Evaluation of Biaxial Residual Stress Using Instrumented Indentation Technique: Stress Directionality and Stress-free State

Abstract

Residual stress arose inevitably during manufacturing processes is mainly responsible for the fracture and failure of materials and products. Various methods and techniques have been developed to evaluate the residual stress, the instrumented indentation technique has recently come into notice because of its non-destructive, simple and local characteristics. Various indentation models have been developed to determine residual stresses, but no previous models can be applied to a non-equibiaxial residual stress state. To overcome this limitation, a Knoop indentation technique was developed to use the asymmetric characteristics of the Knoop indenter. The Knoop indentation model to measure and quantify the stress directionality p was described. Also, we developed the new algorithm to estimate principal direction of residual stresses by four times of Knoop indentation tests. The previous indentation methods for evaluating residual stress need the stress-free state, because they are based on comparing indentation curves under between stressed state and stress-free state. The new method for estimating indentation parameters under stress-free state from an indentation curve under stressed state was suggested using the concept of invariant properties independent of residual stress. The proposed models and algorithms to estimate stress directionality, principal direction and stress-free state were verified by indentation experiments under various applied stress states which are generated by a stress-generating jig with two independent orthogonal loading axes.

열처리, 소성가공 및 용접 등과 같은 다양한 공정에 의해 재료 내부 발생하는 잔류응력은 실제 인가되는 외부응력과 결합하여 재료의 파괴 및 파손을 일으키고 구조물의 건전성을 저하시키는 주요한 원인중의 하나이다. 따라서 정량적인 잔류응력의 평가는 구조물의 안전성을 확보하고 제품의 신뢰성을 확보하기 위해 필수적이라고 할 수 있다. 잔류응력을 측정하기 위해 파괴적인 방법의 구멍뚫기법 및 절단법, 비파괴적인 방법의 곡률법 및 X선 회절법 등의 다양한 방법들이 사용되어 왔다. 하지만 기존의 방법들의 단점으로 인하여 계장화 압입 시험법이 새로운 대안으로 각광받고 있다. 계장화 압입 시험법(Instrumented Indentation Technique, IIT)은 압입자를 재료에 압입하면서 연속적으로 하중과 변위를 모니터링하여 압입하중-변위곡선을 얻는다. 이렇게 얻어진 압입하중-변위곡선의 분석을 통해서 인장물성, 파괴인성 및 잔류응력 등의 다양한 기계적 물성을 평가한다. 계장화 압입 시험법을 이용한 잔류응력의 평가 방법은 잔류응력의 유무에 따라 압입하중-변위곡선의 차이가 발생한다는 기본적 원리를 바탕으로 하고 있다. 인장 잔류응력의 경우에는 압입 곡선이 무응력 상태의 그것보다 낮은 기울기를 가지게 되고, 압축 잔류응력의 경우에는 높은 기울기를 가지게 되며, 이러한 차이의 분석을 통해 정량적으로 잔류응력을 측정할 수 있다. 하지만 등방적인 압입자를 사용할 경우 평균 잔류응력의 측정만이 가능할 뿐 응력의 방향성 측정이 어렵다는 한계점이 있다. 잔류응력의 방향성을 평가하기 위해 비등방성 압입자인 누프(Knoop) 압입자를 이용한 평가 모델을 개발하였다. 누프 압입자의 장축 방향이 그것에 수직한 방향으로의 응력 민감도가 훨씬 크다는 것에 착안하여, 서로 수직한 2회 압입 시험 결과의 분석을 통해 응력의 방향성을 평가할 수 있는 기법을 개발하였다. 또한, 0, 45, 90, 135도의 4방향으로의 누프 압입 시험 결과의 분석을 통해 주응력 방향을 결정할 수 있는 알고리즘도 개발하였다. 개발된 기법은 인위적으로 인가된 응력 상태에서 누프 압입 시험을 수행하여 압입 곡선의 분석으로부터 도출된 결과와 인가된 응력 상태와의 비교를 통해서 검증되었다. 기존의 계장화 압입 시험을 이용한 잔류응력 평가 기법은 무응력 상태와 응력 상태의 비교를 통해 그 측정이 이루어진다. 그러나, 무응력 상태가 존재하지 않거나 그것을 인위적으로 만들기 어려울 경우, 잔류응력 측정이 어렵게 된다. 잔류응력의 유무에 상관없이 항상 일정한 값을 갖는 실접촉깊이를 광학적 방법으로 계측하고, 그것을 응력 상태의 압입 곡선으로부터 도출된 인자와 연관시켜 무응력 상태의 압입 깊이를 예측할 수 있는 기법을 개발하였다. 응력 상태의 압입 곡선 및 접촉면적의 측정만으로 인위적으로 인가된 응력 상태의 예측을 통해 개발된 기법을 검증하였다.