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초음파의 비선형 특성을 이용한 SUS316L 재료의 피로 열화 평가에 관한 연구
Evaluation of Fatigue Degradation in SUS316L Using Nonlinear Ultrasonics 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.2=no.293, 2010년, pp.145 - 152  

최익황 (한양대학교 기계공학부) ,  백승현 (한양대학교 기계공학부) ,  이태훈 (한양대학교 기계공학부) ,  장경영 (한양대학교 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 비선형 초음파 기법을 이용하여 SUS316L 재료 시편에서의 피로열화를 평가한 연구의 결과를 보고한다. 초음파의 비선형성은 입사 주파수 성분의 크기와 2차 고조파 성분의 크기 비로 정의되는 상대적 비선형 파라미터에 의해 측정된다. 실험을 위해 접촉식 탐촉자를 이용한 계측시스템을 구성하였으며, 안정된 비선형 파라미터의 측정이 가능하도록 계측시스템 자체에서 발생되는 고조파 성분을 억제하고 계측 조건이 일관되게 유지되도록 하였다. 시편으로는 SUS316L 재료의 두 가지 피로열화 시편이 사용되었다. 하나는 봉형으로 회전굽힘피로를 가한 시편이고, 다른 하나는 판형으로 인장피로를 가한 시편이다. 피로조건은 모두 고주기 피로에 해당한다. 전자는 피로가 누적되는 과정에서 비선형 파라미터가 어떻게 변화하는지를 관측하는데 이용되었고, 후자는 피로를 가한 후 피로응력이 집중되는 위치와 그 외 위치에서의 비선형 파라미터의 차이를 관측하는데 이용되었다. 측정결과 비선형 파라미터는 두 가지 시편 모두에서 피로도와 강한 상관성을 갖는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study evaluated the fatigue degradation in a SUS316L specimen using the nonlinear ultrasonic method. The nonlinearity of the ultrasonic wave was estimated by a relative nonlinear parameter defined as the ratio of the amplitudes for the fundamental wave to the second harmonic wave. In the experi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • (9,10) 본 연구에서는 개선된 측정시스템을 이용하여 SUS316L 재료를 대상으로 음향 비선형성과 피로와의 상관성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 인위적으로 피로를 가한 SUS316L 피로시험편을 제작하여 피로에 따른 비선형파라미터의 변화를 분석하였다.
  • 본 논문에서는 실험 중 발생할 수 있는 외부 인자의 영향을 줄이고 안정적으로 재료의 비선형 파라미터를 측정하기 위해서 Fig. 1과 같이 시스템을 구성하였다. 신호의 송신을 위해 RAM5000(미국, RITEC)을 사용하였다.
  • 이는 상대적으로 큰 응력을 받는 저주기 피로에서는 재료에 큰 변형이 생기지만 작은 응력을 받는 고주기 피로에서는 그렇지 않기 때문이다. 본 연구에서는 개선된 측정시스템을 이용하여 이런 고주기 피로열화에 대한 평가를 시도하였다. 개선된 측정시스템에서는 시스템 의존적 고조파 성분의 발생을 최대한 억제하였으므로 고주기 피로에 의한 비선형 파마리터의 미미한 변화도 측정할 수 있을 것으로 기대되기 때문이다.
  • 따라서 비선형 평가 과정에서 수신 장치의 진폭분해능에 의한 비선형성 변화가 고려되어야 한다. 본 연구에서는 시뮬레이션과 실험을 통해 진폭분해능이 비선형성 측정에 미치는 영향을 검증하였다. 시뮬레이션을 위해 기본주파수가 5 MHz, 고조파가 10 MHz인 신호를 생성하여 사용 하였다.
  • (1) 일반적으로 재료의 고주기 피로에 따른 비선형 파라미터의 변화는 미미하며, 따라서 이를 정밀하게 측정하기 위해서는 재료와는 무관하게 발생하는 측정시스템 의존적 고조파 성분을 최대한 억제할 필요가 있다. 본 연구에서는 이와 같은 측정시스템 의존적 요소 중 기존의 연구에서 밝혀진 인가전압과 탐촉자 접촉압력 외에 진폭분해능의 영향을 분석하였으며, 진폭분해능이 높을수록 정밀한 비선형 파라미터의 측정이 가능함을 알 수 있었다.
  • 본 연구에서는 일반적으로 초음파 비파괴검사에 사용되는 접촉식 탐촉자를 이용하는 경우를 고려하여 측정시스템에서 발생하는 고조파성분을 줄이고자 하였다. 시스템 인자에는 접촉압력, 인가전압 그리고 진폭분해능 등이 고려될 수 있는데, 접촉압력과 인가전압에 대해서는 이미 연구되어진 바 있다.
  • (8) 본 연구에서는 그 결과를 활용하여 적정 인가전압과 접촉압력을 인가하였다. 본 연구에서는 추가적으로 디지털화 과정에서의 진폭분해능에 대해서 검토하였다. 그 결과는 다음 절에서 별도로 분석하였으며, 결과적으로 수신장치의 가용 최대 분해능을 사용하여 분해능에 의한 고조파의 유실을 억제하였다.
  • 이 논문에서는 SUS316L 재료의 고주기 피로손상과 초음파의 비선형특성과의 상관성을 연구하였다. 이를 위한 측정시스템이 구축되었으며, 피로손상시편을 회전굽힘 피로시편과 인장피로시편의 두 가지 형태로 준비하여 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 이 실험에서는 시험편에 회전굽힘피로를 가하고 피로에 따른 비선형성을 측정하여 피로도와 비선형성과의 관계를 실험적으로 검증하고자 하였다. 기존의 각 시편에 피로를 다르게 가하여 비선형파라미터를 측정한 실험들과 달리(7) 동일 시편에 피로를 누적시키며 측정하는 방법을 택하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄성파 비선형성의 특징적 현상은 무엇인가? 초음파의 비선형적 거동은 부식, 피로 등 열화에 의한 재료의 미시구조적 변질을 평가할 수 있는 인자로 주목받고 있다.(1~7) 탄성파 비선형성의 특징적 현상은 탄성파가 재료를 통해 전파하면서 기본주파수 성분 이외에 고조파 성분이 발생하는 것이며, 따라서 비선형성은 전파된 신호의 기본주파수 성분과 2차 고조파 성분의 크기의 비율로 부터 측정할 수 있는데 이 비율을 상대적인 비선형파라미터 β´로 정의한다.(2,7)
초음파의 비선형성은 어떻게 측정되는가? 본 논문에서는 비선형 초음파 기법을 이용하여 SUS316L 재료 시편에서의 피로열화를 평가한 연구의 결과를 보고한다. 초음파의 비선형성은 입사 주파수 성분의 크기와 2차 고조파 성분의 크기 비로 정의되는 상대적 비선형 파라미터에 의해 측정된다. 실험을 위해 접촉식 탐촉자를 이용한 계측시스템을 구성하였으며, 안정된 비선형 파라미터의 측정이 가능하도록 계측시스템 자체에서 발생되는 고조파 성분을 억제하고 계측 조건이 일관되게 유지되도록 하였다.
실제로 측정되는 비선형성은 순수 재료의 비선형보다 과다하게 평가될 수 있는 이유는 무엇인가? 이론적인 비선형 파라미터는 재료에 의해 발생되는 고조파 성분만이 고려되어야 하지만 실제에서는 재료에 의한 고조파 성분뿐만 아니라 측정 시스템 등에 의해 발생된 고조파 성분까지 포함된다. 따라서 실제로 측정되는 비선형성은 순수 재료의 비선형성보다 과다하게 평가될 수 있으며, 일반적으로 재료의 비선형성에 의해 발생되는 고조파의 크기가 매우 작기 때문에 측정결과에 큰 영향을 미칠 수 있다.
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참고문헌 (11)

