[논문]마이크로/나노 압입시험에 의한 재료특성평가

이형일; 이진행

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.10.805

[국내논문] 마이크로/나노 압입시험에 의한 재료특성평가
Evaluation of Material Characteristics by Micro/Nano Indentation Tests 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.10 = no.277, 2008년, pp.805 - 816

Abstract ▼ AI-Helper

The present work reviews the methods to evaluate elastic-plastic material characteristics by indentation tests. Especially the representative stress and strain values used in some papers are critically analyzed. The values should not only represent the load-depth curve, but also represent the whole of deformed material around the impression. We briefly introduce other indentation techniques to evaluate residual stresses, creep properties, and fracture toughness. We also review some technical problems that are related to the accuracy issues in indentation tests.

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문제 정의

본 논문에서는 압입시험에 의한 재료특성 평가 기술 중 응력-변형률 곡선과 관계된 재료의 물성(영률, 항복강도, 변형경화지수 등)을 평가하는 다양한 연구들을 기술하고, 또한 잔류응력, 크리프 물성, 파괴인성 등 다양한 분야에서 응용되고 있는 압입연구들도 간략하게 살펴본다. 아울러 현재 압입시험기법과 관련된 문제점들을 검토한다.
본 논문에서는 압입시험에 의한 재료특성 평가 기술 중 응력-변형률 곡선과 관계된 재료의 물성(영률, 항복강도, 변형경화지수 등)을 평가하는 다양한 연구들을 기술하고, 또한 잔류응력, 크리프 물성, 파괴인성 등 다양한 분야에서 응용되고 있는 압입연구들도 간략하게 살펴본다. 아울러 현재 압입시험기법과 관련된 문제점들을 검토한다. 이를 통해 향후 개선 및 발전방향을 가늠해 본다.
⁽⁵⁾따라서 이와 같은 이론적 한계를 극복하는 동시에 다양한 재료의 물성정보를 얻기 위한 많은 연구자들의 연구가 계속되고 있다. 본 논문에서는 원뿔 및 각뿔, 그리고 구형 압입시험을 이용한 물성평가 기술에 대하여 정리하고 그 특징 및 문제점, 개선방향 등에 대해 살펴본다.
이에 많은 연구자들은 독자적인 대표 응력과 대표 변형률을 정의하여 사용하고 있다. 다음 절에서는 최근 제시되고 있는 물성평가 연구 및 이에 사용되는 대표 응력과 변형률들에 대하여 검토해 보도록 한다.
따라서 만일 두 재료의 C가 같다면 하중-변위 곡선만으로 두 재료의 물성치를 구별할 수 없다.(Fig. 2) 이에 Chollacoop 등⁽¹⁰⁾과 Bucaille등,⁽¹¹⁾ Cao와 Lu⁽¹³⁾는 Dao 등⁽⁹⁾의 연구에서 압입자각도를 변화시킬 경우 대표 소성변형률이 변화함을 활용하여 이러한 유일해 문제를 해결하고자 하였다. 또한 Ogasawara 등⁽¹⁶⁾및 Chen 등⁽²³⁾도 대표 소성 변형률의 정의를 달리한 후 (ε_R = 0.
그 원인은 대표 소성변형률을 재료의 물성치와 관계없는 압입자 각도만의 함수로 설정하였기 때문이다. 대표 소성변형률 지점까지 응력-변형률 곡선이 일치하고, 그 이후부터 분리되는 두 재료를 생각해보자. 만일 대표 소성변형률이 재료 물성과 관계없는 상수라면 두 재료의 대표 소성변형률은 동일하다.
, 즉 압입자 물성의 영향이 증가하여, 총 네 개 변수들에 대한 회귀를 실시, 위의 함수들을 생성했다. 아울러 멱함수를 따르지 않는 재료의 물성평가를 강화하고 압입깊이 증가에 따른 마찰계수의 영향을 감소시키고자 독자적인 물성평가 알고리듬을 개발하였다.⁽¹⁸⁾ 또한 이 물성평가 기법이 광범위한 물성 범위에 대해 유효함을 해석적인 방법으로 검증했으며, 자체적으로 마이크로 압입시험기 [Fig.
압입시험을 이용한 재료특성평가기술은 서론에서도 언급한 바와 같이 광범위한 영역에 걸쳐사용되고 있다. 본 절에서는 이들 중 잔류응력,크리프 물성, 파괴인성 평가기술에 대한 소개 및 향후 과제에 대해 간략하게 기술해 본다.
본 논문에서는 먼저 다양한 형상의 압입자를 이용한 탄소성 재료물성 평가기술을 검토해보았다. 이 때 재료의 물성과 하중-변위 관계를 연결시키기위해 사용되는 대표 소성변형률과 대표 응력에 대해 집중적으로 검토하였으며, 이로부터 현재 많은 역해석 연구에서 사용되고 있는 이들 수치들의 대표성에 문제점이 있음을 보였다.
이에 본 저자들이 구형 압입시험에서 사용한 대표 소성 변형률과 대표 응력을 이용한 역해석 연구의 예를 기술하여, 그 검증 과정을 대략적으로 살펴보았다. 이와 더불어 현재 사용되고 있는 압입시험기술의 다양한 응용 연구(잔류응력, 크리프 물성, 파괴인성) 에 대해 간략하게 살펴보았으며, 나아가 현재 압입시험기술의 문제점 및 주의점들을 검토해보았다. 이로부터 향후 압입시험 관련 연구방향을 예측해 볼 수 있을 것이다.

