KR100416723B1

KR100416723B1 - 잔류응력 측정장치 및 이 장치를 이용한 잔류응력 데이터측정방법, 잔류응력 측정방법 및 이 측정방법을 기록한기록매체

Info

Publication number: KR100416723B1
Application number: KR10-2002-0018521A
Authority: KR
Inventors: 권동일; 이윤희; 손동일
Original assignee: (주)프론틱스; 권동일
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2004-01-31
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: US20030217591A1; JP3959484B2; JP2003315172A; US6851300B2; KR20030079471A

Abstract

본 발명은, 잔류응력 측정장치 및 이 장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법, 잔류응력 측정방법 및 이 측정방법을 기록한 기록매체에 관한 것으로서, 기계적 물성평가에 유리하면서도 비파괴적인 잔류응력을 측정할 수 있다. 또한, 적용하는 하중의 범위를 제어함으로써 박막이나 마이크로소자와 같은 미소 영역에서부터 대형 구조물에 이르기까지 광범위한 적용이 가능하고 미세조직에 의한 영향을 받지 않는다. 본 발명의 측정장치에 의하면, 부피를 소형화하여 실구조물에 대한 부착이 용이하다. 그리고, 부착장치를 다양화함으로써 대상재료의 크기와 종류에 관계없이 다양한 재료에 부착하여 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 측정장치는 수평이동이 가능함으로써 여러 재료의 여러 위치를 측정하기 위해 본체 자체를 이동할 필요가 없다. 또한, 본 발명은 측정된 데이터를 분석하는 데 있어서, 실험상수 보정을 위한 별도의 측정이 필요하지 않아 측정비용을 절감하고, 타 측정법으로 측정이 불가능한 부분에 대한 측정도 가능한 효과가 있다. 또한, 압입하중 - 변위곡선의 해석을 통해 잔류응력을 비파괴적으로 직접 평가함으로써 시편의 파손을 막고 시편에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있으며 시편을 구하기 어려운 경우나 국부적 물성 평가가 요구되는 상황에서도 적절하게 적용할 수 있다.

Description

잔류응력 측정장치 및 이 장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법, 잔류응력 측정방법 및 이 측정방법을 기록한 기록매체{Apparatus for determining residual stress, method for determining residual stress data using it, residual stress determining method using it and recording medium thereof}

본 발명은, 잔류응력 측정장치 및 이 장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법, 잔류응력 측정방법 및 이 측정방법을 기록한 기록매체에 관한 것이다.

소재의 소정변형이나 열응력으로 발생하는 잔류응력은 재료의 피로강도, 파괴 물성 등의 기계적 성질을 떨어뜨리고 후가공을 곤란하게 하는 등 여러 문제점을 야기한다. 특히, 근자에 들어 사용이 급증한 박막소재의 경우, 이종 소재 접합부 계면에서 발생한 잔류응력이 기계적 물성을 좌우하는 중요한 요소로 보고되었으며 벌크 소재에 있어서도 용접 중에 발생한 잔류응력의 중요성은 이미 알려져 있다.

공지된 잔류응력 측정방법은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 하나는 기계적 응력 완화 방법(Mechanical stress relaxing)으로 구멍 뚫기 방법(Hole drilling)이나 절단(Saw cutting)이며, 다른 하나는 물리적 방법으로 X-ray diffraction, Barkhausen magnetic noise, 초음파법 그리고 중성자회절법 등을 들 수 있다.

기계적 응력 완화 방법은 구속인자를 제거해서 완화될 때의 변형정도로 잔류응력을 측정하는 것이다. 이러한 기계적 방법은 비교 시편없이 잔류응력을 정량적으로 평가할 수 있다는 장점이 있는 반면 반드시 시편을 파괴해야 하는 문제점이 있다.

물리적 방법 중, X-ray diffraction은 원자간의 간격을 측정해서 이를 변형의 정도로 계산하는 것이며, Barkhausen magnetic noise는 잔류응력에 의해서 변화하는 자기장 노이즈의 하나인 바크하우젠 노이즈의 변화를 계산하는 것이다.

이러한 물리적 방법은 비파괴적이라는 장점과 동시에 재료의 미세조직의 영향이 크다는 단점으로 인해 용접부와 같은 미세조직의 급격한 변화(결과값이 잔류응력인지 미세조직의 변화인지를 판면하기 어려움)가 존재하는 영역에서의 적용은불가능하다는 한계가 있다.

이처럼 기존에 공지된 잔류응력 측정방법 들은 일정 형태의 시편채취에 따른 응력완화를 보상할 수 없고 측정 중에서도 응력 제거를 목적으로 일부 소재를 손상없이 제거하는 등의 복잡한 과정이 필요한 문제점이 있다.

이에, 이러한 공지된 방법 외에도 기계적 물성평가에 유리하면서도 비파괴적인 측정법으로 연속 압입 측정방법을 개시한다. 이러한 연속 압입 측정방법은 압입하중에 대한 재료의 변형을 압입하중 - 변위곡선으로 나타내며, 잔류응력에 민감하게 곡선형상이 변화한다.

또한, 적용하는 하중의 범위를 제어함으로써 박막이나 마이크로소자와 같은 미소 영역에서부터 대형 구조물에 이르기까지 광범위한 적용이 가능하고 미세조직에 의한 영향을 받지 않는다는 장점을 가지고 있어 새로운 잔류응력 측정방법으로 널리 이용될 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 기계적 물성평가에 유리하면서도 비파괴적인 잔류응력 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 적용하는 하중의 범위를 제어함으로써 박막이나 마이크로소자와 같은 미소 영역에서부터 대형 구조물에 이르기까지 광범위한 적용이 가능하고 미세조직에 의한 영향을 받지 않는 잔류응력 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 부피를 소형화하여 실구조물에 대한 부착이용이한 잔류응력 측정장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 부착장치를 다양화하여 대상재료의 크기와 종류에 관계없이 다양한 재료에 부착하여 측정할 수 있는 잔류응력 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 수평이동을 가능하게 하여 재료의 여러 위치를 측정하기 위해 본체 자체를 이동할 필요가 없는 잔류응력 측정장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 측정된 데이터를 분석하는 데 있어서, 실험상수 보정을 위한 별도의 측정이 필요하지 않아 측정비용을 절감하고, 타 측정법으로 측정이 불가능한 부분에 대한 측정 또한 가능한 잔류응력 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 잔류응력 측정장치의 전체구성도,

도 2는 도 1에 도시된 잔류응력 측정장치 중 본체의 정단면도,

도 3은 도 2에 도시된 본체의 측단면도,

도 4는 도 2에 도시된 본체의 부분 평면도,

도 5는 도 2에 도시된 본체의 하부 일부분과 변위센서, 하중센서 영역을 부분 단면도,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법의 흐름도,

도 7은 도 6의 압입자 이동방법선택단계의 상세 흐름도,

도 8은 도 6의 압입자 접근단계의 상세 흐름도,

도 9는 도 1의 잔류응력 측정장치를 이용한 측정방법을 저장한 기록매체를 컴퓨터에 의해 실행한 경우의 초기화면,

도 10은 실험조건 설정화면,

도 11은 도 1의 잔류응력 측정장치를 이용한 측정방법을 저장한 기록매체에 의해 측정된 압입깊이와 압입하중 곡선화면,

도 12는 동일한 재료 또는 다른 재료에 대하여 다수 측정된 압입깊이와 압입하중 곡선 중첩화면,

도 13은 압입깊이와 압입하중 곡선을 이용하여 유도된 잔류응력 분석결과화면,

도 14는 잔류응력 측정장치를 통해 얻은 데이터인 압입하중 - 변위곡선의 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 본체 101 : 프레임

