[논문]압축잔류응력이 판의 파괴 특성에 미치는 영향에 관한 실험적 평가

장창두; 박용관; 송하철; 김병일

doi:10.5394/kinpr.2002.26.4.435

문제 정의

본 연구에서는 균열 선단부에 인위적인 압축 잔류응력을 생성하여 압축 잔류응력이 판의 파괴 특성에 미치는 영향의 정량적 평가에 대한 기초 연구를 수행하였으며, 이에 따른 결론은 다음과 같다.
일반적으로 잔류응력은 용접 구조물의 파괴 강도를 저하시키는 요인으로 알려져 있어, 이들이 파괴 특성에 미치는 영향 평가에 관한 연구가 국내외적으로 많이 수행되어 왔으나, 심한 비선형성을 갖는 잔류응력 해석 및 실험 기법상의 한계로인하여 그간의 연구는 정성적 평가에 관한 연구가 주를 이루어왔다. 이에 따라 본 연구에서는 잔류응력이 파괴 특성에 미치는 영향의 정량적 평가에 대한 연구를 수행하기 위하여, 잔류응력이 존재하지 않는 시편과 국부 가열에 의해 인위적인 잔류응력이 생성된 시편에 대하여 파괴 인성 실험을 실시하였다. 잔류응력 평가는 천공법에 의한 계측 실험과 열탄소성 유한요소해석을 수행하여 결과의 정도를 제고하였으며, 이들 결과를 파괴인성 실험과 비교, 분석하였다.

가설 설정

4와 같이 가우스 정규분포(Gaussian distribution)S. 가정된 열속 (heat flux)이 이동하는 것으로 모델링되었고, 열속은 식 (2)와 같은 과정을 통해 구하였다(Moshaiov and Vorus, 1987).

제안 방법

· 균열 선단부에 국부적인 가열을 통해 CT 시편에 잔류응력을 구현하고, 열탄소성 해석과 천공법에 의한 실험결과를 비교, 검증하여 가열에 의해 생성된 잔류응력장을 평가하였다.
· 균열 선단부에 생성된 인위적인 압축 잔류응력이 파괴 저항 향상 효과를 가지게 되는 현상을 확인하고, 이를 파괴 저항 곡선의 분석을 통해 정량화하였다.
2와 같이 ASTM E 1737 규정 (1996), 'Compact Specimen Design Requirement'에 따라 제작하였다. 또한 재료의 기계적 성질을 파악하기 위하여 인장실험을 실시하였다. 인장 시편의 형상은 ASTM의 규정에 따라 제작하였으며, CT 시편의 균열에 수직한 방향, 즉 Mode I (개구형) 하중이 인장 시편에 인장력으로 작용하도록 채취하였다.
예균열 (precrack)은 피로 균열 진전을 시켜 노치로부터 6 ㎜를 발생시켰으며, 균열 선단부에 인위적인 잔류응력을 생성시키기 위하여 가스 토오치 (gas torch)를 이용하여 예균열 선단부로부터 5 ㎜ 위치에 가열을 하였다. 이때 시편의 양면에 동일한 조건의 가열을 하여 개구형 균열에 대한 파괴 실험에 적합하도록 시편의 변형을 최소화하였다.
18 ㎜/min.의 변위 제어방식으로 부과하였으며, 균열 개구변위(CMOD)는 25 ㎜ 계측범위의 extensometer를 이용하여 계측하였다. 균열의 진전을 계측하는 방법으로는 직류 전위차에 의한 균열 길이 계측법(DCPD, Direct Current Potential Drop method)을 이용하였다.
이에 따라 본 논문에서는 열탄소성 유한요소해석을 통해 가열에 의해 발생하는 잔류응력장을 평가하고, 천공법 (hole drilling method)을 통해 측정 가능한 몇 개의 실험점에 대한 잔류응력을 계측하여 그 결과를 비교함으로써 열탄소성 해석 결과를 검증하였다.
이에 따라 본 연구에서는 잔류응력이 파괴 특성에 미치는 영향의 정량적 평가에 대한 연구를 수행하기 위하여, 잔류응력이 존재하지 않는 시편과 국부 가열에 의해 인위적인 잔류응력이 생성된 시편에 대하여 파괴 인성 실험을 실시하였다. 잔류응력 평가는 천공법에 의한 계측 실험과 열탄소성 유한요소해석을 수행하여 결과의 정도를 제고하였으며, 이들 결과를 파괴인성 실험과 비교, 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 CT 시편은 일반 구조용 압연강 SS400을 사용하였으며, 시편의 형상은 Fig. 2와 같이 ASTM E 1737 규정 (1996), 'Compact Specimen Design Requirement'에 따라 제작하였다. 또한 재료의 기계적 성질을 파악하기 위하여 인장실험을 실시하였다.
잔류응력 산정 과정은 상기한 참고 문헌 등에 매우 상세히 설명하고 있으므로 여기서는 생략하기로 한다. 실험에 사용한 스트레인 게이지는 3축 스트레인 게이지 (three element rosette)이며, 변형률 계측 장비로는 데이타 로거 (data logger) 사용하였다.
열탄소성 해석에 사용된 solver는 범용 유한요소해석 코드인 ANSYS이며, 요소는 8절점 입체요소인 SOLID70이다. 가열 현상을 고려하기 위해서 토오치는 Fig.
파괴 저항의 비교 실험을 위한 시편은 잔류응력이 존재하지 않는 시편과 선상가열을 이용해 잔류응력을 생성시킨 시편 2종류로 하여, 총 3가지 종류의 시편을 준비하였다. 예균열 (precrack)은 피로 균열 진전을 시켜 노치로부터 6 ㎜를 발생시켰으며, 균열 선단부에 인위적인 잔류응력을 생성시키기 위하여 가스 토오치 (gas torch)를 이용하여 예균열 선단부로부터 5 ㎜ 위치에 가열을 하였다.

