중간 변형률속도용 낙추식 충격 인장시험 장치의 신뢰성 확보 및 탄소강의 동적변형거동 평가 Reliability Assessment of Impact Tensile Testing Apparatus using a Drop-bar Striker for Intermediate Strain-rate Range and Evaluation of Dynamic Deformation Behaviors for a Carbon Steel원문보기
충격하중을 받는 재료의 변형거동에 관한 연구는 공학 및 산업의 다양한 분야에서 관심 받고 있으며, 이들 기계/구조물 부재의 변형 및 파괴거동의 다수는 중간 변형률속도 영역에 해당하는 것으로 알려져 있다. 따라서 이러한 변형률속도역에서 동적변형거동을 고려하는 것이 설계의 필수조건이 되었다. 이들 영역은 준정적과 SHPB 시험장치를 이용하는 고 변형률속도의 중간 영역에 위치하고 있어서, 종래의 적당한 시험장치를 이용하여 중 변형률속도를 얻는 것이 용이하지 않았다. 따라서 중간 변형률속도역에서 재료의 변형 및 파괴거동에 관한 유용한 데이터의 보고는 제한적이다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 구축한 낙추식 충격 인장시험 장치의 신뢰성을 확보하였고, 이를 사용하여 탄소강의 중 변형률속도역에서 동적거동을 평가하였다.
충격하중을 받는 재료의 변형거동에 관한 연구는 공학 및 산업의 다양한 분야에서 관심 받고 있으며, 이들 기계/구조물 부재의 변형 및 파괴거동의 다수는 중간 변형률속도 영역에 해당하는 것으로 알려져 있다. 따라서 이러한 변형률속도역에서 동적변형거동을 고려하는 것이 설계의 필수조건이 되었다. 이들 영역은 준정적과 SHPB 시험장치를 이용하는 고 변형률속도의 중간 영역에 위치하고 있어서, 종래의 적당한 시험장치를 이용하여 중 변형률속도를 얻는 것이 용이하지 않았다. 따라서 중간 변형률속도역에서 재료의 변형 및 파괴거동에 관한 유용한 데이터의 보고는 제한적이다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 구축한 낙추식 충격 인장시험 장치의 신뢰성을 확보하였고, 이를 사용하여 탄소강의 중 변형률속도역에서 동적거동을 평가하였다.
Studies on the deformation behavior of materials subjected to impact loads have been carried out in various fields of engineering and industry. The deformation and fracture of members for these machines/structures are known to correspond to the intermediate strain-rate region. Therefore, for the str...
Studies on the deformation behavior of materials subjected to impact loads have been carried out in various fields of engineering and industry. The deformation and fracture of members for these machines/structures are known to correspond to the intermediate strain-rate region. Therefore, for the structural design, it is necessary to consider the dynamic deformation behavior in these intermediate strain-rate ranges. However, there have been few reports with useful data about the deformation and fracture behavior at intermediate strain-rate ranges. Because the intermediate strain-rate region is located between quasi-static and high strain-rate regions, it is difficult to obtain the intermediate strain-rate using conventional reasonable test equipment. To solve this problem, in this study, the measurement reliability of the constructed drop-bar impact tensile test apparatus was established and the dynamic behavior at the intermediate strain-rate range of carbon steels was evaluated by utilizing the apparatus.
Studies on the deformation behavior of materials subjected to impact loads have been carried out in various fields of engineering and industry. The deformation and fracture of members for these machines/structures are known to correspond to the intermediate strain-rate region. Therefore, for the structural design, it is necessary to consider the dynamic deformation behavior in these intermediate strain-rate ranges. However, there have been few reports with useful data about the deformation and fracture behavior at intermediate strain-rate ranges. Because the intermediate strain-rate region is located between quasi-static and high strain-rate regions, it is difficult to obtain the intermediate strain-rate using conventional reasonable test equipment. To solve this problem, in this study, the measurement reliability of the constructed drop-bar impact tensile test apparatus was established and the dynamic behavior at the intermediate strain-rate range of carbon steels was evaluated by utilizing the apparatus.