102 : 보디 123 : 하중센서

125 : 압입자홀더 127 : 압입자

128 : 변위센서 110 : 하중부가장치

140 : 수평이동장치 141 : 슬라이더

142 : 슬라이더베이스 145 : 이동손잡이

200 : 인터페이스 컴퓨터

상기 목적은, 본 발명에 따라, 잔류응력 측정장치에 있어서, 측정장치 본체와; 상기 본체 내에 마련되어 측정 대상의 재료에 인가되는 하중을 발생시키는 하중부가장치와; 상기 하중부가장치에 의해 상기 재료에 전달되는 하중의 변화를 연속적으로 측정하는 하중센서와; 상기 하중부가장치와 연결되고 상기 하중센서와 동축적으로 구동하는 압입자홀더와; 일단은 상기 압입자홀더에 결합되고 타단은 상기 재료에 접촉하여 상기 하중부가장치로부터의 접촉하중을 상기 재료에 인가하는 압입자와; 상기 압입자의 압입에 따른 압입깊이의 변화를 연속적으로 측정하는 변위센서와; 상기 하중센서 및 상기 변위센서로부터의 측정값을 토대로 잔류응력을 측정하는 측정프로그램을 갖는 인터페이스컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 인터페이스컴퓨터에는 상기 하중부가장치를 제어하는 소정의 제어버튼이 구비되어 있다.

상기 측정프로그램은 상기 제어버튼 중 어느 하나의 작동에 의해 상기 압입자가 상기 재료로 접근하여 상기 재료로 하중을 부가한 후 부가된 하중을 제거하여 측정하는 한편, 이를 연속적으로 측정하여 잔류응력을 계산한다.

측정대상의 재료를 상기 잔류응력 측정장치에 고정시키는 부착장치를 더 포함하며, 상기 부착장치는 자석, 체인, U-블럭 중 적어도 어느 하나로 채용될 수 있다.

상기 부착장치가 고정된 상태에서 상기 압입자가 부착된 상기 본체를 적어도 일방향으로 수평이동시키는 수평이동장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 수평이동장치로는, 상기 본체를 지지하는 베이스의 상부면에 상기 베이스와 체결되고 상부면에 도브테일이 형성된 슬라이더베이스와; 상기 슬라이더베이스와 상기 본체 사이에 개재되어 상기 슬라이더베이스와 도브테일 형상으로 슬라이딩 맞물림되는 슬라이더와; 상기 슬라이더를 상기 슬라이더베이스에 대해 수평면에 대해 적어도 일방향으로 위치 이동시키는 이동손잡이로 구성할 수 있다.

상기 압입자는 구형, 원뿔형, 사각피라미드형 중 적어도 어느 하나로 채용되며, 상기 압입자는 상기 압입자홀더에 일체로 마련될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 제1항의 잔류응력 측정장치를 이용하여 재료의 잔류응력 데이터를 측정하는 방법에 있어서, 상기 압입자를 잔류응력 시험을 시작할 수 있는 위치로 이동하여 상기 재료에 접근하는 압입자 접근단계와; 상기 압입자의 이동속도 및 압입자의 이동깊이를 설정하고, 상기 재료에 하중을 가하는 하중부가단계와; 상기 압입자의 이동깊이 만큼 상기 압입자가 수직이동한 후, 상기 압입자의 이동깊이의 일정 하중제거율만큼 상기 압입자를 위로 이동시키는 하중제거단계와; 상기 하중부가단계 및 상기 하중제거단계에서 각 단계와 동시에 압입자의 수직이동에 따른 상기 압입자의 압입깊이 및 압입하중을 측정하는 측정단계와; 상기 하중부가단계와 상기 하중제거단계와 상기 측정단계를 다수회 반복하는 연속시험단계와; 상기 압입자를 재료에서 제거하는 압입자 제거단계와; 상기 재료의 잔류응력을 계산하는 잔류응력 계산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법에 의해서도 달성된다.

여기서, 상기 압입자 접근단계는, 상기 압입자를 아래로 이동시키는 압입자 하방이동단계와; 압입하중이 하중설정값 이상이면 상기 압입자의 이동을 멈추고 상기 압입자를 길이값만큼 이동하고, 압입하중이 하중설정값 미만이면 상기 압입자 하방이동단계를 계속 실행하는 판단단계를 갖는다.

이 때, 상기 하중설정값은 0.01∼2kgf이고, 상기 길이설정값은 0.1∼30㎛인 것일 수 있다.

상기 잔류응력 계산단계는 압입자 제거단계를 수행하기 전이나 혹은 압입자 제거단계를 수행한 다음에 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 각각의 연속시험단계마다, 상기 압입자 이동속도와, 상기 압입자 이동깊이와 상기 하중제거율 중 어느 하나 또는 하나 이상을 변화시킬 수도 있는 것이다.

한편, 본 발명의 또 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 제1항의 잔류응력 측정장치를 이용하여 재료의 잔류응력을 측정하는 잔류응력 측정방법에 있어서, 상기 압입자를 아래로 이동시켜 상기 압입자를 압입시험을 시작할 수 있는 위치로 이동시키되, 압입하중이 하중설정값 이상이면 상기 압입자의 이동을 멈추고 상기 압입자를 거리설정값만큼 상승하고, 압입하중이 하중설정값 미만이면 상기 압입자를 계속 아래로 이동시키는 압입자 접근단계와; 상기 압입자의 이동속도 및 압입자의 이동깊이를 설정하고, 상기 재료에 하중을 가하는 하중부가단계와; 상기 압입자의 이동깊이 만큼 상기 압입자가 수직이동한 후, 상기 압입자의 이동깊이의 일정 하중제거율만큼 상기 압입자를 위로 이동시키는 하중제거단계와; 상기 하중부가단계 및 상기 하중제거단계를 통해 압입자의 수직이동에 따른 상기 압입자의 압입깊이 및 압입하중을 측정하는 측정단계와: 상기 하중부가단계와 상기 하중제거단계와 상기 측정단계를 다수회 반복하는 연속시험단계와; 소정의 기준시편(reference 시편)과 측정한 재료를 측정식을 비교하여 상기 재료의 잔류응력을 측정하는 단계와; 상기 압입자를 재료에서 제거하는 압입자 제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법에 의해서도 달성된다.

한편, 본 발명의 또 다른 분야에 따르면 상기 목적은, 제1항의 잔류응력 측정장치를 이용하여 재료의 잔류응력을 측정하는 측정방법을 저장한 기록매체에 있어서, 상기 압입자를 아래로 이동시켜 상기 압입자를 압입시험을 시작할 수 있는 위치로 이동시키되, 압입하중이 하중설정값 이상이면 상기 압입자의 이동을 멈추고 상기 압입자를 거리설정값만큼 상승하고, 압입하중이 하중설정값 미만이면 상기 압입자를 계속 아래로 이동시키는 압입자 접근수단과; 상기 압입자의 이동속도 및 압입자의 이동깊이를 설정하고, 상기 재료에 하중을 가하는 하중부가수단과; 상기 압입자의 이동깊이 만큼 상기 압입자가 수직이동한 후, 상기 압입자의 이동깊이의 일정 하중제거율만큼 상기 압입자를 위로 이동시키는 하중제거수단과; 상기 하중부가단계 및 상기 하중제거단계를 통해 압입자의 수직이동에 따른 상기 압입자의 압입깊이 및 압입하중을 측정하는 측정수단과: 상기 하중부가수단과 상기 하중제거수단과 상기 측정수단을 다수회 반복하는 연속시험수단과; 상기 압입자를 재료에서 제거하는 압입자 제거수단과; 소정의 기준시편(reference 시편)과 측정한 재료를 측정식을 비교하여 상기 재료의 잔류응력을 측정하는 수단을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법을 저장한 기록매체에 의해서도 달성된다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하며, 먼저, 잔류응력 측정장치에 대해 설명하고, 그 다음 잔류응력 측정장치를 이용한 하중 변위 데이터 측정방법 및 잔류응력 계산방법을 설명하며, 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법을 저장한 기록매체에 대해서는 그 다음에 설명한다. 그리고, 최종적으로는 측정프로그램에 의한 잔류응력 측정방법의 실시예를 각 식을 통해 상세히 설명한다.