이론/모형

의 변위 제어방식으로 부과하였으며, 균열 개구변위(CMOD)는 25 ㎜ 계측범위의 extensometer를 이용하여 계측하였다. 균열의 진전을 계측하는 방법으로는 직류 전위차에 의한 균열 길이 계측법(DCPD, Direct Current Potential Drop method)을 이용하였다. 하중 장치는 INSTRON 5582 시험기이며, Fig.
상기한 3 종류의 시편의 파괴 저항 특성을 비교하기 위하여 파괴 인성 실험을 실시하였으며, 이 실험은 ASTM E 1737에규정되어 있는 단일 시편법 (single specimen method)에 따라 수행하였다. 실험 하중은 부하 속도 0.
또한 재료의 기계적 성질을 파악하기 위하여 인장실험을 실시하였다. 인장 시편의 형상은 ASTM의 규정에 따라 제작하였으며, CT 시편의 균열에 수직한 방향, 즉 Mode I (개구형) 하중이 인장 시편에 인장력으로 작용하도록 채취하였다. Fig.

성능/효과

· 균열 선단부 인근에 국부적인 가열을 실시하는 기법이 균열인근의 인위적인 압축 잔류응력장 생성에 매우 유용함을 입증하였다. 이는 균열이 존재하는 실 구조물의 파괴 강도 향상에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
가열시 생성된 잔류응력장에 대한 B 시편의 열탄소성 해석 결과에 따르면, 최대 인장 잔류응력 부위가 토오치 가열중심부에서 균열 진전 방향으로 약 5 ㎜ (예균열 선단으로부터 11 ㎜) 정도 벗어나 있고, 균열 선단부에서는 Mode I 하중 방향에 대하여 약 100 MPa 정도의 압축 잔류응력이 생성되어 있음을 알 수 있다(Fig. 5). 아울러 해석결과의 검증을 위해 천공법에 의한 잔류응력 수준을 Fig.
아울러 시편의 균열이 전파되면서 균열 선단부에 걸리는 잔류응력이 압축 응력에서 인장 응력으로 천이됨에 따라, 균열 성장에 따른 파괴 저항이 점차 감소하게 되어 일반 시편보다 불안정성장의 경향이 커지게 됨을 확인할 수 있다. Fig.
5). 아울러 해석결과의 검증을 위해 천공법에 의한 잔류응력 수준을 Fig. 5에 비교한 결과, 적절한 열탄소성 해석 모델링이 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
잔류응력 분포 형태는 B 시편의 결과와 매우 유사한 결과를 주고 있으며, 균열 선단부에 생성된 압축 잔류응력의 크기는 약 150 MPa 로 더 높은 수준의 잔류응력 장이 형성되었음을 알 수 있다. 응력 평형을 이루는 잔류응력의 특성상, 가열선에 대하여 비대칭인 CT 시편의 잔류응력 분포는 가열선에 대해 비대칭으로 분포하는 것이 적절한 해석 결과로 판단된다.
이상의 결과를 종합해 볼 때, 압축 잔류응력이 파괴 강도 향상에 미치는 영향이 본 논문에서 제시한 일련의 실험법과 해석을 통하여 정량적으로 평가되었고, 균열이 존재하는 구조물의 균열 선단 부근에 국부적인 가열을 하여 인위적인 압축 잔류응력을 균열 선단부에 생성시키는 기법이 파괴 강도 향상에 매우 유용함을 확인하였다.
6는 토오치의 가열 속도를 조절하여 B 시편에 비하여 3배의 열속을 투입한 C 시편의 열탄소성해석 결과를 보여주고 있다. 잔류응력 분포 형태는 B 시편의 결과와 매우 유사한 결과를 주고 있으며, 균열 선단부에 생성된 압축 잔류응력의 크기는 약 150 MPa 로 더 높은 수준의 잔류응력 장이 형성되었음을 알 수 있다. 응력 평형을 이루는 잔류응력의 특성상, 가열선에 대하여 비대칭인 CT 시편의 잔류응력 분포는 가열선에 대해 비대칭으로 분포하는 것이 적절한 해석 결과로 판단된다.

