UNSM 처리한 베어링 강재의 VHCF 피로 및 파단특성

남승훈(Seung-Hoon Nahm),서민수(Min-Soo Suh),서창민(Chang-Min Suh),편영식(Young-Sik Pyun) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.6

사용된 베어링강의 UNSM처리효과와 기가사이클 설계기준에 필요한 VHCF 회전굽힘피로특성을 구하기 위한 피로시험을 거쳐 미시적인 파면해석과 EDS 분석을 통하여 표면과 내부에서 파괴되는 기구를 파괴역학적으로 연구하였다. 베어링강은 UNSM처리재와 미처리재중 경면상태의 경우는 duplex S-N 곡선이 얻어졌고, 가공상태의 경우는 표면조도가 크므로 이중 S-N곡선이 형성되지 않았다. 또 미처리재에 비해서 UNSM처리재는 표면의 나노(nano)조직화, 표면경도 상승, 표면조도 감소 및 압축잔류응력형성에 의하여 10⁶ 사이클 피로한도에서 약 28 % 정도 상승하는 경향을 나타내었다. 또 HCF(장수명피로) 범위에서는 표면을 기점으로 하는 표면결함에서 발생한 표면균열에 의해 파괴되는 형태를 취하였고, VHCF(초장수명피로, Nf >10⁶ 사이클) 범위에서는 내부에서 피로균열이 형성되는 어안균열이 주요 파괴기구로 되었다. 이 어안균열은 개재물의 흔적이 명확한 TiN개재물에서 주로 발생하였다. 개재물의 △K는 5 ㎫√m에 접근하며, 또 어안균열의 △K는 10 ㎫√m에 접근하였다. This study was to investigate the influence of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) effects on very high cycle fatigue(VHCF) strength and fracture mechanism of a bearing steel. In case of mirror finished specimens with and without UNSM treatment after machined surface, the duplex S-N curves were obtained, but in case of unpolished machined surface condition, the duplex S-N curves were not formed. The UNSM treated specimen showed a tendency to increase about 28% in the fatigue limit of 10⁶ cycles due to the refined structure to nanocrystal, the increased surface hardness, the decreased surface roughness and the increased compression residual stress. In the range of HCF, the fracture was caused by the surface crack generated by the surface defects originating from the surface. In the VHCF range, the dominant fracture mechanism was the fish-eye crack in which the internal originating fracture type was formed. The central part of the fish-eye where cracks initiated was inclusion consist of TiN. The stress intensity factor range (ΔK) of inclusions and fish-eye cracks approached 5 ㎫√m and 10 ㎫√m respectively.

