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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 전보(권혁용 등, 2008)에 이어, 마찰용접 후열처리재(Post weld heat treatment, PWHT)에 대한 모재부와 열영향부의 미소 비커스 경도를 측정하여, 이를 모재부와 열영향부의 통계적 변동성과 확률분포의 특성을 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 5g부터 2000g까지 가능하고 가압시간(Duration time)도 5초에서 99초까지 조절 가능하도록 되어있으며, 자동과 수동으로 경도측정이 가능하다. 또한 비커스 경도시험은 ASTM E384-06 규격에 준하여 측정자의 오차를 감소하기 위하여 동일 시험자가 경도시험을 수행하였다. 시험하중의 조건은 0.
- 마찰용접 후열처리재의 모재부와 열영향부에 대한 미소 비커스 경도의 압입치수효과(Indentation size effect, ISE)의 영향을 다음과 같이 평가하였다. 하중 경도 의존성을 평가하는데 가장 많이 사용되는 Meyer에 의해 제안된 식은 다음과 같다(Veprek, 2003).
- 미소 경도치에 미치는 표면조도의 영향을 최소화하기 위하여 중심선 평균거칠기는 약 0.10µm로 연마하여 조건을 일정하게 경도를 측정하였다.
- 본 연구에 사용된 미소 비커스 경도 시험기(Micro-Vickers hardness tester)는 Mitutoyo사의 HM-124 모델로 하중제어를 자동으로 수행 할 수 있으며, 시험하중은 0.5g부터 2000g까지 가능하고 가압시간(Duration time)도 5초에서 99초까지 조절 가능하도록 되어있으며, 자동과 수동으로 경도측정이 가능하다. 또한 비커스 경도시험은 ASTM E384-06 규격에 준하여 측정자의 오차를 감소하기 위하여 동일 시험자가 경도시험을 수행하였다.
- 한편, 본 연구에 대한 열처리조건은 1000℃에서 2시간 동안 용체화처리(Solution treatment)를 한 후 마찰용접을 수행하였으며, 718℃와 621℃에서 각각 8시간씩 시효처리(Aging treatment)를 시행한 후 공냉(Air-cooling)하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 실험재료는 니켈기 초내열합금(Alloy718)이며, 내열성, 내마모성, 고온강도 등이 우수하다. 적용재료의 화학 성분과 기계적 성질은 Table 1과 Table 2에 각각 나타낸다.
이론/모형
- 본 실험에서도 A와 n을 평가하기 위해 최소자승법에 의하여 구한 실험식을 사용하였다. Fig.
- 이는 적은 압입 경도 시험의 평균 비커스 경도치의 한계값을 나타낸다. 본 연구에서는 Fisher matrix법(Nelson, 1982)을 사용하여 계산하였다.
- 이들 값은 Pearson's실험식을 사용하였다(안근탁랑, 1969).
성능/효과
- (1) 후열처리재의 비커스 경도값에 대한 산술 평균은 마찰용접재와는 달리 열영향부(HAZ)가 모재부(BM) 보다 높게 나타났으며, 두 영역에서 통계적 변동성이 존재함을 알 수 있었다.
- (2) 후열처리재의 경도값의 변동계수(COV)는 하중이 증가함에 따라 모재부와 열영향부 모두 감소하는 결과를 보였으며, 동일하중에서의 변동계수는 열영향부가 모재부보다 높게 나타났다.
- (3) 후열처리재의 비커스 경도치에 대한 압입치수효과의 영향은 마찰용접재에 비해 모재부와 열영향부가 각각 1.01, 1.02% 감소하였다. 이는 미시조직의 변동이나 표면층의 영향 그리고 기계적․화학적 영향 등에 의한 비정상적인 경도치를 유발하는 항복 메카니즘이 지배적이라 사료된다.
- (4) 후열처리재의 모재부와 열영향부는 하중의 증가에 따라 분포의 형상 및 척도 파라메터도 증가하였고, 결과적으로 경도값에 대한 확률분포는 Weibull 분포에 잘 따름을 알 수 있었다.
