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문제 정의
- 본 연구에서는 기계구조용 강으로 널리 사용되고 있는 SM45C에 대하여 인장 시험으로부터 획득한 AE 신호 분석을 통해 재료의 파괴특성과 그에 따른 재료의 가속 수명시험 등 재료평가의 유용성에 대해 제시해보고자 한다.
제안 방법
- 0mm로 넘어가는 과도기적인 형태를 나타내고 있다. 그래서 이 부분에 대한 추가적인 고찰을 하기 위해 시간에 따른 AE 진폭과 신호강도(signal strength)에 대하여 패턴인식을 실시하였고, 그 결과 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 0, 1, 2 및 3의 4개의 Class 로 분류되었다. 그림에서처 럼 Class 0과 2는 그 전체에서 차지하는 비중이 0.
- 2, 3, 5 및 10mm/min으로 각각 속도를 달리하여 인장 시험을 하여 가속수명 시험의 가능성을 확인한다. 그리고 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 및 10.0mm로 직경을 달리하여 원공 결함을 부여한 시험편은 앞서 실험한 결과의 해석으로부터 적정한 단일 조건으로 인장시험을 한다.
- 1에서 보는 바와 같이 AE 시스템(PAC, USA)의 DAQ 모듈을 이용하여 획득하였고, 이 경우 1220A(대역필터 100〜300kHz, 게인 40dB) 전치증폭기와 R15(공진주파수 150kHz)공진역센서를 각각 2개씩 사용하였다. 그리고 만능재료시험기의 아날로그 출력 단자로부터 읽어들인 하중값이 AE 시스템의 계측 데이터와 함께 저장되도록 별도의 데이터 커넥터를 만들어 사용하였으며, 각 시험편에 대하여 오실로스코프로모니터링을 실시하였다.
- 또한 고진공 그리스를 사용하여 시험편에 각각의 센서를 압착한 후, 샤프심 압절법으로 캘리브레이션(calibration)을 실시하여 센서의 압착 여부를 확인하고, 이렇게 해서 검출된 AE 신호를 주증폭기에서 2차 증폭하여 디지털 데이터로 저장시킨 후신호분석을 하였다.
- 앞절에서와 비슷하지만 이미 시험편 자체에 원공결함을있기 때문에 구간 I은 1차 피크가 존재하는 초기탄성영역 (la)과 초기 소성영역(lb)이고, 구간 II는 대체적으로 2차 피크가 존재하는 소성영역이며, 구간 III은 시험편이 파단되는영역으로 설정하였다. 그림에서 원공 결함의 크기가 증가할수록 하중을 분담하는 부재의 단면적이 작아져 파단이 빨리 일어나며, 그때 부재에 작용하는 하중 또한 작기 때문에 AE 카운트 값도 점차 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 우선 제작된 시험편 중에서 원공 결함이 없는 시험편은Autograph 25-TG(Shimadzu, Japan) 만능재료 시험기의 크로스헤드(cross-head)를 2, 3, 5 및 10mm/min으로 각각 속도를 달리하여 인장 시험을 하여 가속수명 시험의 가능성을 확인한다. 그리고 1.
- 중반 영역(1차 및 2차 피크 값 포함)과 중.후반 영역(3차 피크값 포함)으로 구분하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 시험편은 POSCO에서 생산한 두께 6mm의 기계구조용 강인 SM45C로 KS B 0801「금속재료인장 시험 편 5호 시험편규격을 적용하였으며, 시험편의 화학적 성분과 기계적 성질은 각각 Tables 1, 2와 같다.
- 인장 시험 중에 발생하는 AE 원신호(AE raw signal)는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 AE 시스템(PAC, USA)의 DAQ 모듈을 이용하여 획득하였고, 이 경우 1220A(대역필터 100〜300kHz, 게인 40dB) 전치증폭기와 R15(공진주파수 150kHz)공진역센서를 각각 2개씩 사용하였다. 그리고 만능재료시험기의 아날로그 출력 단자로부터 읽어들인 하중값이 AE 시스템의 계측 데이터와 함께 저장되도록 별도의 데이터 커넥터를 만들어 사용하였으며, 각 시험편에 대하여 오실로스코프로모니터링을 실시하였다.