콘크리트에서 일관적인 표면파 발생을 위한 표면 부착형 PZT 센서 개발

정해상,기성훈,김제경 대한건축학회지회연합회 2017 대한건축학회연합논문집 Vol.19 No.1

본 연구에서는 탄성파를 활용하여 콘크리트의 비파괴 검사를 수행하면서 일관적인 입력파를 발생시킬 수 있는 새로운 장치로 표면부착형 PZT 센서에 기반한 장치를 제안하였다. 제안된 장치의 효용성을 검증하기 위하여 실험실에서 폭과 길이가 각각 1500mm이고 깊이가 200mm인 실험체를 준비하였으며, 타설전 플라스틱 판을 삽입하여, 표면에 깊이 0에서 100mm까지 10mm 간격으로 10단계의 인공 표면균열이 생성될 수 있도록 하였다. 표면부착형 PZT센서는 컴퓨터 프로그램으로 제어되었으며, 발생된 신호를 가속계로 측정한 결과 0에서 120 kHz의 넓은 범위의 주파수 대역에서 매우 우수한 일관성을 보이는 것을 확인하였다. 또한 제안된 PZT 센서에서 획득한 비파괴 검사 인자 (표면파전단율 및 표면파 속도)는 일반 쇠구슬을 활용한 수동타격법에서 얻은 결과와 비교하여 획기적으로 향상됨을 확인하였다. 이러한 실험결과는 제안된 PZT 센서를 활용하여 타격법에 기반한 구조물의 비파괴 검사법을 수행할 때 신호의 일관성 및 측정결과의 신뢰성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 증명하고 있다. The objective of this study is to investigate the feasibility of an innovative surface-mount sensor, made of a piezoelectric disc (PZT sensor), as a consistent source for surface wave velocity and transmission measurements in concrete structures. For the purposes, one concrete slab with lateral dimensions of 1500 by 1500 mm and a thickness of 200 mm was prepared in the laboratory. A PZT sensor was attached to the concrete surface and used to generate incident surface waves for surface wave measurements across a surface-breaking crack with a different depth from 0 to 50 mm at stepwise intervals of 10 mm. Two accelerometers were used to measure the surface waves. Signals generated by the PZT sensors show a broad bandwidth with a center frequency around 80 kHz, and very good signal consistency in the frequency range from 0 to 90 kHz. Furthermore, repeatability of the surface wave velocity and transmission measurements is significantly improved compared to that obtained using manual impact sources. The findings in this study demonstrate that the surface-mount sensor has great potential as a consistent source for surface wave velocity and transmission measurements for automated health monitoring of concrete structures.

표면파 측정을 통한 콘크리트 슬래브의 표면균열 깊이 측정

기성훈 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.3

본 논문에서는 비접촉 표면파 측정을 이용하여 콘크리트 슬래브에 발생한 표면균열의 깊이를 측정하기 위한 비파괴 검사법을 연구하였 다. 이를 위하여 표면파 측정, 해석 및 균열 깊이 평가의 과정을 포함한 새로운 측정모델을 제안하였다. 먼저, 3차원 유한요소해석 모델을 이용하여 표면파의 에너지와 콘크리트 균열의 깊이의 상관관계를 표현하는 표면파 전달함수를 구하였다. 제안된 측정모델은 실험을 통하여 증명하였다. 한 쌍의 비접촉 센서를 이용하여 깊이 0~100mm의 10개의 표면균열을 포함한 콘크리트 슬래브 (1500×1500×180mm3)을 통 과하여 전달되는 표면파를 측정하였다. 측정모델은 콘크리트 균열 깊이에 대하여 약 최대 10%의 오차를 보이며 실제 깊이를 예측하는 것 으로 나타났다. 비접촉 표면파 측정을 통하여 얻은 결과는 기존의 TOFD에 바탕을 둔 초음파법에서 얻은 결과보다 향상된 정확도를 보이 는 것으로 나타났다. 특히 비접촉 센서의 특성상 매우 향상된 측정 속도 및 측정값의 일관성을 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 모델의 실제 구조물에 적용성에 관한 토의를 포함하고 있다. Non-contact surface wave transmission (SWT) measurements are used to evaluate the depth of a surface-breaking crack in concrete slabs. The author propose a measurement model that includes an appropriate configuration of the source and receivers, and a transmission function for the given configuration. A series of numerical simulations using a 3D finite element model is used to obtain the transmission function. Then, validity of a proposed model is verified through experimental studies. Two air-coupled sensors are used to measured surface waves across surface-breaking cracks with varying depths from 0mm to 100mm with intervals of 10mm in a concrete slab (1500×1500×180mm3) in laboratory. As a result, the proposed method is demonstrated as to be effective for charactering the depth of a surface-breaking crack in concrete bridge deck with an average error of 10%. A discussion on practical applications of the proposed method is also included in this article.