1. 잔류응력 측정장치

도 1 내지 도 5를 참조하여 잔류응력 측정장치의 일실시예에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 잔류응력 측정장치의 전체 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 잔류응력 측정장치 중 본체의 정단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 본체의 측단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 본체의 부분 평면도이며, 도 5는 도 2에 도시된 본체의 하부 일부분과 변위센서, 하중센서 영역을 부분 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잔류응력 측정장치는 본체(100)와, 본체(100)에 연결된 인터페이스 컴퓨터(200)를 갖는다.

본체(100)는 물성을 측정할 재료에 부착하여 잔류응력 측정을 수행하기 위한 기기의 주요부이다. 인터페이스 컴퓨터(200)에는 본체(100)의 작동을 제어하는 한편, 본체(100)의 측정수단에 의해 측정된 데이터를 분석하기 위한 프로그램 및 본체(100)에서 발생되는 신호값을 변환하는 장치들이 탑재되어있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본체(100)는 프레임(101), 하중부가장치(110), 보디(102), 하중센서(123), 압입자홀더(125), 압입자(127), 변위센서(128), 수평이동장치(140), 커넥터(161,163)를 포함한다.

프레임(101)은 원통 형상으로 이루어져 내부에 부속된 여러 가지의 부품들을 보호하는 한편 외관을 이룬다. 본 실시예에서 프레임(101)은 하중부가장치(110), 보디(102), 하중센서(123) 및 압입자(127)의 일부분을 포함하기 때문에 고강도 알루미늄 경량합금을 사용하는 한편, 그 무게를 줄임으로써 휴대 및 운반에 있어서 용이하다.

하중부가장치(110)는 잔류응력 측정시 재료에 인가되는 하중을 만들어 내는곳으로 크게 모터(111)와 감속기(112)와 볼스크루(117)로 이루어진다.

모터(111)로는 외부 하중 및 과부하에 안정하며 정밀제어가 가능한 DC 스테핑 모터를 채용함으로써 현장에서 외부 진동 등 발생가능한 위험요소의 영향을 제거한다. 감속기(112)는 모터(111)의 아래에 위치하며, 모터(111)로 인해 발생한 동력으로 압입자(127)를 이동시킬 때, 압입자(127)의 이동속도를 측정에 필요한 만큼의 저속으로 감소시키며 소형의 모터(111)에서 나오는 동력을 증폭시켜준다.

감속기(112)의 아래에는 커플링(113)이 있어 감속기(112)와 볼스크루(117)를 연결하고 모터(111)의 동력을 볼스크루(117)에 전달한다. 볼스크루(117)의 외측에는 베어링이 개재되어 볼스크루(117)의 회전운동을 지지한다.

지지축(116)은 보디(102)를 관통하여 보디(102)가 상하로 이동할 때, 보디(102)의 이동을 안내하고 외부충격에 의한 흔들림이나 자체 흔들림을 방지한다. 볼스크루(117)는 모터(111)에서 발생한 동력으로 인해 회전하는 부분이며 이 때의 회전력을 이용하여 압입자(127)에 하중을 가하게 된다. 볼스크루너트(118)는 볼스크루(117)와 나사산 결합되어 있어 볼스크루(117)가 회전하면 볼스크루너트(118)는 상하방향으로 수직이동한다.

보디(102)는 볼스크루너트(118)와 압착 결합되어 볼스크루너트(118)의 수직이동에 따라 하중부가장치(110)에서 만들어진 회전력을 수직하중으로 변환시켜 압입자(127)가 재료에 하중을 가할 수 있게 해 준다. 보디(102)에는 위에서 설명한 바와 같이 지지축(116)이 관통되어 있다.

하중센서(123)는 보디(102)의 아래에 위치하여 보디(102)에 의해 가해진 하중의 변화를 연속적으로 측정한다. 하중센서(123)를 압입하면 압입하중에 비례하는 변형이 발생하고 이 변형에 따라 하중센서(123)에 내장된 변형게이지의 전기저항이 변화하게 되어, 결국 흐르는 전류가 변화하므로 이 전류의 변화를 감지하여 하중을 연속 측정한다.

하중센서(123)의 최대하중은 100kgf이고, 하중분해능은 1.5gf로 설계됨으로써 기존 AIS 2000의 경우보다 최대하중이 적고 정밀도는 더욱 높아졌다. 그 이유는 AIS 2000에서와 같이 인장물성을 얻기 위해서는 구형 압입자(미도시)를 사용해야 하고 그러한 압입자가 재료 내부로 일정 깊이 이상 들어가야 하기 때문에 더 큰 하중이 필요하지만 잔류응력 측정장치는 압입깊이보다는 장비의 정밀도가 우선시 되므로 위와 같은 설계로 이루어질 수 있다. 여기서, 최대하중이 늘어날수록 하중분해능도 같이 증가하므로 정밀한 분석이 어려워지고, 최대하중이 낮을 경우에는 충분한 데이터를 얻을 수 없으므로 다양한 실험을 통해 최적의 하중범위를 결정하게 된다.

하중센서(123)의 아래에는 하중센서(123)와 압입자(127) 부분을 연결하는 연장축(124)이 있다. 연장축(124)은 상부말단의 내주면에 암나사가 형성되어 하중센서(123)의 하부말단에 형성된 수나사와 결합되어 있다.

연장축(124)의 하부말단에는 압입자(127)가 있다. 압입자(127)는 실질적으로 재료에 접촉하중을 인가하는 부분으로 그 형태는 예를 들어, 비커스 압입자(127)를 사용하고 있다. 연장축(124)과 압입자(127)는 착탈식으로 되어 있으므로 압입자(127)가 연장축(124)에서 빠져나갈 위험성을 없애고 실험오차를 제거한다.본 실시예에서는 압입자(127)의 형태는 사각피라미드 형의 비커스 형태이지만, 용도에 따라 원뿔형이나 사각피라미드형 또는 구형을 채용할 수도 있다.

변위센서(128)는 압입자(127)와 평행하게 이동하고 압입자(127)와 하중센서(123)의 중간부분에 위치한다. 변위센서(128)는 본체(100)의 내벽면에 부착된 마그네틱과 평행하게 이동하면서 변위를 측정한다. 센서브라켓(129)은 압입자(127)와 연결된 연장축(124)과, 변위센서(128)를 체결한다.

압입자(127)가 상하운동이 되면 변위센서(128)는 마그네틱과 평행운동하여 삽입깊이를 측정하므로 압입자(127)의 압입깊이를 측정할 수 있게 된다. 변위센서(128)의 최대측정범위는 압입자(127)의 최대이동 범위이며, 정확한 압입깊이를 측정할 수 있게 하기 위하여 Linear Scale을 사용하였으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

변위센서(128)는 압입자(127)와 변위센서(128)의 무리한 상하 이동에 따른 기기의 파손을 방지하기 위하여 상단과 하단에 극한신호 발생장치가 부착된다. 압입자(127)와 변위센서(128)가 안전하게 이동할 수 있는 영역을 설정하고, 각 영역의 한계위치에 극한신호 발생장치를 부착한다. 이 영역을 초과할 경우에는 모터(111)의 회전이 중단되어 압입자(127)와 변위센서(128)의 이동이 중단된다.

