동적 초미소 경도법의 압입시험, 하중-비하중 시험, 그리고 반복시험을 이용하여 심도별 대전화강암 내 광물들의 경도와 역학적 특성을 살펴보았다. 시험 결과 세 개 구간(Group-1, -2, -3)으로 광물 집단의 분류가 가능하였다. Martens 경도값은 세 가지 시험법 모두에서 41 m와 223 m 심도에 따른 차이가 크지 않았다. 그럼에도 불구하고, 그 크기는 반복시험<하중-비하중 시험<압입시험 순으로 나타났다. 광물 집단별 평균 Martens 경도, 탄성계수, indentation work 등을 고려해 볼때, 그들의 경계는 비교적 뚜렷하게 나타났다. 결론적으로 동적 초미소 경도법의 세 가지 형태 시험법을 이용함으로써 광물들에 대한 비교적 정확한 경도값을 얻을 수 있었다. 또한 하중-비하중 시험과 반복시험으로부터는 광물들의 탄성계수와 광물들의 탄성적-소성적 성질 특성 파악도 가능하였다.
동적 초미소 경도법의 압입시험, 하중-비하중 시험, 그리고 반복시험을 이용하여 심도별 대전화강암 내 광물들의 경도와 역학적 특성을 살펴보았다. 시험 결과 세 개 구간(Group-1, -2, -3)으로 광물 집단의 분류가 가능하였다. Martens 경도값은 세 가지 시험법 모두에서 41 m와 223 m 심도에 따른 차이가 크지 않았다. 그럼에도 불구하고, 그 크기는 반복시험<하중-비하중 시험<압입시험 순으로 나타났다. 광물 집단별 평균 Martens 경도, 탄성계수, indentation work 등을 고려해 볼때, 그들의 경계는 비교적 뚜렷하게 나타났다. 결론적으로 동적 초미소 경도법의 세 가지 형태 시험법을 이용함으로써 광물들에 대한 비교적 정확한 경도값을 얻을 수 있었다. 또한 하중-비하중 시험과 반복시험으로부터는 광물들의 탄성계수와 광물들의 탄성적-소성적 성질 특성 파악도 가능하였다.
The hardness and mechanical properties of the minerals in the Daejeon granite according to depths were investigated by indentation test, load-unload test, and cycle test of dynamic ultra-micro hardness. As a result of the tests, it was possible to classify into three mineral groups (Group-1, -2, -3)...
The hardness and mechanical properties of the minerals in the Daejeon granite according to depths were investigated by indentation test, load-unload test, and cycle test of dynamic ultra-micro hardness. As a result of the tests, it was possible to classify into three mineral groups (Group-1, -2, -3). The Martens hardness was not significantly different between 41 m and 223 m depths in three mode tests. Nevertheless, they showed in the order of a cycle test < load-unload test < indentation test. Considering the average Martens hardness, elastic modulus, and indentation work for each mineral group, their boundaries were relatively clear. In conclusion, A relatively accurate hardness of minerals can be obtained by three mode tests of dynamic ultra-micro hardness. In addtion, it was possible to characterize the elastic modulus and the elastic-plastic properties of the minerals from the load-unload and cycle tests.
The hardness and mechanical properties of the minerals in the Daejeon granite according to depths were investigated by indentation test, load-unload test, and cycle test of dynamic ultra-micro hardness. As a result of the tests, it was possible to classify into three mineral groups (Group-1, -2, -3). The Martens hardness was not significantly different between 41 m and 223 m depths in three mode tests. Nevertheless, they showed in the order of a cycle test < load-unload test < indentation test. Considering the average Martens hardness, elastic modulus, and indentation work for each mineral group, their boundaries were relatively clear. In conclusion, A relatively accurate hardness of minerals can be obtained by three mode tests of dynamic ultra-micro hardness. In addtion, it was possible to characterize the elastic modulus and the elastic-plastic properties of the minerals from the load-unload and cycle tests.
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문제 정의
더군다나 암석을 대상으로 한 정확하고 신뢰도가 높은 경도 시험에 관한 연구는 아직까지 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 심도가 다른 지점에서 채취한 암석을 대상으로 암석 내 존재하는 광물에 대한 경도와 함께 역학적 특성을 파악할 수 있는 다른 형태의 경도 시험법을 소개하고, 측정 결과에 대한 차이점에 대해서도 살펴보고자 한다. 본 연구를 위하여 이용될 경도 시험법은 동적 초미소 경도법으로 현재까지 암석을 대상으로 적용된바 없으며, 다른 재료에 대한 적용 사례도 미미한 실정이다.