소성가공에 따른 STS 304L재의 초음파피로시험시 작은 표면균열의 거동에 관한 파괴역학적 연구

심현보(Hyun-Bo Shim),서창민(Chang-Min Suh),백운봉(Un-Bong Baek),조인식(In-Sik Cho) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.9

평활재상의 초음파피로시험(UFT, ultrasonic fatigue test)에서 많은 작은 표면균열을 스케치기법으로 도시하여 표면균열의 발생, 성장 및 합체의 거동을 정량적인 자료를 획득하였고, 이것을 파괴역학적으로 분석, 해석하도록 노력하였다. 이 연구결과 UFT피로시험의 평활재상에서는 평균결정입경보다 크고 작은 많은 표면균열이 발생, 성장, 합체하고 주균열에 의하여 수명이 좌우됨을 알았다. 3가지 두께가 다른 시험편의 작은 표면균열의 db/dN-△Kb의 깊이성장특성을 정리하였다. 여기서 응력의존성은 없었고, 다른 연구결과와 비교하면 낮은 △Kb 값과 높은 균열성장속도를 가졌다. UFT피로시험에서 얻어진 많은 작은 표면균열은 불규칙적으로 분포하며, 이 작은 표면균열이 발생, 성장, 합체하면서 파단되는 현상은 RFT(회전굽힘피로시험)의 연구결과와도 부분적으로 유사하였다. In the UFT fatigue test of a smooth specimen, many small surface cracks were sketched, and quantitative data on the initiation, growth and coalescence behavior of the surface cracks were obtained and fracture mechanically analyzed. As a result of this study, it was found that many surface cracks larger or smaller than the average grain size are initiated, grown and coalesced in the smooth specimen of the UFT fatigue test, so that the fatigue life depends on the major cracks. The depth growth characteristics of db/dN- △Kb of small surface cracks of the specimens with three different thicknesses were analyzed. There was no stress dependence demonstrated in the current study, and it showed a low ΔKb value and a high crack growth rate compared with other studies. Many small surface cracks obtained in the UFT fatigue test are distributed irregularly, and the phenomenon that these small surface cracks initiate, grow and coalesce is similar to the results of rotational bending fatigue test(RFT).

표면균열 무해화 기술을 이용한 STS316L 강의 피로특성에 대한 신뢰성 향상

박치영(Chi-Young Park),구경희(Kyoung-Hee Gu),남기우(Ki-Woo Nam) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.9

균열은 강 구조물의 성능 및 신뢰성을 저하시키므로, 많은 연구자는 구조물의 안전 및 유지 관리를 위하여 균열 문제를 해결하려고 노력하고 있다. 최근, 피닝에 의한 압축 잔류 응력의 영향으로 피로 한도를 낮추는 표면균열을 무해화하는 기술이 개발되고 있다. 이 기술을 표면균열 무해화 기술이라 한다. 본 연구에서는 표면균열 무해화 기술로 Ni 12% STS316 강의 신뢰성 향상에 기여하기 위해 연구를 수행하였다. 초음파 피닝(UP: ultrasonic peening)에 의한 무해화 가능 균열 깊이(ahlm)는 압축 잔류응력의 영향이 크다. ahlm은 하한계응력확대계수(ΔKth(l) )와 균열 형상비(As)가 커짐에 따라서 크다. 큰 잔류응력에서 균열은 진전하지 않고 무해화되었다. 또한 가정한 안전율(N)에서의 최대균열 깊이(acrN), ahlm 및 비파괴검사로 검출 가능한 균열 깊이(aNDI)의 관계를 비교하였다. Cracks degrade the performance and reliability of steel structures; hence, researchers are extensively investigating solutions to the crack problem to ensure safety and easy maintenance of structures. A new technique has been developed in this work to render surface cracks harmless, which also reduces the fatigue limit by the influences of compressive residual stress caused by peening; this technique is referred to as surface crack non-damaging technology. This study aims to contribute toward reliability improvement of the of Ni 12% STS316 steel via the surface crack nondamaging technology. The crack depth (ahlm) that could be rendered harmless by ultrasonic peening (UP) was largely dependent on the compressive residual stress. Further, ahlm increased as the crack aspect ratio (As) and threshold stress intensity factor (ΔKth(l)) increase. At large residual stress, the crack did not propagate and were rendered harmless. The relationship between ahlm, aNDI (the crack depth that can detected by nondestructive inspection), and acrN (the maximum crack depth in the assumed safety factor) were compared.

