기존 단축 크리프시험에서는 천이 크리프의 영향을 무시하고 정상상태 크리프만을 고려하기 때문에 실제 크리프 특성을 나타내지 못한다. 이에 본 연구에서는 천이크리프를 고려한 압입 크리프 물성평가법을 제시한다. 다양한 재료에 대해 구형압입시험 전산모사를 이용해 크리프 물성변화에 따른 거동을 살펴보고, 크리프 특성을 무차원 변수들의 회귀식으로 표현한다. 이를 토대로 천이크리프를 고려한 압입 크리프 물성평가 프로그램을 생성했다. 제시한 물성평가 프로그램을 통해 압입 하중-변위 곡선으로부터 크리프지수, 계수값들을 각각 1.1%, 2.3% 오차범위에서 예측할 수 있다.
기존 단축 크리프시험에서는 천이 크리프의 영향을 무시하고 정상상태 크리프만을 고려하기 때문에 실제 크리프 특성을 나타내지 못한다. 이에 본 연구에서는 천이크리프를 고려한 압입 크리프 물성평가법을 제시한다. 다양한 재료에 대해 구형압입시험 전산모사를 이용해 크리프 물성변화에 따른 거동을 살펴보고, 크리프 특성을 무차원 변수들의 회귀식으로 표현한다. 이를 토대로 천이크리프를 고려한 압입 크리프 물성평가 프로그램을 생성했다. 제시한 물성평가 프로그램을 통해 압입 하중-변위 곡선으로부터 크리프지수, 계수값들을 각각 1.1%, 2.3% 오차범위에서 예측할 수 있다.
Creep through nanoindentations has attracted increasing research attention in recent years. Many studies related to indentation creep tests, however, have simply focused on the characteristics of steady-state creep, and there exist wide discrepancies between the uniaxial test and the indentation tes...
Creep through nanoindentations has attracted increasing research attention in recent years. Many studies related to indentation creep tests, however, have simply focused on the characteristics of steady-state creep, and there exist wide discrepancies between the uniaxial test and the indentation test. In this study, we performed a computational simulation of spherical indentations, and we proposed a method for evaluating the creep properties considering transient creep. We investigated the material behavior with variation of creep properties and expressed it using regression equations for normalized variables. We finally developed a program to evaluate the creep properties considering transient creep. By using the proposed method, we successfully obtained creep exponents with an average error less than 1.1 and creep coefficients with an average error less than 2.3 from the load-depth curve.
Creep through nanoindentations has attracted increasing research attention in recent years. Many studies related to indentation creep tests, however, have simply focused on the characteristics of steady-state creep, and there exist wide discrepancies between the uniaxial test and the indentation test. In this study, we performed a computational simulation of spherical indentations, and we proposed a method for evaluating the creep properties considering transient creep. We investigated the material behavior with variation of creep properties and expressed it using regression equations for normalized variables. We finally developed a program to evaluate the creep properties considering transient creep. By using the proposed method, we successfully obtained creep exponents with an average error less than 1.1 and creep coefficients with an average error less than 2.3 from the load-depth curve.
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문제 정의
그러나 기존 압입 연구들은 정상상태 특성만을 이용하고 있기 때문에 단축 크리프시험과 압입시험 사이에 상당한 편차가 존재한다.(8~14) 이에 본 연구에서는 대변형 압입시험 유한요소해석에 기초해 천이크리프를 고려한 크리프 물성평가법을 제시하고자 한다. 이를 위해 우선 천이크리프를 고려한 압입 크리프시험으로 크리프 물성변화에 따른 재료의 거동을 살펴보았고, 무차원 변수들의 회귀식으로 표현했다.
기존 압입시험을 이용한 크리프 물성평가 연구들은 천이크리프 영향을 고려하지 않아 압입시험으로 얻은 데이터가 단축 크리프시험과 상당한 편차가 있다. 그러나 본 연구에서는 천이 크리프를 고려한 유한요소해석을 활용함으로써 재료의 변형경화지수가 응력과 변형률속도 사이의 관계에 미치는 영향을 살폈고, 이를 바탕으로 천이크리프를 고려한 크리프 물성평가법을 제시했다. 새로운 크리프 물성평가 프로그램을 이용해 압입 하중-변위곡선으로부터 크리프 지수, 계수 값들을 각각 1.