후속연구

따라서 Table 4 이하의 결과에 나타난 파괴 인성 및 파괴 저항은 ASTM에서 규정한 실험 및 계측 방법을 3가지 시편에 동일하게 적용하여 산출된 것으로, A 시편을 제외한 B 와 C 시편의 경우 잔류응력의 파괴 특성에 미치는 효과가 포함된 정량적 비교로 이해되어야 할 것이다. 아울러 이 결과에는 국부가열에 의한 시편 조직의 변태에 의한 효과도 포함되어 있으나, 주지하는 바와 같이, 상변태가 미치는 영향을 유한 요소 해석을 통해 정량화하는 문제는 해석 기법이 정립되어 있지 않은 관계로, 본연구에서 수행한 유한 요소 해석에서도 상변태 해석이 수행되지 못하였음을 밝혀둔다.
이해되어야 할 것이다. 아울러 이 결과에는 국부가열에 의한 시편 조직의 변태에 의한 효과도 포함되어 있으나, 주지하는 바와 같이, 상변태가 미치는 영향을 유한 요소 해석을 통해 정량화하는 문제는 해석 기법이 정립되어 있지 않은 관계로, 본연구에서 수행한 유한 요소 해석에서도 상변태 해석이 수행되지 못하였음을 밝혀둔다.
이는 균열이 존재하는 실 구조물의 파괴 강도 향상에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
파괴 특성에 미치는 잔류응력의 정량적 평가를 위해서는 시편에 내재된 잔류응력 분포의 정확한 파악이 선행되어야 할 것이다. 잔류응력 계측 기법으로는 응력 이완법, X선 회절법, 균열 전파법, 자화식 응력 지시계법 등 많은 실험 기법이 연구되어 왔으나, 파괴 거동에 가장 큰 영향을 미치는 균열 선단부의 잔류응력 계측의 경우, 그 기하학적 불연속성 때문에 실험적 방법에 의한 잔류응력장의 평가에 많은 어려움이 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

압축잔류응력이 판의 파괴 특성에 미치는 영향에 관한 실험적 평가
An Experimental Assessment of the Effects of Residual Stresses on Fracture Behavior of the Plate 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

압축잔류응력이 판의 파괴 특성에 미치는 영향에 관한 실험적 평가 An Experimental Assessment of the Effects of Residual Stresses on Fracture Behavior of the Plate 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

장창두 (67) 김병일 (4)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

압축잔류응력이 판의 파괴 특성에 미치는 영향에 관한 실험적 평가
An Experimental Assessment of the Effects of Residual Stresses on Fracture Behavior of the Plate 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper