초록 ▼

본 연구는 압입시험의 유한요소해석에 기초하여 박막의 물성치, 금속 및 박막의 잔류응력을 평가할 수 있는 유한요소해에 기초한 압입이론 개발을 목표로 한다. 아울러 금속 물성치 및 잔류응력 측정용 압입시험기를 개발하여 잔류응력 평가에 이용한다.
본 연구에서는 이전의 압입이론 및 최근의 연구동향을 고찰하여 정밀 물성평가가 가능한 압입이론을 제시하고 이를 검증하였다. 먼저 유한요소해석을 이용한 압입시험의 전산모사를 통해 기존 압입이론들의 오류 및 한계성을 확인하였다. 이를 바탕으로 증분 소성이론에 준한 압입해석에 기초하여 주요 물성변

본 연구는 압입시험의 유한요소해석에 기초하여 박막의 물성치, 금속 및 박막의 잔류응력을 평가할 수 있는 유한요소해에 기초한 압입이론 개발을 목표로 한다. 아울러 금속 물성치 및 잔류응력 측정용 압입시험기를 개발하여 잔류응력 평가에 이용한다.
본 연구에서는 이전의 압입이론 및 최근의 연구동향을 고찰하여 정밀 물성평가가 가능한 압입이론을 제시하고 이를 검증하였다. 먼저 유한요소해석을 이용한 압입시험의 전산모사를 통해 기존 압입이론들의 오류 및 한계성을 확인하였다. 이를 바탕으로 증분 소성이론에 준한 압입해석에 기초하여 주요 물성변수들이 하중-변위 곡선에 미치는 영향을 분석하고, 박막의 압입물성을 평가할 수 있는 최적관측지점을 선정하였다.
다양한 재료물성에 대하여 최적관측지점의 유한요소해로 얻어지는 무차원압입변수 회귀를 통하여 새로운 물성평가 압입수식을 유도하였고, 이들 수식을 이용한 압입물성 평가 알고리듬을 개발하여 유효성을 인장, 압축, 압입시험을 통해 검증해 보았다. 본 연구의 새 압입이론은 한 번의 하중-해중을 통해 물성을 예측할 수 있으며, 미지의 재료에 대한 압입시험을 가능케 한다.
양축등가 잔류응력 평가를 위하여 증분소성이론에 기초한 원뿔형 압입자를 이용한 압입 유한요소해석을 실시, 잔류응력과 압입변수들 사이의 관계를 분석하였다. 이로부터 기존 연구의 경도불변성 가정과 달리 재료의 경도는 잔류응력의 크기와 방향, 재료 물성치에 따라 민감하게 변화함을 관찰하였다. 이를 바탕으로 경도와 잔류응력, 물성치의 관계를 면밀히 분석하여 재료 물성치와 잔류응력의 크기 및 방향에 큰 영향을 받지 않는 무차원 압입변수들을 선정하였으며, 압입변수 관계를 회귀하여 새로운 잔류응력평가 압입수식들을 제시해 보았다. 이전의 압입시험을 이용한 잔류응력평가 연구에서는 제한된 재료를 이용한 압입분석이 이루어져 재료물성에 따른 특성을 고려하기 어려웠던 반면, 본 논문에서는 유한요소해석을 활용하여 재료물성이 잔류응력평가에 미치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있었고, 이를 바탕으로 향상된 잔류응력 평가식을 제시할 수 있었다.
비파괴적일뿐만 아니라 사용중 재료 평가기법으로 활용 가능한 다목적 압입시험법에 대한 연구를 통하여 박막 및 단일 금속재료의 물성치 및 잔류응력 평가가 가능하다.
이를 활용함으로써 다양한 분야에서 제품개발비 절감, 제품 수명연장 및 유지·보수 비용절감 효과 등을 얻을 수 있다. 따라서 재료 물성치평가 기술은 연구기관 및 사업기관에서 모두 활용할 수 있으며, 이와 같이 각종 공업소재들의 물성치를 수시로 확보할 수 있는 압입시험기는 설비, 시스템 및 제품 등의 신뢰성 향상에 필수 핵심장비가 될 것이다. 또한 이를 기존의 전통적 물성평가 기술과 결합하면 종합적 재료물성 평가체계를 구축할 수 있을 것이다.

Abstract ▼

The present work aims to suggest FE solution-based indentation method which allows evaluation of material properties of thin films and residual stresses of metals and thin films. Furthermore, a micro-identation tester is developed to measure the material properties and residual stress of metals.

The present work aims to suggest FE solution-based indentation method which allows evaluation of material properties of thin films and residual stresses of metals and thin films. Furthermore, a micro-identation tester is developed to measure the material properties and residual stress of metals.
In this work, the prior indentation theory for a bulk material is extended to an indentation theory for evaluation of thin-film material preperties. We first select the optimal data acquisition location, where the strain gradient is the least and the effect of friction is negligible. A new numerical approach to the thin-film indentation technique is then proposed by examining the finite element solutions at the optimal point. With this new approach, from the load-depth curve, we obtain the values of Young's modulus, yield strength, strain-hardening exponent with an average error of less than 5%.
The indentation methods to determine equi-biaxial residual stress are proposed by examining the data from the incremental plasticity theory based finite element analyses. We found that hardness is strongly dependent on the magnitude and sign of residual stress and material properties, while some prior indentation studies asserted that hardness is insignificantly affected by the material properties and tip radius. With numerical regressions of the data obtained, we finally proposed new indentation formulae for residual stress evaluation. The new approach provides a substantial enhancement in accuracy compared with the prior methods.
The multi-purpose indenter, which is non-destructive and in-situ applicable, leads to reduction in the cost of product/facility development and maintenance. The indentation technique can thus be utilized in research and industrial fields. The indenter for property evaluation will be an equipment essential for the reliability enhancement of system and products. It is particularly applicable to MEMS thin films and residual-stressed layers. When combined with previously developed technique for material property evaluation of metals and rubber, an "integrated indentation technique" for non-destructive material property evaluation will be established.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...10
• 3. 결과 및 고찰...61
• 4. 결론...70
• 5. 인용문헌...71