[논문]파면거칠기 유도 균열닫힘에 의한 혼합모드 피로균열의 전파거동 및 파면에 대한 평가

서기정; 이정무

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.4.432

파면거칠기 유도 균열닫힘에 의한 혼합모드 피로균열의 전파거동 및 파면에 대한 평가
Assessment for Propagation Behavior and Fracture Surface of Mixed-mode Fatigue Crack by Fracture Surface-Roughness Induced Crack Closure 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.31 no.4 = no.259, 2007년, pp.432 - 440

서기정 (한국기계연구원 마이크로응용역학팀) , 이정무 (LG화학 테크센타 응용기술팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have investigated the closure behavior of fatigue cracks in SAPH440 steel plates under a mixed-mode I+II loading. A crack image capturing system as a direct measuring method was used to measure the closure levels at a crack tip. The crack closure levels in the fluctuation and stable sections were increased with the increase of the mode mixture ratio. The mode mixture ratio independent fatigue crack propagation rates equation was calculated by considering mixed-mode crack closure levels. The equation was examined according to the application method of crack opening ratio. The fracture surface analysis by C-scan method was also performed in order to investigate the closure mechanism and propagation mode of crack under the mixed-mode I+II loading. The crack closure under the mixed mode I+II is confirmed as a surface roughness closure by the quantitative analysis of fracture surface using the proposed surface roughness parameter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 파면 거칠기를 측정하는 방법의 선택요건을 실험절차가 간단하고, 파면 전체에 대한 거시적인 관찰이 가능한 측정범위를 '가지며, 거칠기의 변화를 상대적으로 비교하고, 이를 정량화 처리하는데 용이한가로 설정하였다. 상기 요건에 부합하는 초음파 탐상의 C-scan 방식을 선택하여 균열면의 파면 거칠기를 측정하였다.
본 연구에서는 혼합모드 I+II 하중 하에서 피로 균열 의 닫힘 거 동과 그 기구에 대하여 평 가하고자 다음과 같은 내용들을 연구하였다. (i) 모드 I 및 혼합모드 I+II 하중 하에서 발생, 전파하는 피로 균열의 수명 및 전파속도의 변화에 대한 전파 거동을 고찰하였다.
본 연구에서는 혼합모드 I+II 하중 하에서 피로 균열의 닫힘거동과 그 기구에 대한 정량적 평가를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 절에서는 C-scan 방식으로 촬영한 2차원의 파면 거칠기 이미지를 정량적으로 해석하기 위하여 파면평가를 위한 파면 거칠기 파라미터의 도입에 대하여 설명하고자 한다.
본 절에서는 RCA를 이용한 파면해석을 통하여 혼합모드 I+II 하중 하의균열 닫힘 기구를를 확인하고, 균열전파에 따른 전파양식을 정량적으로 비교하고자 한다.
본 절에서는 균열 열림 하중과 균열열림비를 결정함으로써 혼합모드 I+II 하중 하에서 일어나는 피로 균열의 닫힘거동에 대하여 고찰하고자 한다.
본 절에서는 모드 I 및 혼합모드 I+U 하중 하에서 나타나는 피로 수명의 변화 및 균열의 전파 거동에 관하여 고찰하고자 한다.
본 절에서는 초음파 탐상의 C-scan 방식으로 촬영한 2 차원의 파면 이미지를 이용하여 균열 면의 거칠기 수준을 평가하고자 한다 I 파면거칠기 파라미터를 도입하고, 이를 이용하여 혼합모드 I+II 하중 하의 균열 닫힘 기구와 균열전파양식에 대한 검증을 시도하고자 한다.