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문제 정의
(13) 따라서 본 연구에서는 구축한 낙추식 충격 인장시험 장치에 대한 계측 신뢰성을 확보하고, 이들 장치를 사용하여 획득한 탄소강 S45C의 동적변형거동을 파악 및 동적 물성치의 유효성을 검토하고자 하였다.
4에서 볼 수 있듯이, 이중 변위계로부터 획득한 각각의 변위신호 데이터는 기울기가 다른 값을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 단일 변위계를 사용한 경우와 이중 변위계를 사용한 경우를 비교하여 시험장치의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 경과시간에 따른 하중과 변위 데이터로부터 동적 하중-변위 선도 및 공칭 응력-변형률 선도를 나타낼 수 있게 된다.
본 연구에서는 중 변형률속도역에서 충격 인장시험이 가능한 긴 출력봉을 갖는 낙추식 충격 인장시험 장치를 구축하였다.
본 연구팀에서는 최근 중 변형률속도역에서 재료의 동적거동 및 특성치를 평가하기 위해, 긴 출력봉을 갖는 낙추식 충격 인장시험 장치를 고안하였고, 그 결과 하중신호에서 진동을 완전히 제거하는 것이 가능하였다.(13) 따라서 본 연구에서는 구축한 낙추식 충격 인장시험 장치에 대한 계측 신뢰성을 확보하고, 이들 장치를 사용하여 획득한 탄소강 S45C의 동적변형거동을 파악 및 동적 물성치의 유효성을 검토하고자 하였다.
(5) 이러한 어려움으로 인하여 유효성이 의문시되는 데이터가 많이 보고되어 오고 있는 실정이다. 이들 종래 실험의 경우, 대부분 하중신호에서 현저한 진동(oscillation)이나 울림(ringing)을 포함하고 있어서 단순히 시험 후 얻어진 데이터의 수치적 평활화(smoothing)처리로 해결하고자 하였다. 이로 인해 각 재료의 동적거동과 특성치를 명확하게 구하는 것이 어려웠다.
제안 방법
여기서 지지튜브 내부에는 출력봉이 삽입되어 있고, 출력봉 하단부에는 소형 인장시험편이 하부 시험편홀더 사이에 체결되어 있다. 그리고 충격시험시 안정적인 하중신호를 얻기 위해, 장치의 상부판에 출력봉 지지튜브가 수직을 유지하고 반경방향으로 움직이지 않도록 고정하였다. 이는 지지튜브가 상부판에 수직을 유지하여 고정되지 않거나 흔들리는 경우, 하중신호에서는 노이즈가 발생하여 최대인장강도(UTS)를 명확하게 구할 수 없게 된다.
따라서 수직방향 변위를 계측하기 위해, Fig. 2와 같이 2대의 레이저 변위계 헤드(KEYENCE, LK-G5000, Head: LH-055, sampling rate: 392 kHz)를 180° 각도로 설치하고 시험편홀더의 좌우 양측 변위계의 출력 값을 평균하여 동적 변위로 하였다.
동적 하중신호는 중 변형률속도역에서 출력봉의 길이를 길게함으로써, 충격인장시 나타나는 반사파의 간섭에 따른 영향 및 관성 효과에 의한 진동을 완전히 배제할 수 있었다. 또한 구축한 시험장치로부터 수직방향으로의 변위신호를 획득하기 위해, 이중 레이저 변위계를 설치하였다. 실험결과, 단일 변위계의 경우 탄성역 기울기의 차이로 인해 항복점의 위치가 달라져 항복강도가 다소 차이를 나타내었지만, 이중 변위계를 사용하게 되면 거의 동일한 선도를 얻을 수 있었고, 단일 변위계를 사용한 경우보다 항복강도에 대한 표준편차가 훨씬 낮은 값을 나타내었다.
(14) 이로 인해 표준 인장시험편을 사용한 경우에 비하여 다소 큰 연신율이 예상된다. 또한 충격시험 결과와 비교하기 위해, 낮은 변형률속도(0.001s-1, 1s-1) 에서 동일 형상의 시험편에 대하여 유압식 만능시험기(INSTRON 8516, load cell: 100 kN)를 사용하여 준정적 인장시험을 수행하였고, 준정적 상태에서 얻어진 기계적 물성은 Table 1과 같다.