가설 설정

Kick’s law 식 (6)을 살펴보면이를 명확히 알 수 있다. 계수 C가 같지만 물성치가 다른 재료들을 가정해 보자. 이들 재료의 평균접촉압력 (= P/A)은 pile-up/sink-in 양의 차이로 인해 서로 다른 값을 갖게 되며, 따라서 대표 변형률에 대응하는 대표 응력 역시 서로 달라야 한다.

제안 방법

역해석의 간략한 개념은 다음과 같다. 먼저 가정된 재료물성 범위 내에서 물성변수(영률, 항복 강도, 변형경화지수 등)를 적절한 간격으로 변화시키면서 대략 수십에서 수백 회 압입시험의 유한요소해석을 실시한다. 해석으로부터 하중-변위 관계등을 얻고, 또한 이들과 물성치를 일대일 대응시킬 수 있는 함수들을 생성한다.
먼저 자기유사성(self-similarity)을 갖는 압입자에 대한 물성평가 방법을 살펴본다. 원뿔 및 각뿔형(pyramidal) 압입자는 Kick’s law, 즉 아래 식 (6)에 의해 지배 받는다 (Fig.
033)을 통과함을 관찰하였고 이를 대표 소성변형률로 선정했다. 아울러 Giannakopoulos와 Suresh의 방법에 사용된 변수들에 대한 차원해석을 통하여, 무차원함수들을 유도함으로써 재료물성치를 예측할 수 있는 역해석 알고리듬을 개발하였다.
이에 본 저자들(17)은 Taljat 등의 이론을 응용하여보다 최적의 압입하부 물성평가지점을 선정하였고, 이 지점의 응력-변형률 관계와 압입 하중-변위관계를 연결시킬 수 있는 세 개의 무차원 압입변수들 (c2, εp, ψ)을 선택하였다.
이 압입변수들을 압입깊이 및 물성치의 함수로 표현하기 위해 광범위한 유한요소해석을 실시해, 이로부터 세 변수들을 압입깊이 h/D, 항복변형률 εo (≡σo/E), 변형경화지수 n에 대해 동시에 함수화하는 회귀기법을 선보였다.
그들은 유한요소해석을 바탕으로 압입하부의 응력 및 변형률장을 분석하였고, 이로부터 기존 압입물성 예측지점의 한계를 고찰하였다. 이를 바탕으로 물성산정에 적정한 대표 변형률 지점을 새롭게 선정하고 이 지점에서 얻은 응력-변형률과 하중-변위관계를 연관시킨 압입수식을 제시하였다. 이에 본 저자들⁽¹⁷⁾은 Taljat 등의 이론을 응용하여보다 최적의 압입하부 물성평가지점을 선정하였고, 이 지점의 응력-변형률 관계와 압입 하중-변위관계를 연결시킬 수 있는 세 개의 무차원 압입변수들 (c², ε_p, ψ)을 선택하였다.
h/D = 6% 압입과 달리, h/D = 20% 압입에서는 E/E_I, 즉 압입자 물성의 영향이 증가하여, 총 네 개 변수들에 대한 회귀를 실시, 위의 함수들을 생성했다. 아울러 멱함수를 따르지 않는 재료의 물성평가를 강화하고 압입깊이 증가에 따른 마찰계수의 영향을 감소시키고자 독자적인 물성평가 알고리듬을 개발하였다.
이후 본 저자들은 유한요소해석을 바탕으로 하중 곡선의 Kick’s law 계수 C 를 이용한 양축 등가잔류응력 평가기법을 제시했다.
(24) 아울러 영률계산에 사용되는 해중 곡선의 회귀구간 선정에 따른 보정계수 β 의 변화를 살펴보았다.
이로부터 압입자선단반경 크기와 관계없이 5% 이내의 오차에서 영률을 계산할 수 있는 보정계수 β 들을 제안하였다.
여기서 이들 대표값을 정확히 선정하는 것은 기술적으로 어렵기 때문에, 설정된 대표값의 타당성을 검증하는 단계가 상당히 중요하다. 이에 본 저자들이 구형 압입시험에서 사용한 대표 소성 변형률과 대표 응력을 이용한 역해석 연구의 예를 기술하여, 그 검증 과정을 대략적으로 살펴보았다. 이와 더불어 현재 사용되고 있는 압입시험기술의 다양한 응용 연구(잔류응력, 크리프 물성, 파괴인성) 에 대해 간략하게 살펴보았으며, 나아가 현재 압입시험기술의 문제점 및 주의점들을 검토해보았다.