제안 방법

같은 내용들을 연구하였다. (i) 모드 I 및 혼합모드 I+II 하중 하에서 발생, 전파하는 피로 균열의 수명 및 전파속도의 변화에 대한 전파 거동을 고찰하였다. (ii) 모드혼합비의 변화에 따른 균열 닫힘 수준을 결정하고, 변화의 특징에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 (i) ap=3 mm 이후 산출된 평균 U*s를 전 구간에 단일 적용하는 방법과 (ii) U, F 와 U*s 를 피로균열의 전파구간에 따라 순차적으로 혼합 적용시키는 방법(이후 1产心 적용으로 표시) 을 검토하였다. 균열열림비 U*s와 1产心 를 반영한 피로 균열의 전파선도는 Fig.
(i) 모드 I 및 혼합모드 I+II 하중 하에서 발생, 전파하는 피로 균열의 수명 및 전파속도의 변화에 대한 전파 거동을 고찰하였다. (ii) 모드혼합비의 변화에 따른 균열 닫힘 수준을 결정하고, 변화의 특징에 대하여 검토하였다. 혼합모드 균열 닫힘 수준을 고려하여 모드혼합비에 독립적인 단일의 피로균열 전파 속도식을 산출하였다.
혼합모드 균열 닫힘 수준을 고려하여 모드혼합비에 독립적인 단일의 피로균열 전파 속도식을 산출하였다. (iii) 혼합모드 균열닫힘기구와 균열전파양식을 검증하기 위하여 초음파 탐상의 C-scan 방식을 적용한 파면해석을 시도하였다. 이를 이용하여 혼합모드 피로 균열의 전파 및 닫힘 거동에 대한 정량적인 파면해석을 시도하였다.
사용된다.3M) 본 연구에서는 혼합모드 I+H 하중에 대한 피로 균열 닫힘 기구(fhtigue crack closure mechanism)를 설명하기 위하여 파면해석을 시도하였으며, 균열면의 특성을 나타내는 파면거칠기를해석인자로 사용하였다.
3(a)처럼 파면영역을 각각 예비균열 면(Sp。과 피로균열면(缶。의 영역으로 나누어 측정하였다. 또한 피로균열면은 파면 거칠기의 변화를 비교하기 위하여 1 mm 단위로 S_fc-_i 부 터 S_fc-5 까지 5개의 구간으로 나누었다. 측정 된 2 차원의 파면거칠기에 대한 이미지는 Fig.
중요하다. 본 연구에서는 U* 의 변화를 ap=3 mm 를 기준으로 변동구간의 U* 「(Fluctuating U*) 와 안정 구간의 1尸*) (SteadyU 로 구분하였다.1卢 는 모드혼합비가 증가함에 따라 감소하였으며, Table 5와 같이 선형적인 관계를 가지며, 1严는 피로 균열의 전파에 따라 (a/ao)에 대하여 Table 6 과 같은 관계로 정리할 수 있었다.
본 연구에서는 균열 선단에 혼합모드 하중을 부하하기 위하여 Fig. 1과 같이 두께 2 mm 의 수정 단순 인장 전단(modified compact tension shear, MCTS) 시험편과 하중장치饥를 사용하였다. 하중작용각도(loa血g application angle, ©)를 변화 시켜 균열선단에 작용하는 인장 및 전단응력 성분의 비율을 조절함으로써 다양한 하중모드가 조성되도록 하였다.
