압입시험법을 활용한 재료의 무응력상태 유추를 통한 잔류응력 평가

Abstract

Residual stress is a "locked-in" stress remaining in materials and structures even after eliminating the sources of external load or stress. Interactions among the process time, exposed temperature, non-uniform elastic-plastic deformation and microstructural transformation result in the residual stress of materials. The interactions develop elastic stress in response to the local incompatible strains to preserve dimensional continuity. The stress has self-equilibrating character to satisfy the force and moment equilibrium in whole volume of materials. Most of manufacturing processes originate the residual stresses regardless of the scale and shape of components. For example, forming process to change the shape of materials and surface modification process, involving non-uniform plastic deformation, including rolling, extruding and peening is main mechanism creating residual stress. Manufacturing process including heat treatment, such as welding, casting and induction hardening, is related to microstructural phase transformation of metals and ceramics which occurs the local changes in material density. The destructive method cannot be applied to a structure or environment in operation because it must damage the evaluation target. Accordingly, there is a need to develop a method with good accessibility that can be applied to the field while reducing damage to the measurement object. In this study, using the unique elastic/plastic characteristics of materials that do not change depending on residual stress, it is presented to express the indentation curve in a stress-free state as the stressed state. In addition, using the relationship between Indentation work, Indentation hardness, and reduced modulus, a model was proposed to evaluate the residual stress of the material to be evaluated in the absence of a stress-free test specimen. The proposed model was verified step by step using finite element analysis and by performing an experimental method.

잔류응력이란 대상 재료의 외부적인 힘의 작용이 없음에도 내부에 존재하고 있는 응력을 의미한다. 단조, 압출 및 압연 등과 같은 형태변형을 유발하여 소성변형 가공을 하는 과정에서 재료가 겪는 불균일한 소성변형에 의하여 잔류응력이 발생하며, 연삭 또는 숏피닝과 같은 표면 가공 공정에서도 발생한다. 주조, 담금질 및 용접과 같이 큰 온도의 구배가 발생되는 가공 공정, 방사선 조사에 따른 열화 및 소재 환경에 따른 부식과 같이 소재의 상, 조직 및 밀도가 변화되는 과정에서도 잔류응력이 발생한다. 대형 구조물에서부터 박막과 같은 나노 스케일까지 전 스케일에서 영향을 미치며, 특히, 용접부나 가공부위의 균열의 생성과 전파를 촉진시키고 박막의 깨짐, 굽힘 및 비틀림 등 다양한 문제를 유발시키는 원인이 되고 있다. 따라서, 대상이 되는 재료에 대한 잔류응력을 정량적으로 평가하는 것이 매우 중요하며 이를 평가하기 위한 기법에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 왔다. 평가법은 크게 비파괴적인 방식과 파괴적인 방식으로 비파괴적인 방법으로 대표적인 것은 X-ray 회절법과 중성자 회절법이 있으며, 대상 재료의 잔류응력에 의하여 변화된 격자 간격을 측정하여 응력으로 환산하는 방식이며, 원자의 규칙성이 존재하지 않는 비정질 구조에는 활용이 불가능 하며 접근성이 낮아 널리 활용되기에는 어려움이 있다. 파괴적인 방법으로는 측정 대상위치에 변형율 게이지를 부착 후 절단 또는 구멍을 내어 잔류응력이 완화되며 발생되는 변형율을 측정하고 그것을 잔류응력으로 환산하는 방법이 대표적이다. 파괴적인 방법의 평가법은 평가대상을 손상시켜야 하기 때문에 가동중의 구조물이나 환경에는 적용할 수 없다. 이에, 측정 대상의 훼손을 줄이며 현장에도 적용가능한 접근성이 좋은 방법의 개발이 필요하다. 계장화 압입시험법이란, 특정 기하학적 모양을 가진 압입자가 표면을 눌러 힘과 접촉된 면적을 통해 경도를 측정하는 기존 경도 시험법에서 발전된 것으로, 시험 시 가해지는 하중과 눌러들어간 깊이를 하중-변위 곡선으로 그려내어 그것을 분석하는 시험법이다. 평가된 그래프를 통해 경도 및 탄성계수 뿐만이 아니라 잔류응력, 인장물성, 파괴인성 및 충격인성 등을 평가하는 할 수 있다. 시험 후에 표면에는 약 100 um의 미세한 흔적이 남게 되어 비파괴 또는 준비파괴 시험법으로 불리며, 높은 현장 적용성과 시험의 간편함으로 주목을 받는 시험법이다. 계장화 압입시험법은 평가 대상의 잔류응력 유무에 따라 시험을 통해 얻어낸 하중-변위 곡선에서 깊이에 따른 하중의 차이를 확인이 가능하며, 해당 차이를 통해 잔류응력을 평가하는 연구가 활발히 진행되었다. 많은 연구자들에 의하여 등방성 압입자로 분류되는 Vickers, Conical 및 Berkovich 압입자를 활용한 재료 표면의 평균 잔류응력을 평가하는 모델이 개발되었으며, 비등방 압입자인 Knoop, Wedge 및 modified Berkovich 압입자를 활용한 잔류응력의 방향성 및 주응력 방향을 평가하는 모델 또한 발표되었다. 최근에는 Conical 압입시험 수행 시 잔류응력에 따라 다르게 발생하는 표면변위를 디지털 이미지 상관법(Digital image correlation, DIC)을 활용하여 잔류응력의 방향성을 평가하는 모델이 제안되었다. 계장화 압입시험법을 활용하여 잔류응력을 평가하기 위해서는 잔류응력 유무에 따른 하중-변위 곡선이 필요 하며, 무응력 상태의 시험곡선이 없을 경우에는 평가할 수 없다. 시험편의 절단 또는 열처리를 통하여 잔류응력의 풀림 상태를 제작할 수 있지만, 대형 구조물 및 가동 중 파이프라인 과 같이 현장에서는 적용이 불가하다. 또한, 불확실한 무응력 상태의 시편의 하중-변위 곡선을 활용하여 평가된 잔류응력은 실제 값과의 큰 오차와 대상의 신뢰성을 평가하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는, 잔류응력의 유무에 따라 변하지 않는 재료 고유의 탄소성 특성을 활용하여, 압입시험 시 얻어지는 하중-변위곡선에서 하중을 가해줌으로써 발생되는 Loading 커브에서 응력이 있는 상태의 하중-변위 곡선으로 응력이 있는 상태의 Loading 커브를 표현할 수 있도록 제시하였으며, 하중이 제거되면서 얻어지는 Unloading 커브에서 잔류응력이 있는 상태에서 없는 상태의 곡선을 표현할 수 있도록 제시하였다. 또한, Indentation work과 Indentation hardness 및 reduced modulus의 관계를 활용하여 앞서 제시된 내용과 함께 무응력 상태의 시험편이 없는 상황에서도 평가 대상 소재의 잔류응력을 평가하는 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 유한요소 해석을 활용하여 단계별 검증이 되었으며, 최종적으로 실제 잔류응력이 부여된 시편에 대하여 평가하여 검증하였다.