압축응력이 인가된 콘크리트의 열화제어를 위한 표면도막공법의 효과

윤인석 한국구조물진단유지관리공학회 2012 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.16 No.3

콘크리트 표면에 존재하는 균열은 염소이온의 침투에 대한 빠른 침투 통로가 되어 내구성능을 저하시킬 수 있다. 균열을 제어하기 위하여 설계적 측면에서 높은 철근비로 균열폭을 감소시킬 수는 있으나, 이러한 균열이 실질적으로 내구성을 저하시키는데에 따른 검토 및 내구성 향상을 유도할 수 있는 방법이 필요하다. 표면도막공법은 균열폭이 작은 경우에 균열을 실링하여 염소이온 침투를 차단하는데 가장 간단한 방법중의 하나이며, 경제성 대비 성능도 만족할 만 하다. 그래서 표면도막공법이 콘크리트와 균열을 함침하여 유해물질의 침투로 인한 철근의 부식을 제어하기 위한 유효성을 검토하는 연구가 필요하다. 본 연구는 표면도막공법으로 압축응력 인가로 인한 미세균열을 통한 염소이온 침투의 제어 가능성을 검토하고자 하였다. 실험결과는 염소이온은 압축응력 인가율 50~70%, 탄산화는 70~80%의 범위에서 임계응력이 존재하는 것으로 나타났는데, 이 임계치 이상을 초과하게 되면 상대적으로 심각한 열화가 진전되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 표면도막공법은 균열치료효과를 얻는데 유효한 것으로 판단되었다. For cracked concrete, it is obvious that cracks should be preferential channel for the penetration of aggressive substances such as chloride ions according to the previous researches. In order to extend the lifetime of cracked concrete, critical issues in the performance of the concrete is the risk of chloride-induced corrosion. Even though crack width can be reduced due to the high reinforcement ratio, the question is to which extend these cracks may jeopardize the durability of cracked concrete. If the size of crack is small, surface treatment system can be considered as one of the best options to extend the service life of concrete structures exposed to marine environment simply in terms of cost effectiveness versus durability performance. Thus, it should be decided to undertake an experimental study on the effect of surface coating system, which can be able to seal the concrete and the cracks to aggressive substances-induced corrosion in particular. In this study, it is excuted to examine the effect of surfaced treated systems on chloride penetration and carbonation through compressive stress induced cracks. Experimental results have showed conclusively that critical stress linked with deterioration, should be existed in compressive stress ratio 50 ~ 70% for chloride penetration and 70 ~ 80% for carbonation, respectively. When the critical stress is exceeded in concrete, a comparatively large deterioration was measured where the critical stress in concrete, the increase in the mass transportation is marginal in spite of the large increase in micro-cracks. As for the effect of surface coating system on crack-sealing, it can be seen conclusively that cracks can be healed.

경주 감은사지 삼층석탑(서탑)에 발달한 표면균열에 대한 연구

좌용주(Yong-Joo Jwa),김재환(Jae Hwan Kim),박성철(Sung Cheol Park) 한국암석학회 2008 암석학회지 Vol.17 No.4