하중부가장치(110) 및 하중센서(123)와 베이스(133) 사이에는 수평이동장치(140)가 있다. 수평이동장치(140)는 잔류응력 측정을 시행한 후 동일한 재료에 대하여 다른 위치에서 다음 잔류응력 측정을 시행할 때 잔류응력 측정장치 전체를 이동하지 않고 프레임(101)만 수평이동하여 다음 잔류응력 측정을 시행하기 위한 장치이다.

도 2 및 도 3, 도 4를 참조하되 도 4를 주로 참조하면, 본체(100)의 프레임(101) 하부에 위치한 수평이동장치(140)는 슬라이더(141)와 슬라이더베이스(142)와 잠금쇠(143)와 잠금쇠볼트(143a)와 이동손잡이(145)를 갖는다.

슬라이더(141)는 본체(100)의 프레임(101) 하부에 위치하며, 슬라이더베이스(142)는 슬라이더(141)의 하부에 위치한다. 슬라이더베이스(142)에는 오목형의 도브테일 홈 (dovetail groove)이 형성되어 있고, 슬라이더(141)에는 볼록형의 도브테일(dovetail)이 형성되어, 이들이 슬라이딩 가능하게 끼워맞춤 결합되어 있다.

따라서, 슬라이더(141)가 슬라이더베이스(142)를 타고 도브테일 방향으로 슬라이딩하여 본체(100)를 수평이동하게 할 수 있다. 잠금쇠볼트(143a)는 슬라이더(141)에 형성된 홈을 관통하여 슬라이더베이스(142)와 단면접촉하고 있다. 잠금쇠(143)는 잠금쇠볼트(143a)와 체결되어 잠금쇠(143)를 회전시키면 잠금쇠볼트(143a)가 상하로 이동한다. 잠금쇠(143)를 잠금쇠볼트(143a)가 연장되도록 회전하면 잠금쇠볼트(143a)가 슬라이더베이스(142)를 가압하여 슬라이더(141)를 고정한다. 이 상태에서 잠금쇠(143)를 잠금쇠볼트(143a)가 단축되도록 회전하면 잠금쇠볼트(143a)는 슬라이더베이스(142)의 가압을 풀어, 슬라이더(141)에 힘을 가하면 수평이동 가능하게 한다.

슬라이더(141)의 수평이동할 수 있는 힘은 이동손잡이(145)를 회전하므로 얻어진다. 이동손잡이(145)에는 브라켓(145a)을 관통하여 슬라이더(141)에 형성된 너트(145c)와 나사 결합된 볼트(145b)가 존재한다. 이동손잡이(145)를 회전하면 이동손잡이볼트(145b)도 함께 회전한다. 이동손잡이볼트(145b)의 회전에 의해 이동손잡이너트(145c)와 슬라이더(141), 프레임(101)이 나사산의 방향에 따라 이동손잡이(145) 방향 또는 반대방향으로 이동할 수 있게 한다. 이동손잡이(145)에는 이동거리를 알 수 있는 눈금이 형성되어 있다.

본체(100)의 말단에는 베이스(133)가 있다. 베이스(133)는 부착장치(130)를 본체(100)와 연결시켜 주고, 부착장치(130)를 체결하지 않았을 경우에는 본체(100)를 지지한다.

본 발명에 따른 잔류응력 측정장치는 본체(100)와 별도로 부착장치(130)를 갖는다. 부착장치(130)는 자석(131)과 자석브라켓(131a), 2개의 볼트(133b,133b')를 갖는다. 자석(131)과 베이스(133)는 자석브라켓(131a)과 2개의 볼트(133b,133b')에 의해 각각 나사 결합되어 있다. 자석(131)은 부착할 부분이 철재 재료일 때 사용하는데, 곡률이 있는 재료일 경우에는 자석(131) 바닥을 곡률에 맞게 가공하여 사용한다.

본 실시예에서는 부착장치(130)가 자석(131)인 것으로 설명하였으나, 부착할 재료의 종류에 따라 체인이나 곡률이 있는 U-블럭(U-block)을 사용할 수도 있다. 체인은 자석(131)을 사용할 수 없는 경우, 재료 둘레를 감아서 본체(100)에 부착하게 된다. 예를 들어, 100kg 정도의 고하중을 지지하기 위하여 4줄 체인을 사용하며, 베이스(133)와 체인 사이는 볼트체결방식과 고정쇠용 나사체결방식을 혼용하여체결한다. U-블럭은 튜브에 사용하며, 본체(100)를 지지하는 양쪽의 브라켓과 U-블럭을 볼트로 체결하여 본체(100)를 고정한다.

다시 도 1을 참조하면, 본체(100) 프레임(101)의 상단부에 위치하는 커넥터(161,163)는 본체(100)와 인터페이스 컴퓨터(200)를 상호 신호 연결하는 부분이다. 커넥터는 모터커넥터(161) 및 신호커넥터(163)로 되어 각각 인터페이스 컴퓨터(200)의 모터커넥터(161') 및 신호커넥터(163')와 연결된다.

인터페이스 컴퓨터(200)는 측정한 재료의 압입하중과 변위 데이터를 분석하는 프로그램을 탑재하여 현장에서 잔류응력을 계산할 수 있다. 잔류응력은 다음 에서 기술할 잔류응력 측정을 이용한 잔류응력 결정방법에 의해서 계산된다.

또한, 인터페이스 컴퓨터(200)에 탑재된 프로그램에는 측정 전에 압입자(127)를 재료에 접근시키거나, 측정 후 압입자(127)를 재료로부터 제거하기 위한 모터(111)의 수동구동 기능과 측정을 시작할 때 자동으로 재료의 측정을 시작할 수 있는 위치로 이동하게 하는 인게이지(engage) 기능이 있다. 이에 대해서는 후술한다.

인터페이스 컴퓨터(200)에는 각각 모터커넥터(161) 및 신호커넥터(163)와 연결되는 모터커넥터(161') 및 신호커넥터(163')가 있다. 그리고, 인터페이스 컴퓨터(200)에는 긴급 정지버튼, 전원버튼 등과 같은 소정의 제어버튼이 마련되어 있다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 잔류응력 측정장치의 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 부착장치(130)를 본체(100)의 베이스(133)에 결합한 후, 부착장치(130)를 측정할 재료에 부착한다. 잠금쇠(143)가 잠겨있지 않으면 잠금쇠볼트(143a)가 아래로 이동하도록 잠금쇠(143)를 회전하여 잠금쇠볼트(143a)가 슬라이더베이스(142)를 가압하여 슬라이더(141) 및 본체(100)등을 고정시킨다.

인터페이스 컴퓨터(200)의 전원버튼을 눌러 전원을 켜면 압입자(127)는 최대한 상승하여 극한 신호 발생지점까지 상승한다. 이때의 속도는 모터(111)와 감속기(112)에서 상승할 수 있는 최대 속도이다. 측정 속도 및 수동 상하동작 속도는 미리 설정된 모터(111)의 회전 속도에 의해 감속기(112)에서 변속되어 동작한다.

모터(111)의 회전력은 감속기(112)와 커플링(113)을 회전시켜 볼스크루(117)를 회전시키고 볼스크루너트(118)를 아래 방향으로 수직이동시킨다. 볼스크루너트(118)의 수직이동은 보디(102), 하중센서(123), 연장축(124), 압입자(127), 변위센서(128)를 동시에 아래로 이동하게 한다.