처리하는데 용이한가로 설정하였다. 상기 요건에 부합하는 초음파 탐상의 C-scan 방식을 선택하여 균열면의 파면 거칠기를 측정하였다.
일정한 수준을 유지하였다. 이러한 균열열림비() * U의 변화는 안정화되는 지점을 기준으로 변동구간의 U* 와 안정 구간의 1卢로 구분하여, 모드혼합비와의 관계를 검토하였다.
(iii) 혼합모드 균열닫힘기구와 균열전파양식을 검증하기 위하여 초음파 탐상의 C-scan 방식을 적용한 파면해석을 시도하였다. 이를 이용하여 혼합모드 피로 균열의 전파 및 닫힘 거동에 대한 정량적인 파면해석을 시도하였다.
적용하였다. 정량적인 파면 거칠기 수준의 평가를 위하여 단순화시킨 2차원 이미지의 해석에 등고선 면적 거칠기 파라미터를 도입하였다.
평균 Us * 를 전 구간에 단일 적용하는 방법 과 U* 와 Us * 를 혼합 적 용(+* Us 적용)하는 방법으로 산출된 각 피로 균열 전파 속도식의 특성을 검토하였다.
피로 균열의 발생수명(initiation life, N)은 예비균열로부터 전파한 피로 균열의 길이가 0.1 min 일 때의 하중반복수로, 전체 피로 수명(total fatigue life, N0은 피로균열의 선단에 과도한 소성변형이 발생하기 전인 균열 길이가 5 mm 일 때의 하중 반복 수로 설정하였다. Fig.
나타내었다. 피로균열의 전파길이는 균열 이미지 캡쳐링 시스템을 이용하여 균열 증분(Aa)이 5 mm 가 될 때까지 0.1 mm 단위로 측정하였다. 피로균열의 전파속도 (da/dN)는 7 점증분 다항법으로 계산하였다.
1과 같이 두께 2 mm 의 수정 단순 인장 전단(modified compact tension shear, MCTS) 시험편과 하중장치饥를 사용하였다. 하중작용각도(loa血g application angle, ©)를 변화 시켜 균열선단에 작용하는 인장 및 전단응력 성분의 비율을 조절함으로써 다양한 하중모드가 조성되도록 하였다.。가 0。는 모드 I, 90°는 모드 II 하중 상태이며, 그 사이는 혼합모드 I+II 상태이다.
(ii) 모드혼합비의 변화에 따른 균열 닫힘 수준을 결정하고, 변화의 특징에 대하여 검토하였다. 혼합모드 균열 닫힘 수준을 고려하여 모드혼합비에 독립적인 단일의 피로균열 전파 속도식을 산출하였다. (iii) 혼합모드 균열닫힘기구와 균열전파양식을 검증하기 위하여 초음파 탐상의 C-scan 방식을 적용한 파면해석을 시도하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시험기는 전기 유압식 인장- 압축 피로시험 기인 Instron 1331이며, 일정 진폭 하중의 피로시 험 에 대 한 조건은 Table 3과 같다.
시험에 사용된 재료는 자동차 구조용 열간 압연강판(SAPH₄₄0, KS D3519)으로 시험재료의 화학적 성분과 기계적 성질은 Table 1, 2와 같다,