성능/효과
- 7(a)의 파형에서 전형적인 돌발형 AE 형태를 보이고 있으며, Fig. 7(b)의 FFT 처리 결과진폭의 크기가 높고 100~300kHz에서 1차 피크를 보이며, 500〜600kHz에서 2차 피크를 보여 중심 주파수가 폭넓게 분포하는 것으로 나타났는데, 이는 시험 편에서 발생하는 미시적 파괴 때문인 것으로 생각된다.
- 결국 각 조건에 대해 정규화 한 그래프에서는 하중-변형 곡선의 경우에는 커다란 차이를 보이지 않았지만, AE 신호에 대한 그래프에서는 시간에 따른 AE 카운트값이 크로스헤드의 이송 속도가 빨라질수록 점차 그 값도 증가하는 것으로 나타났고, 특히 진폭 분포에 있어서 2, 3 및 5mmnAnin의경우에는 비슷했지만, 10mm/min의 경우에는 다소 다른 경향을 보임을 알았다. 따라서 이로부터 AE가 재료시험에 있어서 매우 유용한 평가 수단임을 확인할 수 있었다.
- 영역을 구분할 수 있었다. 그 결과 인장 속도가 빨라질수록 AE 카운트값이 점차 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 진폭분포에 있어서 lOmm/min의 경우에는 타 조건과는 다른 경향을 보였는데, 이로부터 AE법이 재료시험에 있어서 매우 유용한 방법임과 동시에 등방성 재료의 가속 수명시험 가능성에 대해 확인하였다.
- 보임을 알았다. 따라서 이로부터 AE가 재료시험에 있어서 매우 유용한 평가 수단임을 확인할 수 있었다.
- 반면 앞 절의 경우와 달리 결함이 존재하는 경우, AE 카운트 수가 소성 영역을 지난 후에도 계속해서 발생하였는데, 이는 원공결함에서 파생된 크랙이 지속적으로 부재에 영향을 미치기 때문인 것으로 보인다. 또한 시험편이 파단될 때 발생하는 AE 카운트 수도원공결함의 크기가 클수록 상대적으로 더 높은 값을 보임을 확인할 수 있었다.
- 또한 원공 결함의 존재는 하중-변형 곡선에 대한 AE 카운트 수의 발생 양상을 다르게 만들며, 결함의 크기가 클수록 부재의 하중 분담율이 떨어져 그 값이 작아지지만, 시험편이파단될 때 발생하는 AE 카운트 수와 AE 진폭값은 원공결함의 크기가 클수록 더 높게 나타남을 확인하였다. 한편 원공결함이 7.
- 본 연구에서는 SM45C 강에 대하여 인장 속도를 2, 3, 5 및 으로 달리하여 인장 시험을 한 결과, 하중-변형 곡선으로부터 등방성재료의 가속수명 시험 가능성을 시사하였고, AE 카운트 수 및 진폭 분포에 의해 재료의 탄성 및 소성 영역을 구분할 수 있었다. 그 결과 인장 속도가 빨라질수록 AE 카운트값이 점차 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 진폭분포에 있어서 lOmm/min의 경우에는 타 조건과는 다른 경향을 보였는데, 이로부터 AE법이 재료시험에 있어서 매우 유용한 방법임과 동시에 등방성 재료의 가속 수명시험 가능성에 대해 확인하였다.
후속연구
- 크기가 클수록 더 높게 나타남을 확인하였다. 한편 원공결함이 7.5mm인 경우에는 모든 실험 결과가 타 조건에 비해 다소 다른 경향을 보였는데, 이 부분에 대한 정확한 파괴기구의 규명을 위해 차후 판 폭비를 고려한 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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