재료의 크리프물성치에 따라 선정지점의 변형률 속도 및 응력이 변하므로, 이들 관계를 물성치의 함수로 표현할 수 있다. 본 연구에서는 선정된 관측지점(r=0, l/D=0.2)에서 응력-변형률속도와 압입깊이 관계를 수식화하고자 한다.
가설 설정
1과 같은 축대칭 유한요소모델을 형성했다(ABAQUS, 2010).(15) 압입자와 모재 사이는 무마찰로 가정하고 비선형 대변형해석을 수행했다. 해석에 사용한 요소는 4절점 축대칭요소 CAX4이며, 해석에 큰 영향을 주지 않는 부위의 경계에는 MPC (Multi Point Constraints) 를 사용했다.
모재는 약 16500개의 절점과 15800 개의 4 절점 축대칭요소들로 구성했고, 압입자는 직경 1µm 의 강체로 가정했다.
재료물성은 m=5, n=10, C=8.73×10-2, E=1000GPa, ν=0.3, εo=0.001 로 가정하고, 천이크리프를 고려한 CRD 압입 크리프시험으로 r=0 인 지점에서 하부방향으로 떨어진 깊이 (l/D) 와 εtot, εe, εc 의 관계를 살폈다.
제안 방법
m=5, n=10, C=8.73 × 10-2, E=1000GPa, ν=0.3, εo=0.001, #=1 인 재료에 대해, CRD 방식의 크리프 압입시험으로 100 s 동안 0.1 µm 깊이만큼 압입했다.
1, 0) ] 에 따른 재료의 거동을 유한요소해석을 통해 확인했고, 재료물성과 관계지은 무차원변수들 ξ,ψ로 표현했다. 이로부터 얻은 상수값들로 크리프 물성평가 프로그램의 데이터베이스를 구축했다. 유효 크리프변형률속도와 크리프 시간의 곱을 무차원변수 ξ로 정의한다.
(8~14) 이에 본 연구에서는 대변형 압입시험 유한요소해석에 기초해 천이크리프를 고려한 크리프 물성평가법을 제시하고자 한다. 이를 위해 우선 천이크리프를 고려한 압입 크리프시험으로 크리프 물성변화에 따른 재료의 거동을 살펴보았고, 무차원 변수들의 회귀식으로 표현했다. 이를 토대로 압입크리프 물성평가 프로그램을 생성했으며 생성된 물성 평가 프로그램으로 재료의 크리프 물성을 평가했다.
이를 위해 우선 천이크리프를 고려한 압입 크리프시험으로 크리프 물성변화에 따른 재료의 거동을 살펴보았고, 무차원 변수들의 회귀식으로 표현했다. 이를 토대로 압입크리프 물성평가 프로그램을 생성했으며 생성된 물성 평가 프로그램으로 재료의 크리프 물성을 평가했다.
천이크리프를 고려한 재료물성은 m=5, n=10, C=8.73 × 10-2, E=1000GPa, ν=0.3, εo=0.001 이며, 단일요소로 CRD 및 CLH (Constant Load and Hold)크리프 인장시험을 수행했다.
크리프 물성변화 [ 4 개의 1/m (1.0, 0.5, 0.2, 0.1)과 5 개의 1/n (0.5, 0.33, 0.2, 0.1, 0) ] 에 따른 재료의 거동을 유한요소해석을 통해 확인했고, 재료물성과 관계지은 무차원변수들 ξ,ψ로 표현했다.
대상 데이터
사용한 요소는 4 절점축대칭요소 CAX4 이며, 모재크기는 60 × 60 µm 이다.
이론/모형
구형압입자를 이용한 크리프 재료의 압입시험을 위해 Fig. 1과 같은 축대칭 유한요소모델을 형성했다(ABAQUS, 2010).(15) 압입자와 모재 사이는 무마찰로 가정하고 비선형 대변형해석을 수행했다.
