서의 동적 피로 시험에서 균열 성장 지수와 상수 A를 구하였다. 세라믹스의 피로 수명을 예측하기 위하여, 느린 성장 균열 모델을 기초로 하여 피로 수명에 가장 큰 영향을 미친다고 생각되는 균열의 크기와 분포, 시편에 인가되는 응력의 크기와 분포만을 고려하여 모델을 구성하고 시뮬레이션을 이용하여 고찰한 결과, 시편에 존재하는 초기 균열 길이가 작고 down speed가 느린 경우, 동적 피로 시험 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 일치하였다. 초기 균열 길이가 2.3μm인 막대형 알루미나 시편을 0.0005 mm/min의 down speed로 동적 피로 시험했을 때와 같은 피로 수명을 갖기 위해서는 응력비가 각각 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5인 부분에서는 각각 2.9, 3.7, 5.0, 6.9, 10.2 μm 길이의 초기 균열이 존재해야 가능하고, 초기 균열 길이가 2.3 μm인 디스크형 알루미나 시편을 0.0005 mm/min의 down speed로 동적 피로 시험했을 때와 같은 피로 수명을 갖기 위해서는 응력비가 각각 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5인 부분에서는 각각 2.9, 3.9, 5.2, 7.5, 11.4 μm 길이의 초기 균열이 존재해야 가능하다.
The method to determine the biaxial strength by ball-on-3-ball test was studied and the stress distribution in the specimen during ball-on-3-ball testing was calculated by FEA(finite element analysis), comparing with the piston-on-3-ball test prescribed in ASTM. It was found that the biaxial strengt...
The method to determine the biaxial strength by ball-on-3-ball test was studied and the stress distribution in the specimen during ball-on-3-ball testing was calculated by FEA(finite element analysis), comparing with the piston-on-3-ball test prescribed in ASTM. It was found that the biaxial strength by ball-on-3-ball test can be calculated using the equation of the strength for piston-on-3-ball test and the equivalent radius. It was observed that maximum tensile stress was loaded at the center of the lower face of the specimen by FEA method. The far the distance was from the center to edge of the specimen, the lower the loading stress was. In order to observe the biaxial fracture behavior, the effect of indentation, the effect of the thickness of the specimen and the effect of down speed were studied. The far the distance from the center of the specimen to indent was, the higher the fracture strength was. The strength of the specimen indented at the path passing the supporting ball was higher than that of the specimen indented at the path not passing the supporting ball. The strength was not dependent on the thickness of the specimens. Crack-branching number was observed to increase linearly with the thickness of the specimen. It is thought that the surface finishing with #600 grit diamond wheel did not affect the surface flaws of the specimens. The faster the down speed is, the higher the strength of the specimen was. Crack growth exponent and constant A of disc-type alumina were obtained from the dynamic fatigue test by ball-on-3-ball method. A mathematical model to predict fatigue lifetime of ceramics was derived on the basis of the slow crack growth mechanism, by considering the important factors affecting the fatigue lifetime of ceramics to be the crack length and its distribution in ceramics as well as the stress and its distribution in ceramics. The simulation result of the unnotched specimen which has small initial crack length was in the better agreement with the experimental data than the simulation result of the specimen which has large initial crack length was. The simulation result for the slow down speed showed the better agreement with the experimental data than the simulation result for the fast down speed. The bar-type alumina specimen with the initial crack of 2.3 μm at the region loaded by maximum stress (γ=1) showed the fatigue lifetime of 10621 seconds. Simulation also revealed that the initial crack of 2.9, 3.7, 5.0, 6.9, 10.2 μm is needed at the region of γ=0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, respectively, to have same fatigue lifetime. The disc-type alumina specimen with the initial crack of 2.3 μm at the region loaded by maximum stress (γ=1), fatigue lifetime was simulated to be 15993 seconds. Simulation also revealed that the initial crack of 2.9, 3.9, 5.2, 7.5, 11.4 μm is needed at the region of γ=0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, respectively, for the same fatigue lifetime.
The method to determine the biaxial strength by ball-on-3-ball test was studied and the stress distribution in the specimen during ball-on-3-ball testing was calculated by FEA(finite element analysis), comparing with the piston-on-3-ball test prescribed in ASTM. It was found that the biaxial strength by ball-on-3-ball test can be calculated using the equation of the strength for piston-on-3-ball test and the equivalent radius. It was observed that maximum tensile stress was loaded at the center of the lower face of the specimen by FEA method. The far the distance was from the center to edge of the specimen, the lower the loading stress was. In order to observe the biaxial fracture behavior, the effect of indentation, the effect of the thickness of the specimen and the effect of down speed were studied. The far the distance from the center of the specimen to indent was, the higher the fracture strength was. The strength of the specimen indented at the path passing the supporting ball was higher than that of the specimen indented at the path not passing the supporting ball. The strength was not dependent on the thickness of the specimens. Crack-branching number was observed to increase linearly with the thickness of the specimen. It is thought that the surface finishing with #600 grit diamond wheel did not affect the surface flaws of the specimens. The faster the down speed is, the higher the strength of the specimen was. Crack growth exponent and constant A of disc-type alumina were obtained from the dynamic fatigue test by ball-on-3-ball method. A mathematical model to predict fatigue lifetime of ceramics was derived on the basis of the slow crack growth mechanism, by considering the important factors affecting the fatigue lifetime of ceramics to be the crack length and its distribution in ceramics as well as the stress and its distribution in ceramics. The simulation result of the unnotched specimen which has small initial crack length was in the better agreement with the experimental data than the simulation result of the specimen which has large initial crack length was. The simulation result for the slow down speed showed the better agreement with the experimental data than the simulation result for the fast down speed. The bar-type alumina specimen with the initial crack of 2.3 μm at the region loaded by maximum stress (γ=1) showed the fatigue lifetime of 10621 seconds. Simulation also revealed that the initial crack of 2.9, 3.7, 5.0, 6.9, 10.2 μm is needed at the region of γ=0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, respectively, to have same fatigue lifetime. The disc-type alumina specimen with the initial crack of 2.3 μm at the region loaded by maximum stress (γ=1), fatigue lifetime was simulated to be 15993 seconds. Simulation also revealed that the initial crack of 2.9, 3.9, 5.2, 7.5, 11.4 μm is needed at the region of γ=0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, respectively, for the same fatigue lifetime.
주제어
#알루미나 이축강도 피로 시뮬레이션 유한 요소 해석 통계적 분석 ball-on-3-ball 시험 piston-on-3-ball 시험 ball-on-3-ball test piston-on-3-ball test alumina biaxlial strength fatigue finite element anlysis statistical analysis
학위논문 정보
저자
박성은
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
세라믹공학과
발행연도
2000
총페이지
xi, 156 p.
키워드
알루미나 이축강도 피로 시뮬레이션 유한 요소 해석 통계적 분석 ball-on-3-ball 시험 piston-on-3-ball 시험 ball-on-3-ball test piston-on-3-ball test alumina biaxlial strength fatigue finite element anlysis statistical analysis
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