이 때, 하중센서(123)와 변위센서(128)는 하중과 변위의 변화를 연속적으로 측정한다. 상기 수직하중은 압입자(127)를 재료에 압입시킨다. 변위센서(128)는 압입자(127)가 압입되어진 압입깊이를 연속적으로 측정하게 된다. 하중센서(123)와 변위센서(128)에 의해 하중 및 압입깊이를 일정 깊이까지 측정하고, 모터(111)를 반대방향으로 회전시켜 압입자(127)의 하중을 일정 정도 제거하면서 하중 및 압입깊이를 측정하여 응력 및 실제 접촉면적을 구하는 과정을 한 위치에서 연속적으로 시행한다.

다시 상기 방법으로 압입자(127)에 하중을 가하여 더욱 압입깊이를 연장하여하중 및 압입깊이를 측정하고, 다시 하중을 일정 정도 제거하여 하중 및 압입깊이를 연속적으로 측정하여 응력 및 실제 접촉면적을 구한다. 이러한 과정을 반복하므로 한 위치에서의 응력 및 변형률 곡선을 완성할 수 있다.

한 위치에서 압입측정이 끝났으면 수평이동장치(140)의 잠금쇠(143)를 풀고 이동손잡이(145)를 돌려서 슬라이더(141)를 수평이동시킨 후, 다음 위치에서 전술한 바와 같은 동일한 압입측정을 수행한다.

다른 재료에 대하여 잔류응력 측정을 수행하기 위해서는 부착장치(130)의 자석(131)을 떼어내어 다른 재료에 잔류응력 측정장치 전체를 이동한 후 자석(131)을 다시 다른 재료에 부착하여 잔류응력 측정을 실시한다. 또한, 곡률을 가진 대상에 부착하기 위하여 자석(131)을 곡률 가공하여 사용할 수 있다. 한편 측정재료가 자성체가 아닌 경우에는 도 5의 부착장치(130)의 자석브라켓(131a)과 베이스(133)를 나사 결합시키는 볼트(133b,133b')를 회전시켜 부착장치(130)를 본체(100)로부터 분리한 후, 다른 부착장치(130), 예를 들면 체인이나 U-블럭을 베이스(133)에 체결한 후 동일한 방법으로 측정한다.

2. 잔류응력 측정장치를 이용한 하중 변위 데이터 측정방법 및 잔류응력 계산방법

도 6 내지 도 8을 주로 참조하되, 도 1 내지 도 5를 부분적으로 참조하여 본 발명에 따른 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법 및 잔류응력 계산방법의 일실시예를 설명한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잔류응력 측정장치를 이용한 물성측정방법은 압입자 이동방법 선택단계(S10)와, 압입자 접근단계(S20)와, 하중부가단계(S30)와, 하중제거단계(S40)와, 측정단계(S50)와, 연속측정단계(S60)와, 압입자 제거단계(S70)와, 잔류응력 계산단계(S80)를 갖는다. 반복설명을 피하기 위하여 잔류응력 측정방법을 설명하면서 잔류응력 측정데이터 측정방법을 설명한다.

압입자 이동방법 선택단계(S10)는 잔류응력 측정장치의 압입자(127)의 이동을 수동 또는 자동으로 선택하는 단계이다. 도 7을 참조하면, 먼저 측정을 시작하기 전에 압입자(127)를 재료에 접근시키기 위해 먼저 압입자(127) 이동방법을 선택한다(S100). 압입자(127)의 이동을 수동으로 할 것인지를 묻고(S110), 수동으로 한다면 압입자(127)의 이동속도를 설정한다(S120). 압입자(127)의 이동속도를 설정한 후 업(Up)을 선택하면(S130) 압입자(127)를 위로 이동한다(S150). 이와는 반대로 다운(Down)을 선택하면(S135) 압입자(127)는 아래로 이동한다(S155).

압입자(127)의 이동을 수동으로 하지 않고 자동으로 한다고 하여도(S115), 일단 압입자(127)의 이동속도를 설정해야 한다(S120'). 그 다음, 이동거리를 입력하고(S140), 이동거리가 음수인지를 판단하여(S145), 이동거리가 음수이면 압입자(127)를 위로 이동시키고(S150), 이동거리가 양수이면 압입자를 아래로 이동한다(S155).

압입자 접근단계(S20)는 압입자(127)를 잔류응력 측정을 시작할 수 있는 위치로 이동하여 재료에 접근시키는 단계이다. 도 8을 참조하면, 압입자(127)를 아래로 이동시키면서(S210) 실시간으로 이동거리 및 하중을 표시한다(S220). 다음으로 압입자(127)가 받는 하중이 0.2kgf 이상인가를 판단하고(S230), 하중이 0.2kgf이상이면(예), 압입자(127)의 하방 이동을 멈추고(S240) 위로 10㎛ 이동한 후(S250) 정지한다(S260).

이렇게 되면 압입자(127)와 재료간의 거리가 측정을 시작할 수 있는 적당한 정도로 세팅된다. 만약 하중이 0.2kgf 이상이 아니면(아니오), 압입자(127)의 하중이 0.2kgf에 도달할 때까지 압입자(127)를 계속 아래로 이동하며 압입자 접근단계를 반복한다.

이 때, 0.2kgf와 10㎛라는 값은 각각 하중설정값과 길이설정값을 나타내며, 반복적인 실험 결과 얻어낸 값으로서, 데이터 측정 시작 범위가 0.2kgf 이상이기 때문에 물성 측정에는 영향을 주지 않는다. 또한, 본 실시예에서는 하중설정값과 길이설정값이 각각 0.2kgf와 10㎛이지만, 실험 결과 인게이지의 하중설정값은 0.01∼2kgf, 길이설정값은 0.1∼30㎛ 내에서 유효범위를 가지므로 이 범위 내에서의 인게이지 설정은 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.

하중부가단계(S30)는 재료에 하중을 가하여 압입자(127)를 수직 하강시키는 단계이다. 이 때, 수직하강 속도(이동속도)와 수직하강 길이(이동거리)를 미리 정하여 놓는다. 압입자(127)의 이동속도와 이동거리는 전술한 잔류응력 측정장치의 모터(111)와 감속기(112)를 제어하여 얻을 수 있다. 예를 들면, 최대 이동깊이를 300㎛, 반복회수를 10으로 택한 경우, 이동속도를 0.1mm/min, 일회 이동깊이를 30㎛로 할 수 있다.

하중제거단계(S40)는 압입자(127)가 이동길이만큼 아래로 이동한 후, 일정 하중제거율만큼 하중을 제거하여 압입자를 일정거리만큼 위로 이동하는 단계이다.이 또한 상기 잔류응력 측정장치의 모터(111)와 감속기(112)를 제어하여 얻을 수 있다. 상기 예에서 하중제거율이 30%인 경우 일회 이동깊이를 얻기 위하여 부가한 하중의 70%에 해당하는 하중까지 압입자를 위로 이동시킨다.

측정단계(S50)는 하중부가단계(S30)와 하중제거단계(S40)를 통해 압입자(127)의 수직이동에 따른 압입자(127)의 압입깊이와 압입하중을 측정하는 단계이다. 이 단계(S50)는 잔류응력 측정장치의 변위센서(128)와 하중센서(123)에 의하여 이루어진다.

연속측정단계(S60)는 하중부가단계(S30)와 하중제거단계(S40)와 측정단계(S50)를 일정회수 반복하는 단계이다. 한편, 이동속도와 압입자 이동깊이, 하중제거율을 각 차수마다 달리할 수 있다. 예를 들면, 차수가 낮고 부가 하중이 적은 경우(1회 내지 3회)에는 하중제거율을 크게 하고, 점점 차수가 커지면 하중제거율을 작게 할 수도 있다. 차수가 낮은 경우 하중제거율을 크게 하므로 소성 변형양상을 정확하게 반영할 수 있다.

