[논문]빙해선박 강재의 저온 소성경화 구성방정식

민덕기; 허영미; 조상래

doi:10.3744/snak.2012.49.3.227

[국내논문] 빙해선박 강재의 저온 소성경화 구성방정식
Low Temperature Plastic Hardening Constitutive Equation for Steels of Polar Class Vessels 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.3, 2012년, pp.227 - 231

민덕기 ((주)현대미포조선) , 허영미 (울산대학교 조선해양공학부) , 조상래 (울산대학교 조선해양공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a plastic hardening constitutive equation for steels of polar class vessels at low temperature is proposed. The equation was derived using the experimental data obtained from tensile tests at room and low temperatures. Tensile tests at low temperature are both costly and time consuming because an expensive cold chamber is necessary and it takes too much time to cool down a specimen to set temperature. Using the proposed plastic hardening constitutive equation the plastic hardening characteristics of steels for polar class vessels at low temperature can be easily predicted from the tensile test results at room temperature.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Min, et al. (2011)이 수행한 DH32, DH36 및 EH36 강재의 상온 및 저온 인장실험결과로부터 구축된 데이터베이스를 기반으로 하여 저온(-30°C ~ -50°C)에서의 재료 물성치를 예측할 수 있는 저온 소성경화 구성방정식을 개발하였다.
2, 4 그리고 6에서 실험값은 인장실험결과의 공칭 응력공칭변형률을 이용하여 구한 균일 진응력-진변형률이다. 따라서 본 연구에서는 Hollomon의 식을 기반으로 식 (5)와 같이 저온 소성경화 구성방정식을 개발하였다. 식 (5)를 이용하면 저온 인장실험을 수행하지 않고 상온 인장실험 결과로부터 손쉽게 저온에서의 재료의 물성치를 구할 수 있다.

가설 설정

본 논문에서 소개된 구성 방정식은 단조 하중(monotonic load)이 작용할 때 재료는 등방성 경화(isotropic hardening)한다는 가정에 근거하고 있으며, 피로와 같이 반복 하중이 작용할 경우 등방성 경화와 이동성 경화(kinematic hardening)를 동시에 고려한 구성 방정식을 적용해야 한다. Ludwik 구성 방정식은 초기 항복 강도 항을 포함하기 때문에 비교적 정확한 공식으로 보여지지만, 실제 실험 데이터를 곡선 적합 후 실험 데이터와 비교해보면 상당한 차이를 보임을 알 수 있다.

제안 방법

즉 균일 진응력 곡선에서 평탄부의 종료 시점부터 최대 균일 진응력 (진인장 강도,σuts ) 사이의 데이터에 대한 선형 회귀 분석을 통하여 소성 변형률 경화 지수 및 강도 계수를 산출한다.
본 논문에서는 Min, et al. (2011)의 상온 인장실험에서 얻은 평균 진응력-진변형률 결과를 이용해 Hollomon, Ludwik 그리고 Swift 소성경화 구성방정식의 곡선적합을 실시하여 변형률 경화지수와 강도계수를 구하여 Table 2 ~ 4에 나타내었다. 구해진 강도계수와 변형률 경화지수의 경우 Hollomon과 Swift는 거의 유사한 값을 보여주고 있는데 반해 Ludwik은 상당한 차이를 보여주고 있다.
Min, et al. (2011)이 수행한 DH32, DH36 및 EH36 강재의 상온 및 저온실험 데이터베이스를 기반으로 하여 강재의 상온실험 결과로부터 저온(-30°C ~ -50°C)에서의 재료의 물성치를 예측할 수 있는 저온 소성경화 구성방정식을 개발하였다. 제안된 식을 이용하여 시간과 비용이 많이 드는 저온 인장실험을 수행하지 않고 상온 인장실험 결과로부터 손쉽게 -30°C ~ -50°C 구간에서의 재료의 물성치를 구할 수 있다.

이론/모형

그 결과를 Table 1에 정리하였다. 변형률 경회지수(n)과 강도계수(K)는 ASTM E646-07에 따라 계산되었다.