(15~17) 이로부터 두 신호의 데이터 수집(DAQ) 및 처리를 간편하게 할 수 있고, 획득한 하중과 변위신호로부터 동적 하중-변위 선도를 제시하는 것이 가능하다. 먼저 동적 하중신호 검출을 위해 출력봉의 하단 시험편 체결부로부터 출력봉(output bar) 직경의 3배(3d = 60 mm) 만큼 떨어진 위치에 포일형 스트레인 게이지(KYOWA, 120 Ω, Gage factor: 2.0)를 양측에 각각 부착하였다. 여기서 출력봉은 충격시, 시험편을 통과한 응력파가 끝단에서 반사되어 반사파(reflected wave)로 출력봉의 하단으로 전달되는 시간보다 짧게 하여, 스트레인 게이지(strain gages)에 의해 검출되는 하중신호에 반사파가 포함되지 않게 인장 변형 및 파단에 이르는 시간이 충분한 길이로 구성되어야 한다.
본 연구에서는 동적 하중 및 변위신호를 계측하기 위해, LabVIEW S/W 프로그램을 채택하였다.(15~17) 이로부터 두 신호의 데이터 수집(DAQ) 및 처리를 간편하게 할 수 있고, 획득한 하중과 변위신호로부터 동적 하중-변위 선도를 제시하는 것이 가능하다.
(13) 도그 본(dog bone) 형상의 소형 인장시험편으로써, 전체길이가 30 mm이다. 시험편 양단을 고정하기 위해 나사부를 갖고 있으며, 봉상 모재로부터 압연방향으로 가공하였다. 게이지부는 길이 10 mm, 직경 4 mm로 하였다.
또한 얻어진 하중신호는 raw data의 어떠한 평활화(smoothing) 작업 없이도 진동이 포함되어 있지 않는 선도를 얻을 수 있다. 여기서 동적 출력하중의 출력교정을 위해 출력봉의 교정을 실시하였다.(13,15) 인장하중 작용시 출력봉에 부착한 스트레인 게이지로부터 출력되는 전압값을 10 kN까지 0.
이 때 출력봉과 낙추봉은 투명 PC파이프 내에 수직으로 삽입되어 있고, 낙추봉의 상·하단부에는 ABS 폴리머 재질의 가이드 판(guide plate)이 설치되어 있다. 이들 가이드 판에는 반원형 구멍이 가공되어 있어서, 이를 통해 수직방향으로 삽입된 가이드 봉(guide bar)을 따라 낙추봉이 마찰 및 장애 없이 수직 자유낙하 할 수 있도록 하였다.(13,15) 또한 낙추봉 상단에 체결되어 있는 디스크(disk)에 전자석을 부착하여 소정의 낙하높이(h)까지 끌어올릴 수 있도록 하였다.
38 kN/V의 정적 교정값을 얻을 수 있었다. 이들 정적 교정값의 유효성을 동적 교정을 통해서 확인하였다. 따라서 충격시험시 스트레인 게이지로부터 얻은 하중 출력전압값을 식 (1)과 같이 교정값 15.
이를 위해 103 s-1 변형률속도 범위에서 많이 사용되고 있는 SHPB (Split Hopkinson Pressure Bar) 시험법을 기반으로 하여, 동적 하중신호는 충격하중 작용시 출력봉에 부착된 스트레인 게이지에서 신호를 획득하고, 입력봉의 반사파신호 대신 고속 레이저 변위계를 사용하여 충격 동안 시험편파단까지 발생하는 변위신호를 직접 측정하게 된다.
한편, 소형 인장시험편을 사용한 충격시험의 경우, 통상적인 변위계를 사용하는 것이 적합하지 않은 관계로 하부 시험편홀더의 변위를 초고속 레이저 변위계를 사용하여 계측하였다. 변위신호는 하부 시험편홀더의 양측에 레이저 변위계를 180°각도로 2개소 설치하여, 레이저 변위계의 sampling rate= 200 kHz (5 μs 간격)에서, 전압값으로 검출한다.