본 연구는 심도가 다른 대전화강암을 대상으로 동적초미소 경도법의 세 가지 시험법을 이용하여 광물들의 경도 차이를 분석하고 그 역학적 특성을 살펴보는데 있다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
5). 경도 시험을 수행하기 전 측정하는데 용이한 위치를 선정하기 위해 반사현미경을 이용하여 시험편의 각 구간을 주의깊게 관찰하였다. 관찰 결과로부터 두 시험편 각각에서 40개의 광물 입자를 무작위로 선택하여 각 광물 입자별 5회의 경도 시험을 실시하였다.
경도 시험을 수행하기 전 측정하는데 용이한 위치를 선정하기 위해 반사현미경을 이용하여 시험편의 각 구간을 주의깊게 관찰하였다. 관찰 결과로부터 두 시험편 각각에서 40개의 광물 입자를 무작위로 선택하여 각 광물 입자별 5회의 경도 시험을 실시하였다. 선정된 각 심도별 측정 구간에 대한 현미경 사진과 측정할 광물 입자들의 순서를 표시하면 Fig.
동적 초미소 경도 시험에 적합한 시험편을 제작하기 위해 시추코어 시료를 두께가 약 10 mm인 직사각형 시험편으로 성형한 후, 1 μm 연마제를 이용하여 표면을 깨끗하게 연마하였다(Fig. 5).
동적 초미소 경도법으로 부터 구한 41 m와 223 m 심도의 대전화강암에 대한 Martens 경도값을 광물의 경도를 비교적 간편하게 측정할 수 있는 모스경도계와 비교하였다. 앞장에서 언급하였듯이 본 연구에서는 대전화강암 내 광물 입자들을 Martens 경도 크기에 따라 2000(Group-1)<2000-4000(Group-2)<4000(Group-3)로 분류하였다.
그림에서 보이는 바와 같이 하중-비하중 시험의 Martens 경도 분포는 압입시험의 결과와 유사하게 나타났다. 따라서 하중-비하중 시험에서도 압입시험과 같이 Martens 경도값 분포에 따라 구간을 3개로 나뉘어 구분하였다. 압입시험 결과와 마찬가지로 Group-2와 Group-3의 경우 경도값이 겹치는 부분이 존재하지만, 이 부분을 제외하면 뚜렷한 경도 차이를 보인다.
본 시험에 앞서 동적 초미소 경도계의 압입, 하중-비하중, 반복 시험 대한 신뢰성과 정확성을 평가하기 위해 예비시험을 실시하였다. 예비시험은 Shimadzu사에서 제공된 직경 25 mm, 두께 5 mm인 원통형 표준금속시험편(HMV700)을 사용하였다(Fig.
본 연구에서는 이들 시험 형태 중 압입시험, 하중-비하중 시험, 그리고 반복시험 3가지 방법이 이용되었으며, 압입자는 팁각 115°의 삼각 피라미드 경도가 사용되었다.
15 gf/sec이며, 입입자는 팁각 115°의 삼각 피라미드 경도를 사용하였다. 압입 유지시간은 5초로 하였으며, 각 시험 형태별로 5회씩 측정하였다. 시험 결과는 Table 1에 정리하였으며, 이를 그래프상에 표시하면 Fig.
앞장에서 언급하였듯이 본 연구에서는 대전화강암 내 광물 입자들을 Martens 경도 크기에 따라 2000(Group-1)<2000-4000(Group-2)<4000(Group-3)로 분류하였다.
이러한 사실은 장비에 대한 신뢰성과 정확성이 확보되었음을 의미한다. 장비에 대한 검증을 확인한 후 41 m와 223 m 시료에 대해 동적 초미소경도예비시험을 실시하였다. Fig.
시험 조건은 시험편에 대한 예비시험을 실시하여 결정되었으며, 그 결과 가장 적정한 압입 하중과 유지시간은 60 gf와 5초로 나타났다. 측정은 각 광물 입자별로 5회씩 실시하였다. 시험 시 압입 하중이 클 경우 측정 대상 광물에 균열이나 파괴가 발생되어 데이터를 얻지 못할 수 있다.