성능/효과

제안된 식을 이용하여 많은 시간과 비용이 소요되는 저온 인장실험을 수행하지 않고 상온 인장실험 결과로부터 손쉽게 -30°C ~ -50°C 구간에서의 재료의 물성치를 구할 수 있다.
(2011)이 수행한 DH32, DH36 및 EH36 강재의 상온 및 저온실험 데이터베이스를 기반으로 하여 강재의 상온실험 결과로부터 저온(-30°C ~ -50°C)에서의 재료의 물성치를 예측할 수 있는 저온 소성경화 구성방정식을 개발하였다. 제안된 식을 이용하여 시간과 비용이 많이 드는 저온 인장실험을 수행하지 않고 상온 인장실험 결과로부터 손쉽게 -30°C ~ -50°C 구간에서의 재료의 물성치를 구할 수 있다. 이때 계산되는 재료 물성치는 평균 진응력-진변형률이다.

후속연구

따라서 제안된 식의 적용온도 확장을 위해서는 상온과 -30°C 구간에서 추가적인 실험이 필수적으로 요구된다.
제안된 식의 사용 온도범위를 확장하기 위해서 향후 0°C ~ -30°C 구간에서의 저온 인장실험이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 한국에서 유럽(로테르담)으로 가는 해상항로로 주로 사용되는 경로는 어디인가?	현재 한국에서 유럽(로테르담)으로 가는 해상항로는 수에즈운하를 경유하는 항로가 주로 이용되는데 21,000 km에 약 24일이 소요된다. 반면 부산~베링해~북극해~바렌츠해로 이어지는 북극해항로를 이용하면 12,700km에 대략 14일이 걸려 운항기간을 약 40% 줄이는 물류혁명으로 이어질 수 있다.
	구조실험을 수행할 경우 실험 모델의 모재로부터 인장시편을 취해 인장실험을 수행하여 재료의 물성치를 확보해야 하는 이유는 무엇인가?	일반적으로 강재는 생산자 및 생산일자에 따라 재료의 물성치가 다르게 나타난다고 알려져 있다. 따라서 구조실험을 수행할 경우 실험 모델의 모재로부터 인장시편을 취해 인장실험을 수행하여 재료의 물성치를 확보해야 한다.
	부산~베링해~북극해~바렌츠해로 이어지는 북극해항로를 이용할 때의 특징은 어떠한가?	현재 한국에서 유럽(로테르담)으로 가는 해상항로는 수에즈운하를 경유하는 항로가 주로 이용되는데 21,000 km에 약 24일이 소요된다. 반면 부산~베링해~북극해~바렌츠해로 이어지는 북극해항로를 이용하면 12,700km에 대략 14일이 걸려 운항기간을 약 40% 줄이는 물류혁명으로 이어질 수 있다. 또한 해적 출몰 지역인 아덴만 부근을 지나는 인도양 항로의 대체 항로로 해적 문제가 없고 기간이 단축돼 연료비가 절감되는 등의 효과가 있어 북극해항로에 대한 관심과 논의가 활발해지고 있다.

참고문헌 (8)

ASTM, 2007. Standard Test Method for Tensile Strain-Hardening Exponents (n-Values) of Metallic Steel Materials. E646-07.
Bridgman, P.W., 1952. Studies in Large Plastic Flow and Fracture. McGraw-Hill, New York.
Hollomon, J.H., 1945. Tensile Deformation. Trans. A.I.M.E., 162, pp.268.
Ludwik, P., 1909. Elemente der Technologischen Mechanik. Springer-Verlag, Berlin.
Min, D-K. Shim, C.S. Shin, D.W. & Cho, S-R., 2011. On the Mechanical Properties at Low Temperature for Steels of Ice-Class Vessels. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(2), pp.171-177.

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Nemat-Nasser, S. & Guo, W.G., 2003. Thermo mechanical Response of DH-36 Structural Steel Over a Wide Range Of Strain Rates and Temperature. Mech. Mat., 35(11), pp.1023-1047.

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Ramberg, W. & Osgood, W.R., 1943. Description of Stress-Strain Curves by three Parameters. Technical Note No. 902, National Advisory Committee For Aeronautics, Washington DC.
Swift, H.W., 1952. Plastic Instability under Plane Stress. J. Mech. Phys. Solids, 1(1), pp.1.

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