[논문]중성자법에 의한 잔류응력 측정법

우완측; 김동규; 안규백

doi:10.5781/jwj.2015.33.1.30

중성자법에 의한 잔류응력 측정법
Residual stress measurements using neutron diffraction 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.1, 2015년, pp.30 - 34

우완측 (한국원자력연구원 중성자과학연구부) , 김동규 (한국원자력연구원 중성자과학연구부) , 안규백 (포스코기술연구원 접합연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Residual stresses are inherently introduced into the engineering components during manufacturing including rolling, forging, bending and welding processes. Excessive residual stresses are known to be detrimental to the proper integrity and performance of components. Neutron diffraction has become a well-established technique for the determination of residual stresses in welds. The deep penetration capability of neutrons into most metallic materials makes neutron diffraction a powerful tool for the residual stress measurements through the thickness of the weld specimen. Furthermore, the unique volume-averaged bulk characteristic of the scattering beam and mapping capability in three dimensions is suitable for the engineering purpose. In this presentation, the neutron diffraction measurements of the residual stresses will be introduced and measurement results will highlighted in thick weld plates.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

예를 들면, 파괴법에 기초한 표면굴곡 측정법 (contour method)과 딥홀드릴링법 (deep hole drilling), 비파괴법에 기초한 방사광 x-ray (synchrotron x-ray diffraction) 및 중성자 회절법 (neutron diffraction) 법 등이 주목 받고 있다. 그 가운데 중성자 회절을 이용한 잔류응력 측정법을 소개하고 원자력연구원 하나로의 잔류응력 측정장치 (RSI, residual stress instrument)를 이용한 용접부의 잔류응력 측정 예를 제시하고자 한다(Fig. 1 참조)^9,10).

가설 설정

1) 중성자가 회절된 (hkl) 격자면의 면간거리 (d)를 고유한 변형 게이지 (strain gauge) 값으로 가정하여 이로부터 기준 면간거리 (do, 잔류응력이 없는 stress-free 상태) 값으로부터 변형 값 (strain, ε)을 계산한다 (식 1 사용, Fig. 3 참조).
식(2)에서와 같이 응력계산을 위해서는 3축 주응력 방향으로 각각 변형을 측정하여야 하므로 측정 3축 변형방향 (εx, εy, εz)이 주응력 방향 (Principal stress direction)이라는 3축 직각 응력 방향으로 가정하고 측정하여 잔류응력을 계산하였다.

제안 방법

측정 위치는 시험편 표면으로부터 5, 10, 15, 20. 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 mm 지점에서 측정하였다. 식(2)에서와 같이 응력계산을 위해서는 3축 주응력 방향으로 각각 변형을 측정하여야 하므로 측정 3축 변형방향 (ε_x, ε_y, ε_z)이 주응력 방향 (Principal stress direction)이라는 3축 직각 응력 방향으로 가정하고 측정하여 잔류응력을 계산하였다.
구체적 실험 조건은 2.39 Å의 파장, 72.4도 회절각(2Θ)으로 체심입방격자 (Body Centered Crystal, BCC) 페라이트(ferrite)의 (110) peak을 주로 측정하였으며 측정 부피는 4 (재료 깊이 방향) × 8 (폭 방향) × 4 (길이방향, rolling 방향과 평행) mm로 한 위치별 일반적으로 1 시간 소요하여 측정하였다.
상세한 용접조건 및 시험편의 준비는 참고문헌 11에 서술되어있다. 두 가지 시험편을 각각 중성자 시험 설비 (RSI)를 이용하여 용접 시험편으로 부터 잔류응력을 측정하였다. 용접 시험편을 원자로 빔 룸의 장치 시험편 테이블에 Fig.
이러한 핵심기술은 중성자 빔이 재료의 깊이 방향으로 집중적으로 투과하여 회절파가 측정되기 위한 가장 중요한 요소로서 본 연구에서는 구부린 단결정 단색기(bent perfect crystal monochromator) Si (111) 사용하여 감쇄능이 최소인 take-off angle 45° 및 2.39Å의 파장 조건을 사용하여 70 mm 두께 용접 시험편의 투과 및 잔류응력 측정에 성공하였다 (Table 1 참조).
1) 중성자 회절법을 이용한 잔류응력의 측정법이 개발되어 이 신기술을 이용한 과학적 분석연구가 전 세계적으로 활발히 이용되고 있다. 측정 방법과 순서는 표준화 (ISO/TS 21432, 2005)되어 있으며 그 방법을 따라 두께 70mm의 극후판의 2 종류 입열로 용접부의 두께 방향 잔류응력 측정을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 플럭스 코어드 아크 용접법 (Flux–cored arc welding, FCAW)을 이용하여 2kJ/mm이하 저입열로 용접된 다층 용접의 경우와 일렉트로 가스 용접법 (Electro-gas welding, EGW)으로 50 kJ/mm 이상의 입열량으로 단층 대입열 용접부 2 종류의 시험편을 이용하였다.
사용된 시험편은 230 mm (길이), 300 mm (폭), 70 mm (두께) 크기의 탄소량 0.05%의 TMCP 대입열용 강재 (선급용 EH40-TMCP) 이다 (Fig. 4 참조). 일반적으로 570 MPa 이상의 항복강도, 610 MPa 이상의 인장강도, 21 %이상의 연신율을 보이는 것으로 알려져 있다.