측정조건은 하중 200 gf, 하중 속도 7.15 gf/sec이며, 입입자는 팁각 115°의 삼각 피라미드 경도를 사용하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 암석은 비교적 광물 입자의 구별이 뚜렷하고 국내에 넓게 분포하고 있는 화강암 중 대전화강암을 대상으로 하였다. 시료는 대전지역 심도 41 m와 223 m 구간에서 채취한 화강암 시추코어이다.
본 연구에서 사용된 암석은 비교적 광물 입자의 구별이 뚜렷하고 국내에 넓게 분포하고 있는 화강암 중 대전화강암을 대상으로 하였다. 시료는 대전지역 심도 41 m와 223 m 구간에서 채취한 화강암 시추코어이다. 동적 초미소 경도 시험에 적합한 시험편을 제작하기 위해 시추코어 시료를 두께가 약 10 mm인 직사각형 시험편으로 성형한 후, 1 μm 연마제를 이용하여 표면을 깨끗하게 연마하였다(Fig.
본 시험에 앞서 동적 초미소 경도계의 압입, 하중-비하중, 반복 시험 대한 신뢰성과 정확성을 평가하기 위해 예비시험을 실시하였다. 예비시험은 Shimadzu사에서 제공된 직경 25 mm, 두께 5 mm인 원통형 표준금속시험편(HMV700)을 사용하였다(Fig. 7). 측정조건은 하중 200 gf, 하중 속도 7.
이론/모형
본 연구에서 사용된 경도 시험법은 동적 초미소 경도법으로서 일본 Shimadzu사에서 개발된 동적 초미소 경도계(dynamic ultra-micro hardness test, 모델번호 DUH- 211S)를 활용하여 미소하중에서 초박막, 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 대규모 직접회로(Large Scale Integration, LSI), 세라믹, 고무, 얇은 필름 등 다양한 재료에 대한 경도를 측정 할 수 있다(Fig. 1). 이 시험법은 시험편 표면에 압입 하중을 가하여 발생한 압입자 형상의 크기와 깊이를 측정함으로써 재료에 대한 경도, 탄성계수, 그리고 포아송비를 각각 계산 할 수 있다(Shimadzu, 2012).
성능/효과
3가지 형태의 경도 시험 결과, 측정된 자료는 대체적으로 3개의 구간 2000 N/mm2미만(Group-1), 4000 N/mm2 미만-2000 N/mm2이상(Group-2), 4000 N/mm2이상(Group-3)으로 구분할 수 있었다. 압입시험의 결과, 심도 41 m에서 Group-1의 평균 Martens 경도는 약 991 N/mm2였으며, Group-2와 Group-3은 약 3640 N/mm2와 4535 N/mm2로 나타났다.
3가지 형태의 시험 모두에서 Martens 경도 차이는 매우 작게 나타났지만, Martens 경도 크기는 대체적으로 반복시험<하중-비하중 시험<압입시험 순으로 나타났다.
또한 심도 41 m에서 Group-1, -2, -3의 탄성적 성질과 소성적 성질을 나타내는 평균 indentation work(η)는 약 47%, 77%, 79%로 나타났으며, 심도 223 m의 경우 약 41%, 75%, 79%로 나타나 심도별 차이는 매우 미미하였다. 결과적으로 동적 초미소 경도법에 의한 압입시험, 하중-비하중 시험, 반복시험 등 3가지 형태의 시험에서 Martens 경도 차이는 미미하였지만, 크기만을 고려해 볼 때, 대체적으로 반복시험<하중-비하중 시험<압입시험 순으로 나타났다.
또한 심도 41 m에서 Group-1, -2, -3의 탄성적 성질과 소성적 성질을 나타내는 평균 indentation work(η)는 약 47%, 77%, 79%로 나타났으며, 심도 223 m의 경우 약 41%, 75%, 79%로 나타나 심도별 차이는 매우 미미하였다.
또한 심도 41 m에서 평균탄성계수는 Group-1, -2, -3가 약 51 GPa, 72 GPa, 약 88 GPa로 나타났으며, 심도 223 m의 경우 약 57 GPa, 72 GPa, 89 GPa로 나타나 심도별 차이는 미약한 것으로 나타났다.