대상 데이터
시험편 양단을 고정하기 위해 나사부를 갖고 있으며, 봉상 모재로부터 압연방향으로 가공하였다. 게이지부는 길이 10 mm, 직경 4 mm로 하였다. 시험편 게이지부의 길이 대비 직경 비율(L/D)이 2.
구축된 시험장치는 Fig. 2와 같이 길이 1.95 m, 외경 70 mm, 내경 38 mm의 원통형상(cylindrical shape)을 지닌 무게 36 kg의 충격봉(drop-bar striker)을 사용하여, 낙추봉 낙하높이 1.5 m에서 5.4 m/s의 낙하속도와 530 J 급 충격에너지를 가할 수 있는 자유낙하 방식을 채택한 시험장치이다. 이 때 출력봉과 낙추봉은 투명 PC파이프 내에 수직으로 삽입되어 있고, 낙추봉의 상·하단부에는 ABS 폴리머 재질의 가이드 판(guide plate)이 설치되어 있다.
본 연구에서는 대표적 탄소강(S45C)을 주로 사용하였다. 충격 및 준정적 시험용으로 사용한 시험편 형상은 Fig.
이론/모형
만약 출력봉의 길이가 짧게 되면, 출력봉에 부착되어 있는 스트레인 게이지까지 반사파의 도달 시간이 짧아져 간섭(interaction)을 일으키게 되므로, 인장 파괴까지의 동적 소성변형 과정 동안 명확한 하중신호를 획득할 수 없게 된다. 충격인장시 하중신호는 two-gage법으로 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge) 회로를 구성하고 브릿지 박스(bridge box)를 거쳐, 동적 변형률 증폭기(KYOWA, CDV-900A, sampling rate: 500 kHz)에 의해 증폭된 전압신호를 검출한다.
성능/효과
8로부터 얻은 실험결과를 Table 2에 정리하였다. 5회 시험결과의 표준편차는 이중 변위계를 사용한 경우가 단일 변위계를 사용한 경우보다 훨씬 줄어든 값을 나타내었다. 또한 준정적 인장시험 결과와 함께 변형률속도에 따른 항복강도를 Fig.
동적 하중신호는 중 변형률속도역에서 출력봉의 길이를 길게함으로써, 충격인장시 나타나는 반사파의 간섭에 따른 영향 및 관성 효과에 의한 진동을 완전히 배제할 수 있었다. 또한 구축한 시험장치로부터 수직방향으로의 변위신호를 획득하기 위해, 이중 레이저 변위계를 설치하였다.
두 선도를 비교하면, 낙하높이 1.5 m의 충격시험에서는 시험편의 파단이 완료되는 시간까지 변형률속도가 거의 일정한 값을 나타내고 있는 반면, 0.4 m 충격시험에서는 경과시간이 300 μs를 지나면서 변형률속도 값이 감소가 일어나는 것을 볼 수 있다.
따라서 본 연구에서 구축한 낙추식 충격 인장시험 장치를 사용하여, 중 변형률속도역에서 인장 파괴거동 평가가 가능한 신뢰성 있는 장비임을 확인할 수 있었다.
경과시간에 따른 하중과 변위 데이터로부터 동적 하중-변위 선도 및 공칭 응력-변형률 선도를 나타낼 수 있게 된다. 따라서 본 연구에서 채택한 긴 출력봉을 사용함으로써 하중신호에 나타나는 진동을 제거하는 것이 가능하였고, 재료의 동적거동에서 나타나는 기계적 특성치를 구할 수 있다. 또한, 충격 인장시험 동안 시험편에 부가되는 변형률속도(strain-rate)는 식 (3)과 같이 계산할 수 있다.
5 kN 간격으로 하중을 부가/제하 하여 전압 값을 기록하였다. 따라서 하중-전압 선도의 평균 기울기로부터 15.38 kN/V의 정적 교정값을 얻을 수 있었다. 이들 정적 교정값의 유효성을 동적 교정을 통해서 확인하였다.
