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가설 설정
- 15K인 상온으로 하였다. 등가소성 변형률 속도는 직경 10mm, 길이 20mm 인 시편을 0.1mm/min 속도로 정적 압축 실험을 수행하였기 때문에 0.0001/s로 가정을 하였으며, 사용 재료의 용융온도는 903.15K이다.(12)
제안 방법
- SHPB 실험기법을 사용하여 Al 7075-T6의 고온, 동적 하중 하에서 변형거동의 특성을 규명하였다. 시편이 동적 응력의 평형상태에서 일정한 변형률 속도로 변형되도록 pulse shaper기법을 사용하였으며, 실험 결과를 이용하여 Johnson-Cook 구성방정식의 변수들을 산정하였다.
- 각각의 봉은 같은 재질로 이루어져 있으며 직경이 동일하다. 각각의 봉을 전파하는 응력파를 1차원으로 만들고 높은 변형률 속도로 시편을 변형 시킬 수 있도록 입력봉과 출력봉의 길이가 충격봉의 길이에 최소 2배가 되어야 하고, 봉의 길이와 직경의 비율이 100으로 하여 1차원 탄성파가 발생하도록 하였다. 시편은 중력의 영향과 관성의 영향을 최소화하기 위한 기하학적인 형상으로 입력 봉과 출력봉 사이에 위치하게 된다.
- 본 연구에서는 이러한 실험상의 문제를 해결하기 위해 소개된 수정 SHPB 실험기법을 사용하였다. 그리고 이 실험 기법을 이용하고 본 논문의 저자가 고안, 설계한 고온 장치를 사용하여(4) 고온에서의 Al 7075-T6의 동적 압축 변형 거동을 실험적으로 관찰하면서 얻어진 결과를 바탕으로 동적 고온 압축 거동을 Johnson-Cook 구성방정식으로 모델링하기 위한 변수들을 결정 하였다.
- SHPB 실험 장치에서 가장 중요한 요소 중의 하나는 봉을 서로 접촉시켰을 때 직진도를 거의 완벽하게 유지시켜 응력파가 일차원적으로 정확하게 전파되어야 한다는 점이다. 따라서 I-beam을 정밀 평면 연삭 가공하고, 그 위에 정밀 베어링을 설치하여 완벽한 직진도가 유지되도록 하였다.
- 변형률 속도가 시편 재료의 동적 변형 거동에 미치는 영향을 규명하기 위한 상온 실험을 수행 하였다. 변형률 속도가 0.
- 본 연구에서는 이러한 실험상의 문제를 해결하기 위해 소개된 수정 SHPB 실험기법을 사용하였다. 그리고 이 실험 기법을 이용하고 본 논문의 저자가 고안, 설계한 고온 장치를 사용하여(4) 고온에서의 Al 7075-T6의 동적 압축 변형 거동을 실험적으로 관찰하면서 얻어진 결과를 바탕으로 동적 고온 압축 거동을 Johnson-Cook 구성방정식으로 모델링하기 위한 변수들을 결정 하였다.
- 시편은 중력의 영향과 관성의 영향을 최소화하기 위한 기하학적인 형상으로 입력 봉과 출력봉 사이에 위치하게 된다. 본 연구에서는 탄성파를 조정하기 위하여 pulse shaper를 이용하였으며 충격봉과 입력봉 사이의 충격면에 pulse shaper 를 위치 시켰다.(7)
- 시편을 가열하기 위하여 고주파 유도가열장치를 사용하였으며, 온도 측정은 가열된 시편과 압력봉을 접촉 시킨 후 1초 후에 실험이 이루어진다고 가정을 하여 시편 가열이 끝나고 압력봉을 접촉시킨 후 1초 후의 온도를 K-type thermal couple을 이용하여 시편의 중앙 부분의 온도를 측정하였다.
- 이러한 조건과 시편 재료가 25% 이상으로 변형될 것으로 예상하여 봉의 길이(L)에 대한 직경 (D)의 비율을 100으로 하였다. 이들 입력봉과 출력봉의 재질은 임피던스를 동일하게 유지시키기 위하여 충격봉과 같은 재질로 하였으며, 직경도 충격봉과 같이 16mm로 하였다. 입력봉과 출력봉의 끝단의 면에는 시편과의 완전한 평면접촉이 되도록 정밀 연삭하였다.
- 즉, 시편이 동적 응력의 평형상태가 되지 못하고, 일정하지 않은 변형률 속도로 변형하여 정확한 실험 결과를 얻을 수 없게 된다. 이러한 실험 오차를 줄이기 위하여 Fig. 2에서 보이는 바와 같이 입력봉의 충격면에 pulse shaper를 부착하여 SHPB 실험 기법을 개선하였다. 압축 공기에 의해 발사된 충격봉이 입력봉의 충격면에 있는 pulse shaper에 충격 하중을 주게 되면, pulse shaper는 소성변형 하게 되고, 응력파는 입력봉을 향하여 전파된다.
- 이러한 조건을 만족시키기 위해서 봉의 길이는 봉에서의 응력파길이(stress wave-length)의 최소 두 배가 되어야한다. 이러한 조건과 시편 재료가 25% 이상으로 변형될 것으로 예상하여 봉의 길이(L)에 대한 직경 (D)의 비율을 100으로 하였다. 이들 입력봉과 출력봉의 재질은 임피던스를 동일하게 유지시키기 위하여 충격봉과 같은 재질로 하였으며, 직경도 충격봉과 같이 16mm로 하였다.