반복시험의 결과, 심도 41 m에서 Group-1, -2, -3의 평균 Martens 경도는 약 4434 N/mm2, 3392 N/mm2, 839 N/mm2였으며, 심도 223 m의 경우 약 4650 N/mm2, 3508 N/mm2, 806 N/mm2을 보였다. 또한 심도 41 m에서 Group-1, -2, -3의 탄성적 성질과 소성적 성질을 나타내는 평균 indentation work(η)는 약 47%, 77%, 79%로 나타났으며, 심도 223 m의 경우 약 41%, 75%, 79%로 나타나 심도별 차이는 매우 미미하였다.
3% 범위로 나타났다. 시험 결과에서 알 수 있듯이 3가지 형태의 예비시험 결과는 모두 거의 동일한 값을 나타냈다. 이러한 사실은 장비에 대한 신뢰성과 정확성이 확보되었음을 의미한다.
본 연구에서는 이들 시험 형태 중 압입시험, 하중-비하중 시험, 그리고 반복시험 3가지 방법이 이용되었으며, 압입자는 팁각 115°의 삼각 피라미드 경도가 사용되었다. 시험 조건은 시험편에 대한 예비시험을 실시하여 결정되었으며, 그 결과 가장 적정한 압입 하중과 유지시간은 60 gf와 5초로 나타났다. 측정은 각 광물 입자별로 5회씩 실시하였다.
심도별 경도값 차이 또한 압입시험의 결과와 유사하게 나타났다. 압입시험과 하중-비하중 시험의 Martens 경도 차이는 매우 작지만, 압입시험에 의한 경도 값이 하중-비하중 시험에 의한 것보다 약간 큼을 보였다. 식 (2)를 이용하여 계산된 탄성계수는 심도 41 m의 경우 Group-1은 약 51 GPa, Group-2는 약 72 GPa, 그리고 Group-3은 약 88 GPa로 나타났다.
이상(Group-3)으로 구분할 수 있었다. 압입시험의 결과, 심도 41 m에서 Group-1의 평균 Martens 경도는 약 991 N/mm2였으며, Group-2와 Group-3은 약 3640 N/mm2와 4535 N/mm2로 나타났다. 심도 223 m에서 Group-1, -2, -3의 평균 Martens 경도는 약 1121 N/mm2, 3747 N/mm2, 4590 N/mm2을 보여 심도에 따른 차이는 미미한 것으로 나타났다.
하중-비하중 시험의 결과, 심도 41 m에서 Group-1, -2, -3의 평균 Martens 경도는 약 836 N/mm2, 3577 N/mm2, 4480 N/mm2였으며, 심도 223 m에서는 약 956 N/mm2, 3640 N/mm2, 4574 N/mm2을 보였다.
후속연구
이는 모스경도 차가 클수록 Martens 경도값의 차도 뚜렷하게 나타남을 의미한다. 아직까지 동적 초미소 경도법을 이용한 광물에의 적용 사례가 미미하기 때문에 더 많은 광물 종류를 대상으로 충분한 데이터의 확보가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쇼어 경도는 어떻게 측정하는가?
쇼어 경도는 대상 시료의 반발력을 이용하여 경도값을 측정하는 방법으로 측정 대상 시료에 따라 압입자의 종류를 다르게 사용하여 경도를 측정한다. 압입자의 종류는 원추형, 콘형, 구형 등 총 11가지가 있다(Qi et al.
암석의 강도를 얻기 위한 방법 중 일축압축강도의 문제점은?
암석의 강도를 얻기 위한 방법 중 일축압축강도는 표준화된 시험법으로서 측정 방법이 간단하고 정확성과 신뢰도가 높아 일반적으로 사용되고 있다. 하지만, 이 시험법은 정형된 시료가 필요하며, 실험도 실내에서만 가능하므로 실험 결과를 얻기 위한 조건과 과정이 다소 복잡하다. 따라서 이러한 문제점을 해결할 수 있는 또 다른 형태의 시험법이 요구된다.
암석이 생성환경과 조건에 따라 다르게 나타는 것은 무엇인가?
암석은 생성환경과 조건에 따라 광물의 조성, 입자의 크기, 불연속면의 존재, 광물의 결합구조 등이 다르게 나타나며, 이러한 원인에 의해 동일 암종이라 할지라도 물리적 및 역학적 특성이 다르게 나타날 수 있다. 암석은 여러 가지 광물로 이루어진 집합체이며, 생성 과정에서 다양한 환경적 요인에 의해 변화된다.
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