9와 같이 정리하였다. 변형률속도에 따라 항복강도가 증대하는 경화거동을 확인할 수 있고, 따라서 본 연구에서 구축한 낙추식 충격시험 장치를 사용하여 중 변형률속도역에서 재료의 인장 파괴거동 및 항복강도 등 동적 특성치를 높은 신뢰성을 가지고 구할 수 있다.
시험장치의 재현성을 알아보기 위해, 1.5 m 충격 낙하높이에서 충격 인장시험을 5회 반복하였다. 이로부터 획득한 경과시간에 따른 동적 하중신호 선도는 Fig.
또한 구축한 시험장치로부터 수직방향으로의 변위신호를 획득하기 위해, 이중 레이저 변위계를 설치하였다. 실험결과, 단일 변위계의 경우 탄성역 기울기의 차이로 인해 항복점의 위치가 달라져 항복강도가 다소 차이를 나타내었지만, 이중 변위계를 사용하게 되면 거의 동일한 선도를 얻을 수 있었고, 단일 변위계를 사용한 경우보다 항복강도에 대한 표준편차가 훨씬 낮은 값을 나타내었다. S45C강은 중 변형률속도에서 준정적 경우보다 항복강도의 증가를 나타내었다.
파단부 관찰 결과, 준정적 및 충격 인장시험 모두 시험편 중앙에서 연성파괴의 특징인 넥킹과 함께 파단이 발생된 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스트레인 게이지(strain gages)에 의해 검출되는 하중신호에 반사파가 포함되지않도록 주의해야할 점은?
0)를 양측에 각각 부착하였다. 여기서 출력봉은 충격시, 시험편을 통과한 응력파가 끝단에서 반사되어 반사파(reflected wave)로 출력봉의 하단으로 전달되는 시간보다 짧게 하여, 스트레인 게이지(strain gages)에 의해 검출되는 하중신호에 반사파가 포함되지 않게 인장 변형 및 파단에 이르는 시간이 충분한 길이로 구성되어야 한다. 만약 출력봉의 길이가 짧게 되면, 출력봉에 부착되어 있는 스트레인 게이지까지 반사파의 도달 시간이 짧아져 간섭(interaction)을 일으키게 되므로, 인장 파괴까지의 동적 소성변형 과정 동안 명확한 하중신호를 획득할 수 없게 된다.
탄도속도역보다 낮은 중간 변형률속도가 충격 시험에서 어려운 이유는?
탄도속도역보다 낮은 중간 변형률속도에서 금속의 변형거동 기구는 저속 전위 미끄럼 상승(glide-climb) 메커니즘이 작동하기에는 시간적 제한이 있고, 또한 고속탄도에서 적용되는 단열 전단띠(adiabatic shear bands) 기구는 아직 활성화되지 않는 영역이어서, 양 기구의 적용이 적절하지 않은 천이 영역(transition region)에 해당한다고 할 수 있다. 이것은 중간 변형률속도 혹은 sub-Hopkinson 변형률속도 영역으로 충격시험의 어려움이 있다.(1~4) 즉, 해당속도가 유압제어식 인장시험의 준정적 평형보다 빠르거나, SHPB 시험에서의 단일 응력파 전파의 경우보다 느리기 때문이다. 이러한 변형률속도역에서 관성 효과(inertia effect)는 준정적 시험에서 가정된 일축균일 응력 상태를 변화시키게 된다.
변형률속도 영역은 어떠한 분야들이 있는가?
이와 같은 충격 환경에서 작용하는 변형률 속도(strain-rate)는 대개 접촉시작 1 ms 이내에 파단변형률에 도달하는 지속시간을 포함하고 있어서, 50% 파단변형률을 겪는 합금에 대한 충격의 경우 수백 s-1의 변형률속도에 해당된다. 또한 이러한 변형률속도 영역은 중력투하식 무기, 차량충돌사고, 고속 금속포밍 가공 및 저속 발사체 충격 등의 분야가 해당이 된다.