압입자 제거단계(S70)는 압입자(127)를 재료에서 제거하는 단계이다.

잔류응력 계산단계(S80)는 측정단계(S60)에서 측정하여 구한 압입깊이에 대한 압입하중 곡선을 이용하여 잔류응력을 계산하는 단계이다. 여기서, 잔류응력은 다음에서 기술할 잔류응력 측정을 이용한 잔류응력 결정방법에 의해 계산될 수 있다. 물론 잔류응력 계산단계(S70)는 압입자 제거단계(S70) 전이나 후에 위치할 수 있음은 물론이다.

이상, 도면을 참조하여 잔류응력 측정장치를 이용한 측정 데이터 측정방법및 잔류응력 측정방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

잔류응력 측정장치의 수평이동장치(140)를 이용하여 압입자(127)를 동일한 재료에 대하여 일축방향으로 수평이동하면서 전술한 잔류응력 측정방법을 반복하므로 동일한 재료에 대하여 잔류응력값을 여러 개 계산할 수도 있다. 이 때, 다수 측정된 잔류응력값 중 너무 작거나 너무 큰 값을 나타내는 데이터는 버리고 나머지 잔류응력값을 평균하므로 재료의 잔류응력을 보다 정확하게 구할 수 있다.

3. 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법을 저장한 기록매체

도 9 내지 도 13을 주로 참조하고 도 1 내지 도 8을 부수적으로 참조하여 본 발명에 따른 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법을 저장한 기록매체를 설명한다. 기록매체는 컴퓨터 등 연산장치에서 실행할 수 있다. 예를 들면, 기록매체는 도 1에 도시한 잔류응력 측정기를 제어할 수 있는 인터페이스를 포함한 컴퓨터에서 실행하여 측정기의 측정데이터를 입력받아 재료의 잔류응력값을 측정하여 출력할 수 있다.

도 9는 도 1의 잔류응력 측정장치를 이용한 측정방법을 저장한 기록매체를 컴퓨터에 의해 실행한 경우의 초기화면이고, 도 10은 실험조건 설정화면이며, 도 11은 도 1의 잔류응력 측정장치를 이용한 측정방법을 저장한 기록매체에 의해 측정된 압입깊이와 압입하중 곡선화면이고, 도 12는 동일한 재료 또는 다른 재료에 대하여 다수 측정된 압입깊이와 압입하중 곡선 중첩화면이며, 도 13은 압입깊이와 압입하중 곡선을 이용하여 유도된 잔류응력 분석결과화면이다.

기록매체를 컴퓨터에 의해 실행한 경우의 초기화면은 상위메뉴, 기기현재상태표시부, 모터(111)의 수동구동부, 인게이지버튼, 그래프창, Reference 데이터베이스 만들기 버튼, 잔류응력 실험버튼으로 구성된다. 초기화면의 구성요소들은 마우스나 키보드를 이용하여 클릭하거나 키보드를 이용하여 수동 조작할 수 있다.

상위메뉴에는 불러오기, 저장하기, Reference 데이터베이스 만들기, Reference 변경, 잔류응력 분석 등의 기본메뉴를 갖는다. Reference 데이터베이스 만들기 버튼이나 잔류응력 실험 버튼을 선택하면 간단한 정보입력창에 측정자 및 시편에 대한 정보를 입력 한 후 실험조건 설정화면이 출력된다. 실험조건은 압입자(127) 종류, 다중실험회수, 최대변위, 하중제거율, 하중유지시간 등이다. 하부의 수동부에는 최종변위와 측정속도를 조절할 수 있다. 이러한 실험조건에 의한 실험조건모식도가 출력되어 실험조건에 따른 실험결과를 예측하여 출력한다.

기기현재상태표시부는 현재 잔류응력 측정장치의 압입자(127)의 하중과 변위를 표시한다. 모터(111)의 수동구동버튼은 측정 전에 압입자(127)를 재료에 접근시키거나, 잔류응력 측정 종료 후 다음 측정 위치로 이동하기 위하여 압입자(127)를 재료로부터 제거할 때 사용하는 메뉴이다.

도 7을 참조하면, 압입자(127)의 이동속도를 설정한 후, 수동구동버튼의 업(Up)버튼을 누르면 압입자(127)가 위로 이동한다. 반면, 다운 버튼(버튼)을 누르면 압입자(127)가 아래로 이동한다.

인게이지버튼은 재료를 측정을 시작할 수 있는 위치로 이동할 때 측정자가 직접 압입자(127)와 재료를 관찰하면서 압입자(127)를 재료에 접근시켜야 하는 불편함을 없애기 위하여 자동으로 재료를 측정을 시작할 수 있는 위치로 이동하는 메뉴이다. 도 8을 참조하면, 먼저 인게이지버튼을 누르면 도 6의 압입자(127) 접근단계(S20)를 실행하여 압입자(127)를 측정할 수 있는 위치로 이동한다.

초기화면에 미도시된 시작버튼을 클릭하면 기록매체에 저장된 측정방법을 실행하여 잔류응력의 reference 데이터베이스를 만들거나 잔류응력을 측정할 수 있다.

먼저, 현재 압입자(127)의 하중과 변위는 기기의 현재상태부에 출력되는 것은 위에서 설명하였다. 또한, 현재까지의 누적 압입깊이(변위)에 따른 압입하중 곡선은 도 11에 도시한 바와 같이 그래프창에 나타낸다. 동일한 재료에 대하여 수평이동하여 압입깊이에 따른 압입하중 곡선을 다수 구한 경우 또는 측정부위에 따라 잔류응력이 변화하여 이에 대한 비교가 필요한 경우에는 동시에 도 12에 도시한 바와 같이 곡선을 중첩하여 나타낼 수도 있다.

초기화면에는 Reference 데이터베이스 선택 버튼 및 잔류응력 분석 버튼이 있어, Reference 데이터베이스 선택 버튼을 클릭하면 장비에 입력되어 있는 데이터베이스 중 reference값을 선택할 수 있다. 잔류응력 버튼을 클릭하면 선택된 reference 값에 따른 잔류응력을 분석할 수 있는 잔류응력 분석 창이 화면에 나타나고, 분석시작 버튼을 누르면 잔류응력값이 표시된다. 잔류응력 분석 시에는 reference곡선과 잔류응력 측정 곡선이 나타나게 되며 분석된 결과가 함께 화면에 나타난다. 이러한 내용들을 여러 종류의 파일형태, 예를 들면 BMP와 같은 이미지파일로 저장할 수도 있다.

4. 측정프로그램에 의한 잔류응력 측정방법의 실시예

도 11 및 도 14를 참조하면, 잔류응력을 측정하기 위해서는 reference 시편(stress free 상태)의 압입하중 - 변위곡선이 필요한데, 이는 측정하고자 하는 실제 시편의 압입하중 - 변위곡선과 비교하기 위함이다. 잔류응력을 구하기 위해서는 다음의 과정을 따라야 하는데 그 순서는 다음과 같다.

우선, reference 시편에 전술한 잔류응력 측정장치를 이용하여 다중 연속압입실험을 행하고 여기서 얻어진 곡선을 토대로 하여 loading 곡선의 fitting식, 하중제어곡선의 기울기, 그리고 실제 압입깊이 h_c를 구한다.

얻어진 압입하중 - 변위곡선에서 기계적 이완, 감/가속효과, Creep 효과가 없는 loading 부분만 따로 잘라내어 fitting의 과정을 거치게 되는데 이는 실제 다중압입의 경우 하중제거시의 곡선형태가 왜곡되어 실제 적용된 하중과 차이를 보이기 때문으로 보다 정확한 값의 측정을 위해 반드시 필요하다.