- 이러한 관점에서 저자 등은 전보에서(권혁용 등, 2008) 이미 니켈기 초내열합금인 Alloy718의 동종 금속간의 최적 마찰용접 조건에서 마찰용접재(As-welded)에 대하여 모재부(Base metal, BM)와 열영향부(Heat affected zone, HAZ)에 대한 미소 비커스 경도를 측정하여 통계적 변동성과 그 확률분포의 특성을 조사한 바 있다. 그 결과에 의하면 마찰용접재의 비커스 경도의 산술 평균(Arithmetic mean)은 모재부가 열영향부 보다 높게 나타났으며, 비커스 경도의 변동계수는 열영향부가 모재부보다 높은 값을 보였다. 또한 30회 측정에 대한 미소 비커스 경도 데이터는 2-파라미터 와이블(2-Parameter Weibull) 분포에 잘 따름을 알 수 있었다.
- 그림에서 알 수 있듯이 대각선 길이는 하중이 증가함에 따라 모두 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 그리고 Meyer 식에 의하여 압입치수 효과의 영향을 평가한 결과 마찰용접 후열처리재의 n값은 2.15, 2.19로 모재부와 열영향부 모두 2보다 큰 값을 보였으나, 마찰 용접재보다 약 1.01, 1.02% 감소함을 알 수 있다. 즉, 하중에 의한 압입치수효과의 영향은 마찰용접 후열처리재가 마찰용접재보다 적다는 것을 알 수 있다.
- 12). 따라서 마찰용접재 및 후열처리재의 비커스 경도는 모재부와 열영향부 모두 비교적 Weibull 분포에 잘 따른다고 할 수 있다. 이는 Weibull 분포를 적용함이 확률변수의 물리적 의미를 파악함에 있어서 매우 유용한 해석 방법일 것으로 사료된다.
- 이는 하중의 증가에 의한 비커스 시험체의 압입에 의한 재질의 평균화(Averaging effect)의 영향이라 사료된다. 마찰용접재와 마찰용접 후열처리재 모두 동일 하중에서의 변동계수는 열영향부가 모재부보다 크게 나타났다. 편차는 마찰용접 후열처리재가 마찰용접재보다 크게 나타났으며, 이는 후열처리에 의해 열영향부가 시험체 미소영역에서 미소조직의 불균일 등을 포함한 확률적 변동의 본질적인 특성이 증가하였기 때문이라 사료된다.
- 미소 비커스 경도에 대한 확률분포의 적합성을 평가하기 위하여 본 연구에서도 전보(권혁용 등, 2008)와 같이 통계적 성질에 근거하여 여러 가지 확률분포에 대한 왜도 해석과 확률지상의 상관계수 등의 관계로부터 비교적 Weibull 분포에 적합함을 알 수 있었다. Fig.
- 5는 하중에 따른 경도치를 나타낸다. 본 실험의 범위에서 미소 비커스 경도는 모든 조건에서 하중의 증가에 따라 모두 증가하는 결과를 보였다. 마찰용접 후열처리재를 특성화하는데 단순 평균 경도치를 가지고 평가하기에는 부적절하다고 생각된다.
- 이때 시험조건은 앞 절에서 언급한 바와 같이 가압시간은 동일하게 하고 시험하중을 3가지로 변화하였다. 이 표에서 알 수 있듯이, 비커스 경도의 산술 평균(Arithmetic mean)은 하중에 관계없이 열영향부가 모재부보다 높게 나타났다. 이러한 결과는 Alloy718재료의 동종 마찰용접의 특성으로 용접 후열처리의 영향으로 인하여 열영향부가 모재부보다 경화되어 높게 나타난 것으로 생각된다.
- 특성치를 나타내는 척도 파라메터(β) 또한 모재부 및 열영향부 모두 하중의 증가에 따라 증가하는 결과를 보였다.
- 4는 하중에 미치는 압입자의 대각선 평균길이의 영향을 마찰용접재(As-welded)와 마찰용접 후열처리재(PWHT)를 각각 나타낸다. 하중이 증가함에 따라 모든 조건에서의 대각선 길이는 증가하는 경향으로 나타났으며, 동일 하중에서는 마찰용접재와는 달리 마찰용접 후열처리재의 대각선 길이는 모재부가 열영향부보다 다소 크게 나타났다. 이는 열영향부의 경도가 모재부보다 크다는 것을 의미한다.
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