성능/효과

2) 최근 국내 개발된 중성자 잔류응력 측정장치는 기존의 장치에 비해 투과력이 매우 향상되었다. 영국 ISIS 연구소의 보고에 따르면 철판의 경우 일반적으로 투과깊이가 약 40 mm 이었으나 최근에는 80 mm 깊이까지 가능하다.
3) 70 mm 두께의 저입열 다층 FCAW 용접부 및 대입열 단층 EGW 용접부를 동일 크기로 제작하여 중성자 잔류응력을 측정한 결과 두께방향 분포가 매우 상이하며 용접방향으로 최대 인장응력의 경우 FCAW의 경우 용접부 중앙부 표면쪽에서 최대 530 MPa 까지 발달되는 반면 EGW의 경우 중앙부로부터 약 30 mm 정도 떨어진 열영향부 두께 중앙에서 최대 약 490 MPa이 측정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잔류응력이란 무엇인가?	잔류응력은 외부에서 힘이 가해지지 않은 상태에서 재료 자체적으로 보유한 응력의 불균일한 분포로 정의된다1,2). 이러한 잔류응력은 다양한 산업공정에서 필요한 각종 열, 탄소성 가공 중에 필연적으로 재료에 발생하여 부품의 내구성과 안전성에 큰 영향을 미친다3,4).
	비파괴 잔류응력 측정을 위해 x-ray를 사용하였을 때의 단점은?	비파괴 잔류응력 측정하기 위하여 x-ray를 이용 하는 것이 일반적인 방법인데 이 방법의 단점은 재료에 대한 투과력이 낮아서 재료 표면에서만 측정가능하고 가속기 방사광을 사용하기도 하는데 이 또한 일반적으로 최대 10 ~ 20 mm 정도 투과력을 보이며 입사각이 매우 낮아 완전한 응력 3축 응력 측정이 어렵다. 미국이나 유럽에서는 최근에 30 mm 이상의 투과력을 가진 중성자 측정 장치를 개발하여 활발히 이용되고 있으며 투과력을 높이는 기술을 경쟁적으로 개발하고 있다.
	잔류응력 측정법에는 어떠한 것들이 있는가?	최근 다양한 잔류응력 측정법이 국내외에서 개발되고 이를 이용한 활발한 연구가 이루어지고 있다7,8). 예를 들면, 파괴법에 기초한 표면굴곡 측정법 (contour method)과 딥홀드릴링법 (deep hole drilling), 비파괴법에 기초한 방사광 x-ray (synchrotron x-ray diffraction) 및 중성자 회절법 (neutron diffraction) 법 등이 주목 받고 있다. 그 가운데 중성자 회절을 이용한 잔류응력 측정법을 소개하고 원자력연구원 하나로의 잔류응력 측정장치 (RSI, residual stress instrument)를 이용한 용접부의 잔류응력 측정 예를 제시하고자 한다(Fig.

참고문헌 (11)

K. Masubuchi: Analysis of Welded Structures, New York, Pergamon, (1980)
P.J. Withers, H.K.D.H. Bhadeshia: Overview residual stress Part 2 - Nature and origin, Mater Sci Tech, 17 (2001), 366-375

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G.A. Webster, A.N. Ezeilo: Residual stress distributions and their influence on fatugue lifetimes, Inter J Fatigue, 23 (2001), S357-S383

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Y. Kim, J. H. Lee: Residual Stress Prediction in Multi-layer Butt Weld Using Crack Compliance Method, Journal of KWJS, 30 (2012), 74-79

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G.B. An, W. Woo, J.U. Park: Brittle crack-arrest fracture toughness in a high heat-input thick steel weld, Inter J Fract, 185 (2014), 179-184

상세보기
J. Park, G. B. An, H. Kim, B. Jo: Bead Shape and Conditions of Friction Stir Processing to Improve Fatigue Strength, Journal of KWJS, 31 (2013), 73-79 (in Korean)

원문보기 상세보기
P.J. Withers, M. Turski, L. Edwards, P.J. Bouchard, D.J. Buttle: Recent advances in residual stress measurement, Inter J Pres Ves Pip, 85 (2008), 118-127

상세보기
G.S. Schajer: Practical Residual Stress Measurement Methods, John Wiley & Sons, Chichester, 2013
M. T. Hutchings, P. J. Withers, T. M. Holden and T. Lorentzen: Introduction to the Characterization of Residual Stress by Neutron Diffraction, 1st edn; London, Taylor and Francis, (2005)
W. Woo, V. Em, B.S. Seong, E. Shin, P. Mikula, J. Joo, K. Kang: Effect of wavelentgh-dependent attenuation on neutron diffraction stress measurerments at depth in steel, J Appl Cryst, 44 (2011), 747-754

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W. Woo, G.B. An, E.J. Kingston, A.T. DeWald, D.J. Smith, M.R. Hill: Through-thickness distributions of residual stresses in two extreme heat-input thick welds, A neutron diffraction, contour method and deep hole drilling study, Acta Mater, 61 (2013), 3564-3574

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