일정 경도값을 나타내는 Vickers 압입시험시 가해지는 하중은 압흔의 면적에 비례하나, 압입자 하부의 복잡한 탄성역/탄소성변형에 의해서 정확히 비례하는 관계라고 하기는 힘들므로 loading 시 주어진 압입깊이와의 관계를 [식 1]과 같이 5차식의 형태로 적합화시켜 실험식을 얻는다.

[식 1]

다음으로 각각의 unloading 곡선의 분석을 시작하는데 있어서도 위의loading 곡선분석과 같이 다음의 [식 2]와 같은 형태로 fitting 한다. [식 2]는 unloading 곡선의 모든 점에 가장 근사한 곡선을 계산하는 알고리즘이다.

[식 2]

여기서 h_f는 하중제거 후의 잔류 최종 깊이이다. 양변에 대수를 취하여 fitting을 거치면 k 및 m을 알 수 있고 이것을 통해서 하중제거곡선의 기울기 S를 구할 수 있는데 그 관계는 아래의 [식 3]으로 주어진다.

[식 3]

탄성적인 압입하중 제거중에 압입자/시편의 일정한 접촉면적을 유지하면, 하중제거 곡선은 직선형태를 갖게 되고, 이로부터 접촉깊이 h_c가 결정된다. 그러나, 하중 제거중에 실제 압입자 형상에 따라서 접촉면적은 점차 감소하며, 접촉부 주변의 탄성굽힘도 변화한다. 이러한 실제압입자의 접촉 관계식은 [식 4]와 같이 주어진다.

[식 3]에서 h_max의 값은 각 unloading curve 중 변위가 가장 큰 값을 취하여 S를 결정한다. 그 후에 loading curve를 fitting한 식과 S를 이용하여 얻을 수 있는 unloading curve의 접선과의 교점을 각 unloading 부분에서의 h_max로 재설정한다. 이는 장비에 따라서 curve가 이상적인 형태를 벗어날 수도 있는데 이 때 발생하는 오차를 최소화하기 위함이다.

[식 4]

여기서 h_i는 하중 제거 곡선의 접선을 연장할 때의 절편 깊이이고 h_max는 앞서 기술한 loading curve와 S를 이용하여 얻을 수 있는 unloading curve의 접선과의 교점을 이용해 구한 각 부분 unloading 시의 최대 압입깊이이다.

ω는 압입자의 geometrical factor이며 Vickers 압입자의 경우에는 그 값이 0.72로 주어진다. 이러한 접촉깊이 결정은 각각의 부분 unloading에서 모두 행해지게 된다. 본 예에서는 간단한 표현을 위해서 위와 같은 식을 사용하였지만 본 출원인이 2001년 1월 12일자로 특허출원하였으나 미공개된 "연속압입시험을 이용한 가공경화지수 및 응력계수 결정방법"(출원번호 10-2001-1770), "연속압입시험을 이용한 항복강도 결정방법"(출원번호 10-2001-1771), "연속압입시험을 이용한 인장강도 결정방법"(출원번호 10-2001-1772)에 나타나 있는 압입 시 압흔 모서리에 재료가 쌓이거나 함께 들어가는 pile-up과 sink-in을 고려한 접촉깊이의 결정 방법을 사용할 수도 있다.

reference 시편에서의 실험이 끝나면 잔류응력을 측정하고자 하는 시편에서 실험을 행하게 되는데, 이 때는 부분하중제거의 단계를 거칠 필요가 없다. 이는 각각의 시편에 있어서 일정한 압입깊이에 대해 가해진 하중값의 상대적 차이가 시편 내에 존재하는 잔류응력과 직접적인 관계가 있으므로 표준화된 압입깊이 h_c를 이미 기존의 reference 시편에서 얻은 이후에는 h_c값을 얻는 것은 불필요하기 때문이다.

잔류응력을 구하고자 하는 시편에서 연속압입실험을 행한 후 이전 단계와 마찬가지로 loading부분의 fitting을 거치게 되고 여기서 얻어진 식과 reference 시편에서 얻어진 fitting식과의 비교를 행하게 된다. 이 때, 측정된 압입하중 - 변위곡선의 형태를 통하여 존재하는 잔류응력의 부호를 결정할 수 있는데, 만일 reference 상태보다 곡선의 위치가 위라면 압축잔류응력이 존재하는 것이며 그 반대의 경우는 인장잔류응력이 존재한다고 할 수 있다.

각각의 loading 곡선식이 얻어진 후에는 다음의 관계에 의해 잔류응력을 측정하게 되는데 reference 시편과 실제 시편과의 같은 압입깊이에서 인가되는 압입하중의 차이는 잔류응력에 의한 영향이라고 할 수 있으므로 그 때의 하중차이를 실제 면적으로 나누게 되면 잔류응력값을 얻을 수 있다. 본 예에서는 각 unloading curve에서 구한 h_max의 압입깊이에서 하중의 차이를 구하였다. 따라서 계산되는 잔류응력 값은 한번의 실험 시 reference 실험 시의 부분 unloading 회수만큼 얻을 수 있다.

상수 α가 존재하는 이유는 시편상에 존재하는 응력의 분포 상태가 각각 다르기 때문으로 박막에서의 등방향이축응력상태(σ_x= σ_y)나 용접부와 같이 한쪽방향으로의 응력만 중시되는 상황(σ_xσ_y)을 예로 들 수 있다.

잔류응력에 의한 영향은 동일한 압입깊이에 대한 적용하중의 차이로 나타나면 이 때 응력값은 가해진 하중을 단위면적으로 나눈 값이므로 다음의 [식 5]와 같이 나타낼 수 있다.

[식 5]

(L_res= L₀- L_R이다.)

여기서 L_R은 실제 시편에 인가되는 압입 하중, L₀는 reference 시편에 인가되는 압입하중이며 A_C는 실제 접촉면적이고 Vicker's 압입자의 기하학적 형태를 고려한다면 다음의 [식 6]과 같다.

[식 6]

(A_c= 24.5h_c ²이다.)

Reference 시편에서 얻어진 각각의 h_C값을 대입하여 나온 A_C값을 대입하여 보면 실제 잔류응력값은 어느 정도 범위 내에서 변화하게 되는데 이는 압입하중이 증가함에 따라 압입자 하부의 소성 영역이 증가함에 따른 원인이다.

이에 따라 해당 접촉면적에 따른 잔류응력값들의 평균을 이용하여 그 값을 잔류응력으로 정의한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기계적 물성평가에 유리하면서도 비파괴적인 잔류응력 측정장치 및 측정방법이 제공된다.

또한, 적용하는 하중의 범위를 제어함으로써 박막이나 마이크로소자와 같은 미소 영역에서부터 대형 구조물에 이르기까지 광범위한 적용이 가능하고 미세조직에 의한 영향을 받지 않는다.

본 발명의 측정장치에 의하면, 부피를 소형화하여 실구조물에 대한 부착이 용이하다.

그리고, 부착장치를 다양화함으로써 대상재료의 크기와 종류에 관계없이 다양한 재료에 부착하여 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 측정장치는 수평이동이 가능함으로써 여러 재료의 여러 위치를 측정하기 위해 본체 자체를 이동할 필요가 없다.

또한, 본 발명은 측정된 데이터를 분석하는 데 있어서, 실험상수 보정을 위한 별도의 측정이 필요하지 않아 측정비용을 절감하고, 타 측정법으로 측정이 불가능한 부분에 대한 측정도 가능한 효과가 있다.