- 본 연구에서 사용된 충격봉의 길이는 300mm, 직경은 16mm이다. 충격봉에 빠른 하중을 가하기 위해 gun barrel을 설치하여 고압을 받는 충격봉을 빠른 속도로 직진으로 유도하도록 하였으며, 입력봉에 균일하고 정확한 충격하중이 작용되도록 직진도 유지 장치를 설치하였다. Fig.
대상 데이터
- Pulse shaper는 직경이 10mm이고 두께가 1.0mm 인 copper-1100를 사용 하였다.
- 시편의 형상은 중력의 영향과 관성의 영향을 최소화하기 위한 기하학적인 형상으로 입력봉과 출력봉 사이에 접촉 고정시켜야 한다. 본 연구에서 사용된 시편의 길이(L)는 5mm, 직경(D)은 10mm로 하였다.
- 본 연구에서 사용된 충격봉의 길이는 300mm, 직경은 16mm이다. 충격봉에 빠른 하중을 가하기 위해 gun barrel을 설치하여 고압을 받는 충격봉을 빠른 속도로 직진으로 유도하도록 하였으며, 입력봉에 균일하고 정확한 충격하중이 작용되도록 직진도 유지 장치를 설치하였다.
- /s의 변형률 속도를 발생시키기 위해서 충격하중을 발생시켜야 한다. 본 연구에서는 충격봉, 입력봉과 출력봉의 재질은 모두 Inconel 718을 사용 하였으며 이 재료의 기계적인 특성은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 여러 가지 문헌에 발표된 구성 방정식 중 가장 널리 쓰이는 Johnson-Cook 모델을 이용 하였다. Johnson-Cook 모델은 아래와 같은 식으로 표현된다.
- SHPB 실험기법을 사용하여 Al 7075-T6의 고온, 동적 하중 하에서 변형거동의 특성을 규명하였다. 시편이 동적 응력의 평형상태에서 일정한 변형률 속도로 변형되도록 pulse shaper기법을 사용하였으며, 실험 결과를 이용하여 Johnson-Cook 구성방정식의 변수들을 산정하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 변형률 속도가 시편 재료의 동적 변형 거동에 미치는 영향을 규명하기 위한 상온 실험을 수행한 결과, 변형률 속도가 증가함에 따라 최종 응력과 변형률이 상승하는 사실이 나타났다.
- (2) 유동 응력은 직선적으로 증가하는 것을 알 수가 있었으며, 고변형률에서의 증가율이 저변형률에서의 증가율보다 높다는 사실이 나타났다.
- (3) 온도가 증가 할수록 유동응력이 직선적으로 감소하며 변형률이 높을수록 감소율이 높다는 사실이 나타났다.
- (4) 변형률 속도와 온도 변화에 따라 얻어진 실험 결과를 토대로 Johnson-Cook(JC) 구성방정식의 변수를 결정 하였으며 JC모델이 실험한 결과를 잘 모델링 할 수 있음을 밝혔다.
- 그 결과는 SHPB 실험기법에 응용되었고, 응력파가 파장이 λ 순수 코사인파(cosine wave)라면 R/λ ≪ 1 일 때 응력 파에 의한 축 변위와 응력은 봉의 단면에 걸쳐 균일하다는 사실이 알려졌다.
- 입력봉 내에서의 탄성파 전파이론이 수학적으로 예견될 수 있음에 반해 시편의 변형은 소성파 전파와 마찰에 의한 영향을 고려해야 하기 때문에 해석에 어려움이 따른다. 따라서 마찰의 영향은 점성이 있는 윤활제를 사용하여 최소화하였으며, 시편재료의 기계적인 특성 값에 따라서 기하학적인 형상을 조정하여 SHPB 실험기법을 이용한 고변형률 속도에서 일어날 수 있는 갑작스러운 입자들의 가속화에 의한 시편의 길이 방향이나 반경 방향의 관성을 최소화하였다.
- 7은 상온에서의 실험 결과와 구성방정식의 결과를 비교한 것을 나타내었다. 변형률 속도변화에 따라 실험하여 얻은 결과와 구성방정식으로 산정되는 응력의 변화가 유사하게 접근되는 것을 확인하였다.
- 8은 변형률 속도를 3000/s~3200/s를 유지한 상태에서 온도 변화에 따라 실험하여 얻은 결과와 구성방정식으로 산정된 결과를 비교한 것을 나타내었다. 온도가 변화하는 경우 실험 결과와 구성방정식으로 산정되는 응력의 변화가 유사하게 접근되는 것을 확인하였다.
- 15에 대응시켜, 온도변화에 따른 응력 변화를 나타낸 것이다. 온도가 증가 할수록 특수한 변형률에 대응하는 응력이 직선적으로 감소하며 변형률이 높을수록 감소율이 높다는 사실을 규명하였다.
- 1일 경우에 대해 나타낸 것이다. 이와 같은 상온 시험의 결과로 등방성 균질 재료의 동적 변형 거동으로 알려져 있는, 동일한 변형률에서의 응력값이 변형률 속도가 증가함에 따라 상승하는, 특성을 확인할 수 있었다.
- 3에 나타내었다. 준정적인 실험 결과와 비교하여 보면 변형률 속도가 증가함에 따라서 경화되는 현상을 볼 수 있었다.(10)
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