참고문헌 (17)
Boyce, B. L. and Dilmore, M. F., 2009, "The Dynamic Tensile Behavior of Tough, Ultrahighstrength Steels at Strain-rates from 0.0002 s-1 to 200 s -1," International Journal of Impact Engineering, Vol. 36, No. 2, pp. 263-271.
Murr, L. E., 1987, Metallurgical Effects of Shock and High-strain-rate Loading, Elsevier Applied Science, England, T. Z. Blazynski Editor, pp. 1-46.
Meyers, M. A., 1994, Dynamic Behavior of Materials, New York, John Wiley & Sons.
Bleck, W. and Schael, I., 2000, "Determination of Crash-relevant Material Parameters by Dynamic Tensile Tests," Steel Research, Vol. 71, No. 5, pp. 173-178.
Regazzoni, G., Johnson, J. N. and Follansbee, P. S., 1986, "Theoretical Study of the Dynamic Tensile Test," Journal of Applied Mechanics, Vol. 53, No. 3, pp. 519-528.
Shin, H. S., Lee, H. M. and Kim, M. S., 2000, "Impact Tensile Behavior of 9% Nickel Steel at Low Temperature," International Journal of Impact Engineering, Vol. 24, No. 6, pp. 571-581.
Singh, N. K., Cadoni, E., Singha, M. K. and Gupta, N. K., 2011, "Dynamic Tensile Behavior of Multi Phase High Yield Strength Steel," Material and Design, Vol. 32, No. 10, pp. 5091-5098.
Huh, H., Kim, S. B., Song, J. H. and Lim, J. H., 2008, "Dynamic Tensile Characteristics of TRIP-type and DP-type Steel Sheets for an Auto-body," International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 50, No. 5, pp. 918-931.
Bardelcik, A., Salisbury, C. P., Wells, M. A. and Worswik, M. J., 2010, "Effect of Cooling Rate on the High Strain Rate Properties of Boron Steel," International Journal of Impact Engineering, Vol. 37, No. 6, pp. 694-702.
Kim, H. J., Kim, C. M., Barlat, F., Pavlina, E. and Lee, M. G., 2013, "Nonlinear Elastic Behaviors of Low and High Strength Steels in Unloading and Reloading," Materials Science and Engineering A, Vol. 562, pp. 161-171.
Lee, H. J., Song, J. H., Huh, H. and Park, S. H., 2007, "Dynamic Constitutive Equations of AutoBody Steel Sheets with the Variation of Temperature (I)," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 31, No. 2, pp. 174-181.
Lee, H. J., Song, J. H., Huh, H. and Park, S. H., 2007, "Dynamic Constitutive Equations of Auto-Body Steel Sheets with the Variation of Temperature (II)," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 31, No. 2, pp. 182-189.
Shin, H. S., Bae, K. O., Kim, D. W., Park, L. J. and Kim, H. W., 2015, "Investigation of Dynamic Deformation Behaviors in Structural Steels at Intermediate Strain Rates using Newly Constructed Impact Tensile Test Apparatus," International Journal of Impact Engineering, Submitted.
ASTM E8-01, 2002, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Standards: Section 3 - Metals Test Methods and Analytical Procedures, Vol. 3.01, West Conshohocken, PA: ASTM, pp. 60-103.
Shin, H. S. and Tuazon, B. J., 2015, "An Instrumented Drop-bar Impact Testing Apparatus for Investigating the Impact Fracture Behaviors of Structural Steels," International Journal of Impact Engineering, Vol. 84, No. 10, pp. 124-133.
Lee, S. H., Tuazon, B. and Shin, H. S., 2014, "Construction of Data Acquisition/Processing System for Precise Measurement in Split Hopkinson Pressure Bar Test, Applied Mechanics and Materials, Vol. 566, pp. 554-559.
Tuazon, B. J., Bae, K. O., Lee, S. H. and Shin, H. S., 2014, "Integration of a New Data Acquisition/ Processing Scheme in SHPB Test and Characterization of the Dynamic Material Properties of High-strength Steels Using the Optional form of Johnson-Cook Model," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28, No. 9, pp. 3561-3568.
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