또한, 압입하중 - 변위곡선의 해석을 통해 잔류응력을 비파괴적으로 직접 평가함으로써 시편의 파손을 막고 시편에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있으며 시편을 구하기 어려운 경우나 국부적 물성 평가가 요구되는 상황에서도 적절하게적용할 수 있다.

Claims

잔류응력 측정장치에 있어서,

측정장치 본체와;

상기 본체 내에 마련되어 측정 대상의 재료에 인가되는 하중을 발생시키는 하중부가장치와;

상기 하중부가장치에 의해 상기 재료에 전달되는 하중의 변화를 연속적으로 측정하는 하중센서와;

상기 하중부가장치와 연결되고 상기 하중센서와 동축적으로 구동하는 압입자홀더와;

일단은 상기 압입자홀더에 결합되고 타단은 상기 재료에 접촉하여 상기 하중부가장치로부터의 접촉하중을 상기 재료에 인가하는 압입자와;

상기 압입자의 압입에 따른 압입깊이의 변화를 연속적으로 측정하는 변위센서와;

상기 하중센서 및 상기 변위센서로부터의 측정값을 토대로 잔류응력을 측정하는 측정프로그램을 갖는 인터페이스컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 인터페이스컴퓨터에는 상기 하중부가장치를 제어하는 소정의 제어버튼이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 측정프로그램은 상기 제어버튼 중 어느 하나의 작동에 의해 상기 압입자가 상기 재료로 접근하여 상기 재료로 하중을 부가한 후 부가된 하중을 제거하여 측정하는 한편, 이를 연속적으로 측정하여 잔류응력을 계산하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치.
제1항에 있어서,

측정대상의 재료를 상기 잔류응력 측정장치에 고정시키는 부착장치를 더 포함하며, 상기 부착장치는 자석, 체인, U-블럭 중 적어도 어느 하나로 채용되는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치.
제4항에 있어서,

상기 부착장치가 고정된 상태에서 상기 압입자가 부착된 상기 본체를 적어도 일방향으로 수평이동시키는 수평이동장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치.
제5항에 있어서,

상기 수평이동장치는,

상기 본체를 지지하는 베이스의 상부면에 상기 베이스와 체결되고 상부면에 도브테일이 형성된 슬라이더베이스와;

상기 슬라이더베이스와 상기 본체 사이에 개재되어 상기 슬라이더베이스와 도브테일 형상으로 슬라이딩 맞물림되는 슬라이더와;

상기 슬라이더를 상기 슬라이더베이스에 대해 수평면에 대해 적어도 일방향으로 위치 이동시키는 이동손잡이를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 압입자는 구형, 원뿔형, 사각피라미드형 중 적어도 어느 하나로 채용되며, 상기 압입자는 상기 압입자홀더에 일체로 마련되는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치.
제1항의 잔류응력 측정장치를 이용하여 재료의 잔류응력 데이터를 측정하는 방법에 있어서,

상기 압입자를 잔류응력 시험을 시작할 수 있는 위치로 이동하여 상기 재료에 접근하는 압입자 접근단계와;

상기 압입자의 이동속도 및 압입자의 이동깊이를 설정하고, 상기 재료에 하중을 가하는 하중부가단계와;

상기 압입자의 이동깊이 만큼 상기 압입자가 수직이동한 후, 상기 압입자의이동깊이의 일정 하중제거율만큼 상기 압입자를 위로 이동시키는 하중제거단계와;

상기 하중부가단계 및 상기 하중제거단계에서 각 단계와 동시에 압입자의 수직이동에 따른 상기 압입자의 압입깊이 및 압입하중을 측정하는 측정단계와;

상기 하중부가단계와 상기 하중제거단계와 상기 측정단계를 다수회 반복하는 연속시험단계와;

상기 압입자를 재료에서 제거하는 압입자 제거단계와;

상기 재료의 잔류응력을 계산하는 잔류응력 계산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법.
제8항에 있어서,

상기 압입자 접근단계는,

상기 압입자를 아래로 이동시키는 압입자 하방이동단계와;

압입하중이 하중설정값 이상이면 상기 압입자의 이동을 멈추고 상기 압입자를 거리설정값만큼 이동하고, 압입하중이 하중설정값 미만이면 상기 압입자 하방이동단계를 계속 실행하는 판단단계를 갖는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법.
제7항에 있어서,

상기 하중설정값은 0.01∼2kgf이고, 상기 길이설정값은 0.1∼30㎛인 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법.
제8항에 있어서,

상기 잔류응력 계산단계는 압입자 제거단계를 수행하기 전이나 혹은 압입자 제거단계를 수행한 다음에 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법.
제8항에 있어서,

상기 각각의 연속시험단계마다, 상기 압입자 이동속도와, 상기 압입자 이동깊이와 상기 하중제거율 중 어느 하나 또는 하나 이상을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 데이터 측정방법.
제1항의 잔류응력 측정장치를 이용하여 재료의 잔류응력을 측정하는 잔류응력 측정방법에 있어서,

상기 압입자를 아래로 이동시켜 상기 압입자를 압입시험을 시작할 수 있는 위치로 이동시키되, 압입하중이 하중설정값 이상이면 상기 압입자의 이동을 멈추고 상기 압입자를 거리설정값만큼 상승하고, 압입하중이 하중설정값 미만이면 상기 압입자를 계속 아래로 이동시키는 압입자 접근단계와;

상기 압입자의 이동속도 및 압입자의 이동깊이를 설정하고, 상기 재료에 하중을 가하는 하중부가단계와;

상기 압입자의 이동깊이 만큼 상기 압입자가 수직이동한 후, 상기 압입자의이동깊이의 일정 하중제거율만큼 상기 압입자를 위로 이동시키는 하중제거단계와;

상기 하중부가단계 및 상기 하중제거단계를 통해 압입자의 수직이동에 따른 상기 압입자의 압입깊이 및 압입하중을 측정하는 측정단계와:

상기 하중부가단계와 상기 하중제거단계와 상기 측정단계를 다수회 반복하는 연속시험단계와;

소정의 기준시편(reference 시편)과 측정한 재료를 측정식을 비교하여 상기 재료의 잔류응력을 측정하는 단계와;

상기 압입자를 재료에서 제거하는 압입자 제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법.
제1항의 잔류응력 측정장치를 이용하여 재료의 잔류응력을 측정하는 측정방법을 저장한 기록매체에 있어서,

상기 압입자를 아래로 이동시켜 상기 압입자를 압입시험을 시작할 수 있는 위치로 이동시키되, 압입하중이 하중설정값 이상이면 상기 압입자의 이동을 멈추고 상기 압입자를 거리설정값만큼 상승하고, 압입하중이 하중설정값 미만이면 상기 압입자를 계속 아래로 이동시키는 압입자 접근수단과;

상기 압입자의 이동속도 및 압입자의 이동깊이를 설정하고, 상기 재료에 하중을 가하는 하중부가수단과;

상기 압입자의 이동깊이 만큼 상기 압입자가 수직이동한 후, 상기 압입자의 이동깊이의 일정 하중제거율만큼 상기 압입자를 위로 이동시키는 하중제거수단과;

상기 하중부가단계 및 상기 하중제거단계를 통해 압입자의 수직이동에 따른 상기 압입자의 압입깊이 및 압입하중을 측정하는 측정수단과:

상기 하중부가수단과 상기 하중제거수단과 상기 측정수단을 다수회 반복하는 연속시험수단과;

상기 압입자를 재료에서 제거하는 압입자 제거수단과;

소정의 기준시편(reference 시편)과 측정한 재료를 측정식을 비교하여 상기 재료의 잔류응력을 측정하는 수단을 특징으로 하는 잔류응력 측정장치를 이용한 잔류응력 측정방법을 저장한 기록매체.