이론/모형

따라서 재료의 탄소성 물성평가에 있어서는 이론적으로 단일 압입시험이 가능한 구형 압입시험이 더 적합하다고 할 수 있다. 구형 압입자를 이용한 탄소성 물성평가 연구는 앞서 언급한Tabor, Francis, Johnson, Hill 등에 의해 그 기초가 이루어졌다. 그러나 이들은 기본적으로 얕은 압입 등을 가정하고 있거나, 제한된 물성범위, 비선형 탄성이론에 근간을 두는 변형소성이론 등을 사용해, 실제 탄소성 변형상태의 특성을 제대로 보여주지 못할 수 있다.

성능/효과

등은 원뿔형 압입자에 대한 유한요소해석으로부터 Sneddon 압입이론의 문제점을 분석하였으며, 수정된 압입수식을 사용하여 푸아송비와 압입자각도 변화에 따른 보정계수 β의 변화를 함수화했다. 이로부터 푸아송비가 증가할수록 보정계수는 1 에 수렴하며, 압입자 각도가 증가할수록 보정계수가 커짐을 보였다. 만일 마찰계수의 영향까지 고려할 경우 푸아송비가 0.

후속연구

또한 압입 파괴특성 등을 이용하면 그 자체로 미소제작(micro-fabrication) 도구가 될 수도 있다. 무엇보다도 압입시험법은 금속, 세라믹, 폴리머, 고무, 바이오 재료 등 다방면으로 적용 가능하기 때문에, 앞으로 그 활용가치가 더 높을 것으로 예측된다.
이와 더불어 현재 사용되고 있는 압입시험기술의 다양한 응용 연구(잔류응력, 크리프 물성, 파괴인성) 에 대해 간략하게 살펴보았으며, 나아가 현재 압입시험기술의 문제점 및 주의점들을 검토해보았다. 이로부터 향후 압입시험 관련 연구방향을 예측해 볼 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인장시험, 파괴시험 등과 같이 기존의 전통적인 시험법의 장점은?	기계 등 구조물의 신뢰성평가에 있어 핵심이 되는 재료 물성평가 기법에 대한 연구는 최근 마이크로/나노 단위 소자에 대한 관심이 집중되면서 새로운 전환점을 맞이하게 되었다. 인장시험, 파괴시험 등과 같이 기존의 전통적인 시험법은 표준화가 비교적 잘 되어 있어 그 과정이 명확하고 문헌값 등과 비교가 용이하다라는 장점을 지니고 있지만, 이를 미소재료 시험에 적용하기 위해서는 이에 맞는 장비개발과 더불어 시편제조 등의 난제를 해결해야 한다. 이에 대한 몇 가지 대체 시험법이 현재 제시되어 사용되고 있는데, 그 중 압입시험법은 그 편리함과 더불어 풍부한 응용 가능성으로 인해 미소재료시험분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 시험법으로 자리잡고 있다.
	마이크로/나노 압입시험법은 어떤 시험 기법인가?	마이크로/나노 압입시험법 (Fig. 1)은 재료표면의 미소압입으로부터 얻게 되는 하중-변위 데이터, 그리고 필요에 따라 압흔 등을 분석하여 재료의 다양한 특성을 정량 혹은 정성적으로 평가하는 시험기법이다. 압입시험법으로부터 얻을 수 있는 재료의 물성 및 특성으로는 경도를 비롯하여 영률, 항복강도, 변형경화지수, 인장강도 등과 같은 인장 물성치가 있으며,(1~24) 잔류응력,(18,25~31) 크리프,(32,33)점탄성 및 점소성 특성, 파괴,(5,34,35) 동적 특성, 코팅박리(delamination) 현상 분석(36) 등에도 응용될 수 있다.
	마이크로/나노 압입시험법으로 부터 얻을 수 있는 재료의 물성 및 특성은 어떤 것이 있는가?	1)은 재료표면의 미소압입으로부터 얻게 되는 하중-변위 데이터, 그리고 필요에 따라 압흔 등을 분석하여 재료의 다양한 특성을 정량 혹은 정성적으로 평가하는 시험기법이다. 압입시험법으로부터 얻을 수 있는 재료의 물성 및 특성으로는 경도를 비롯하여 영률, 항복강도, 변형경화지수, 인장강도 등과 같은 인장 물성치가 있으며,(1~24) 잔류응력,(18,25~31) 크리프,(32,33)점탄성 및 점소성 특성, 파괴,(5,34,35) 동적 특성, 코팅박리(delamination) 현상 분석(36) 등에도 응용될 수 있다. 또한 압입 파괴특성 등을 이용하면 그 자체로 미소제작(micro-fabrication) 도구가 될 수도 있다.

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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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