나노압입시험을 통한 잔류응력의 평가: 무응력 상태의 압입곡선 예측

Abstract

제품의 제조 공정 중에 발생하는 잔류응력은 재료 내부에 존재하며 재료가 미세소자 등의 제품에 사용될 때 제품에서 불량이 발생하는 원인이 된다. 잔류응력을 측정하기 위한 기법으로는 시편 준비 및 실험 과정이 간단하고 국소 부위 측정이 가능한 나노압입시험을 활용하는 연구가 진행되고 있다. 나노압입시험에서는 재료에 하중을 가하고 제거하는 과정의 압입하중-변위를 연속적으로 측정하고 이를 분석함으로써 재료 내부의 잔류응력을 평가할 수 있다. 기존 연구에 의해 잔류응력이 압입시험 시 하중 및 변위에 미치는 영향을 잔류응력이 없는 상태와 비교하여 재료 내부의 평균 잔류응력의 값을 정량적으로 측정하는 방법이 개발되어 있다. 그러나 박막이나 용접부 등에서 무응력 상태를 구현하는 과정이 어렵기 때문에, 압흔으로 잔류응력이 있는 상태에서 무응력 상태를 예측하는 방법이 연구되어 왔다. 그러나 압입시험 시 압입 깊이가 매우 작은 나노 단위 소재에서는 접촉 면적의 측정이 어렵기 때문에 접촉 면적을 얻기 위한 고찰이 필수적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 접촉 면적의 측정이 어려운 경우에 이러한 과정 없이 재료의 무응력 상태를 예측하여 재료 내부의 잔류응력을 정량적으로 평가하고자 하였다. 이를 위해 잔류응력 존재 여부에 영향을 받지 않는 물성인 탄성계수와 강성을 이용하여, 잔류응력이 있는 상태에서 압입할 때 얻어지는 압입하중-변위곡선으로부터 접촉 면적을 계산하는 방법을 제시하였다. 탄성계수, 강성, 접촉 면적 사이의 관계를 나타내는 Sneddon's solution을 이용하여 나노압입시험시 얻어지는 압입하중-변위곡선에서 얻을 수 있는 탄성계수와 강성으로 접촉면적을 계산하였다. 본래 Sneddon's solution은 재료의 탄성계수, 강성과 flat punch 압입자로 압입할 때의 접촉면적의 사이의 관계식이다. 따라서 Berkovich 압입자로 압입할 때에도 적용할 수 있도록 correction factor β를 도입하였으며, 다양한 소재에 대한 압입하중-변위곡선과 접촉면적 분석을 통하여 그 값을 결정하였다. 본 연구에서 제안한 방법으로 계산한 접촉면적은 잔류응력이 있는 상태에서 Berkovich 압입자로 압입한 경우의 접촉면적을 SEM으로 측정한 경우와 잘 일치함을 알 수 있었다. 또한 계산한 접촉면적을 바탕으로 예측한 무응력 상태의 압입하중-변위곡선의 타당성을 실험적으로 검증하였다. 무응력 상태의 재료에서 얻은 압입하중-변위곡선과 응력 지그를 사용하여 잔류응력이 있는 상태를 구현한 재료에서 얻은 압입하중-변위곡선에서 예측한 무응력 상태의 곡선을 비교하였고, 예측한 무응력 상태의 곡선을 바탕으로 구한 잔류응력은 응력 지그로 구현한 잔류응력 상태와 잘 일치하는 결과를 보였다.