압입자와 모재의 대칭축상 절점들은 대칭축에 수직방향 변위 성분을 구속해 축대칭 조건을 만족시키고, 모재 밑면은 완전 구속시킨 후 압입자를 하강시킨다. 본 연구에서는 압입 크리프 시험방법으로 유한요소 해석상 수렴성이 우수한 CRD (Constant Rate of Depth) 방식을 이용했다.
(15) 압입자와 모재 사이는 무마찰로 가정하고 비선형 대변형해석을 수행했다. 해석에 사용한 요소는 4절점 축대칭요소 CAX4이며, 해석에 큰 영향을 주지 않는 부위의 경계에는 MPC (Multi Point Constraints) 를 사용했다. 모재는 약 16500개의 절점과 15800 개의 4 절점 축대칭요소들로 구성했고, 압입자는 직경 1µm 의 강체로 가정했다.
성능/효과
그러나 본 연구에서는 천이 크리프를 고려한 유한요소해석을 활용함으로써 재료의 변형경화지수가 응력과 변형률속도 사이의 관계에 미치는 영향을 살폈고, 이를 바탕으로 천이크리프를 고려한 크리프 물성평가법을 제시했다. 새로운 크리프 물성평가 프로그램을 이용해 압입 하중-변위곡선으로부터 크리프 지수, 계수 값들을 각각 1.1%, 2.3% 오차범위에서 예측할 수 있다.
후속연구
앞서 제시된 함수는 재료물성치가 주요변수가 되므로, 재료의 응력-변형률속도 특성을 정량적으로 나타낼 수 있는 물성회귀식이 필요하다. 천이크리프를 고려할 경우 응력과 변형률속도 사이의 관계는 식(16)과 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미소압입시험을 통한 크리프 연구에는 무엇이 있는가?
그러나 미소압입시험에서 장시간 안정적인 고온유지 기술의 기술적 난제와 더불어 압입자형상, 크리프 천이영역 영향 등과 같은 이론적 연구가 아직 충분히 이루어 지지 않아, 현재까지 압입 크리프특성을 단축 크리프물성과 대응 시키는데 많은 어려움이 있다. Lucas 와 Oliver(8)는 Indium 에 대한 크리프 실험으로 단축 크리프에서 얻은 응력 지수 m과 유사한 값을 압입시험으로부터 얻었으나, 크리프계수 A 와 B 사이에는 상당한 차이가 있음을 보였다. 또한 Ogbonna 등(9)은 기존 압입평가기법이 천이크리프의 영향을 무시하고 정상상태 크리프만을 고려하기 때문에 크리프 응력 지수를 과대평가하는 경향이 있음을 지적했다.
미소재료시험 분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 시험법은 무엇인가?
인장 및 파괴시험과 같은 기존의 전통적인 시험법은 표준화가 비교적 잘 되어 있으나, 나노크기의 미소재료에 그대로 적용하기에는 한계가 있다. 이에 미소재료를 직접 시험하기 위한 방법이 요구되고 있으며, 나노압입시험법은 편리함과 풍부한 응용가능성 때문에 미소재료시험 분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 시험법으로 자리잡고 있다.
인장 및 파괴시험과 같은 기존의 전통적인 시험법의 문제점은 무엇인가?
기계 등 구조물의 신뢰성평가에 있어 핵심이 되는 재료물성평가 기법에 대한 연구는 최근 나노크기 소자에 대한 관심이 집중되면서 새로운 전환점을 맞이하게 되었다. 인장 및 파괴시험과 같은 기존의 전통적인 시험법은 표준화가 비교적 잘 되어 있으나, 나노크기의 미소재료에 그대로 적용하기에는 한계가 있다. 이에 미소재료를 직접 시험하기 위한 방법이 요구되고 있으며, 나노압입시험법은 편리함과 풍부한 응용가능성 때문에 미소재료시험 분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 시험법으로 자리잡고 있다.
참고문헌 (15)
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