이론/모형

계산하였다. K, 과 Kn 를 조합한 유효응력확대계수(effective stress intensity factor, 1棚)를 도입하였으며, 유효 응력확대계수 범위 AK_m■는 식 (2) 와 같이 Tanaka(")가제안한 식을 이용하였다.
(4) 파면해석을 위하여 파면 전체에 거시적이고, 신속한 관찰이 가능한 초음파 탐상의 C-scan 방식을 적용하였다. 정량적인 파면 거칠기 수준의 평가를 위하여 단순화시킨 2차원 이미지의 해석에 등고선 면적 거칠기 파라미터를 도입하였다.
load, Pop)의 결정에 반영할 수 있는 즉정 방법의 사용이 필요하다. 따라서 하중모드에 관계없이 시험편의 표면 부에서 균열선단변위(crack tip displacement, CTD)를 측정할 필요가 있으며, 이를 위하여 균열이미지 캡쳐링 시스템을 이용한 직접 측정법 (direct measuring method"">을 사용하였다. 최소하중(R&)과 최대하중(%並)에서 하중모드의 변화에 따른 CTD 의 정의와 거동은 Fig.
1 mm 단위로 측정하였다. 피로균열의 전파속도 (da/dN)는 7 점증분 다항법으로 계산하였다.

성능/효과

(1) 혼합모드 I+II 하중에서 모드혼합비의 증가는 모드 n 하중의 영향에 의한 실질적인 균열진전력의 감소를 유발함으로써 피로수명은 증가하였으며, 피로균열 전파 속도식을 모드혼합비의 수준에 따라 개별적으로 산출할 수 있었다.
(2) 혼합모드 균열 닫힘 수준은 모드혼합비가 증가할수록 크게 나타났으며, 피로균열이 전파함에 따라 점차 감소하여, 전체 균열전파길이의 60% 지점부터는 일정한 수준을 유지하였다. 이러한 균열열림비() * U의 변화는 안정화되는 지점을 기준으로 변동구간의 U* 와 안정 구간의 1卢로 구분하여, 모드혼합비와의 관계를 검토하였다.
(3) 혼합모드 균열 닫힘을 고려함으로써 모드혼합비에 독립적인 하나의 피로균열 전파 속도식을 산출하였다. 평균 Us * 를 전 구간에 단일 적용하는 방법 과 U* 와 Us * 를 혼합 적 용(+* Us 적용)하는 방법으로 산출된 각 피로 균열 전파 속도식의 특성을 검토하였다.
(5) 등고선 면적 거칠기 파라미터를 이용한 정량적 파면해석으로 혼합모드의 균열닫힘기구는 모드 II 변위의 발생에 기인하는 파면거칠기에 의한 것이며, 피로균열의 전파양식은 피로균열이 전파함에 따라 입계 파괴 형태에서 입내 파괴에 가까운 형태로 변화하고 있음을 확인하였다.
모드혼합비가 증가함에 따라 균열의 발생 및 전체 피로수명은 C0보다 증가하였으며, C₆ 의 경우는 각각 3.85 배와 2.56 배의 현저한 증가를 보였다. 이는 모드 II 하중의 증가로 초래되는 균열진전력의 감소에 따른 결과이다.
6(a) 와 같이 모든 조건에서 균열이 전파함에 따라 점차 증가하며, 이는 균열 닫힘 수준의 감소를 의미하고, ap=3 mm 이상에서는 일정한 값을 유지하는 것으로 나타났다. 전파하는 피로 균열 선단에서의 U* 와 비교하여 , 예비균열선단 (ap=0 mm)에서 U* 는 상당히 작게 나타났으며, C0 와 C₆ 사이의 U* 의 차이도 균열전파단계와 비교하여 상대적으로 크게 나타났다. 이는。의 변화에 따른 하중 성분의 변화와 이로 인한 균열 면의 마찰이 예비균열선단에 작용하는 실질 균열 진 전력을 크게 감소시켰기 때문이다.
9(a), (b) 와 같으며, 이 는 파면 영역별 각 회귀신호단계의 Rca 가 차지하는 비율을 나타낸다. 특히 Rca-[VM의 변화를 고찰함으로써 혼합모드 I+II 하중 하에서 정량적인 파면해석의 수행이 가능하며, 균열 거동의 특징을 파악할 수 있었다.
피로 균열이 초기균열로부터 분기 전파한 후, C0 에 대한 C₃ 와 C₆ 의 각 피로 수명 비는 일정한 수준에 이르기까지 균열전파 초기단계에서는 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 N/NModel 의 감소과정은 균열 발생 및 분기 단계에서 균열면의 마찰과 이로 인해 유도되는 거칠기에 의한 균열닫힘의 영향이 피로균열의 전파와 함께 변하기 때문이다.
이는。의 변화에 따른 하중 성분의 변화와 이로 인한 균열 면의 마찰이 예비균열선단에 작용하는 실질 균열 진 전력을 크게 감소시켰기 때문이다. 하지만 균열전파에 따라 모드 II 하중에 의한 균열 닫힘의 영향은 감소하고, 모드 I 이 지배적인 상태 하에서 균열 진 전력은 회복되어 U* 가 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

것으로 알려져 있다. 또한 혼합모드 균열 닫힘을 평가하고 검증하기 위해서는 균열 면의 형태나 균열면의 거칠기에 관한 연구가 필요하다. 하지만 단일모드 하중 조건에 대한 연구에 비해 혼합모드 하중조건에 대한 실험적 연구는 측정 등의 어려움으로 인해 부족한 편이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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