  1. Na, J. K., Cantrell, J. H. and Yost, W. T., 1996, “Linear and Nonlinear Ultrasonic Properties of Fatigued 410Cb Stainless Steel," Rev. of Prog. in QNDE, Vol. 15, pp.1347-1351. 

  2. Jhang, K. Y., 2000, "Applications of Nonlinear Ultrasonics to the NDE of Material Degradation," IEEE UFFC, Vol. 47, No. 3, pp.540-548. 

  3. Jhang, K. Y., Kim, K. C. and Yamawaki, H., 2001, "The Evaluation of Partially Degraded Material using Nonlinear Propagation Characteristics of Ultrasonic Wave," KSME Journal A, Vol. 25, No. 2, pp. 214-219. 

  4. Jeong, H., Nahm, S. H., Jhang, K. Y. and Nam, Y. H., 2002, "Evaluation of Fracture Toughness Degradation of CrMoV Rotor Steels based on Ultrasonic Nonlinearity Measurements," KSME International Journal, Vo. 16, No. 2, pp. 147-154. 

  5. Choi, Y. H., Kim, H. M., Jhang,K. Y. and Park, I. K., 2002, "Application of Nonlinear Acoustic Effect for Evaluation of Degradation of 2.25Cr-1Mo Steel," Journal of KSNT, Vol. 22, No. 2, pp. 170-176. 

  6. Lee, I. H., Son, D. S., Choi, I. H., Lee, T. H. and Jhang, K. Y., 2007, "Development of Pressure Control System of Contact Transducer for Measurement of Ultrasonic Nonlinear Parameter," Journal of KSNT, Vol. 27, No. 6, pp.575-580. 

  7. Kim, J. Y., Laurence J. Jacobs, Qu, J. and Littles, J.W., 2006, “Experimental Characterization of Fatigue Damage in a Nickel-Base Superalloy Using Nonlinear Ultrasonic Waves," J. Acoust. Soc. Am, Vol. 120, Issue. 3, pp.1266-1273. 

  8. Jhang, K. Y., Choi, I., Lee, J. and Kwon, G., 2008, "Effect of System Dependent Harmonics in the Measurement of Ultrasonic Nonlinear Parameter by Using Contact Transducers," Journal of KSNT, Vol. 28, No. 4, pp.358-363. 

  9. Cantrell, J. H. and Yost, W. T., 2001, "Nonlinear Ultrasonic Characterization Of Fatigue Microstructures," International Journal of Fatigue, Vol. 23, pp.487-490. 

  10. Oruganti, R.K., Sivaramanivas, R., Karthik, T.N., Kommareddy, V., Ramadurai, B., Ganesan, B., Nieters, E.J., Gigliotti, M.F., Keller, M.E. and Shyamsunder, M.T., 2007, "Quantification of Fatigue Damage Accumulation Using Non-linear Ultrasound Measurements," International Journal of Fatigue, Vol. 29, Issue. 9-11, pp.2032-2039. 

  11. Ye, D. Y., Wang, D. J. and An, P., 1996, "Characteristics of the Change in the Surface Microhardness During High Cycle Fatigue Damage," Materials Chemistry and Physics, Vol. 44, pp179-181. 

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