국보 제 112호로 지정되어 있는 감은사지 삼층석탑(서탑)은 표면 풍화로 인한 훼손 상태가 심각하여 빠른 시간 내에 보수되어야 한다. 표면균열에 대한 부분적인 관찰 결과 2층 탑신면에는 수직균열이 발달한다. 이는 상하로 작용하는 강한 주 압축력에 평행하게 발달한 균열이 더욱 더 성장한 것이라고 판단된다. 균열 성장의 원인에는 이미 존재하던 수직균열을 이용한 화학적 풍화작용 및 생물학적 풍화작용이 가세했을 가능성이 높다. 3층 옥개석의 경우 표면균열은 북동방향과 북서방향으로 교차하는 양상으로 발달하고 있다. 3층 옥개석의 동쪽과 남쪽에서 많은 수의 균열이 관찰되며, 중심축에서 바깥쪽으로 잇는 수직균열과 바깥쪽의 수평균열들이 발달하고 있다. 한편, 3층 옥개석의 서쪽과 북쪽은 균열이 많이는 관찰되지 않으며, 대부분 수평균열이 발달하고 있다. 이는 중심축에서의 압축력이 모든 방향으로 동일하지 않으며, 무게 중심이 동쪽과 남쪽 방향으로 기울어져 이 방향으로 강한 압축력이 제공되는 것으로 판단된다. The west stone pagoda of Gameunsa temple site(National Treasure No. 112) has been seriously damaged by surface weathering, and conservation treatment is needed. In the second story body stone, vertical cracks developed parallel to the main compressional axis. The vertical cracks seem to grow much more with the compression. Chemical and biological weathering along the vertical cracks could have enhanced the crack growth. In the third story capstone, the surface cracks strike toward NE and NW directions, which are intersecting each other. In the eastern and southern parts of the third story capstone, lots of vertical cracks develop along the lines from the axial center to outer rim, whereas horizontal cracks are easily observed at the outer rim of the capstone. On the other hand, a few horizontal cracks develop in the western and northern parts of the third story capstone. This fact indicates that the compression along the vertical axis is not uniform in direction. The west stone pagoda leans toward the east and the south, so it is considered that compression by deviatoric stress prevailed at these directions.

다중 표면균열의 균열형상 이상화 기준 적용성 평가

김종민(Jong-Min Kim),허남수(Nam-Su Huh),최순(Suhn Choi),박근배(Keun-Bae Park),최재붕(Jae-Boong Choi) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

The fracture mechanics assessment parameters, such as the elastic stress intensity factor and the elastic-plastic J-integral, for a surface crack can be significantly affected by adjacent cracks. Regarding such an interaction effect, the relative distance between adjacent cracks, crack aspect ratio and loading condition were known to be important factors for multiple cracks, which affects the fracture mechanics assessment parameters. Although several guidance (ASME Sec. XI, BS7910, British Energy R6 and API RP579) on a crack interaction effect (crack combination rule) have been proposed and used for assessing the interaction effect, each guidance provides different rules for combining multiple surface cracks into a single surface crack. Based on the systematic elastic and elatic-plastic finite element analyses, the present study investigated the acceptability of the crack combination rules provided in the existing guidance, and the relevant recommendations on a crack interaction for in-plane surface cracks in a plate were discussed. To quantify the interaction effect, the elastic stress intensity factor and elastic-plastic J-integral along the crack front were used. As for the loading condition, only axial tension was considered. As a result, BS7910 seems to provide the most relevant crack combination rule for in-plane dual surface cracks, whereas API RP579 provides the most conservative results. In particular, ASME Sec. XI still seems to have some room for a revision to shorten the critical distance between two adjacent cracks for a crack combination. The overall tendency of the elastic-plastic analyses results is identical to that of the elastic analyses results.

베어링강의 어안균열발생 메커니즘과 개재물의 특징

남승훈(Seung-Hoon Nahm),서민수(Min-Soo Suh),서창민(Chang-Min Suh),편영식(Young-Sik Pyun) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.5

STB2-A재와 STB2-R재의 HCF(장수명피로) 범위에서는 표면을 기점으로 하는 표면결함에서 발생한 표면균열에 의해 파괴되는 형태를 취하였고, VHCF(초장수명피로, Nf >10<SUP>6</SUP> 사이클)범위에서는 내부에서 피로균열이 형성되는 어안균열 파괴기구로 되면서 이중 S-N 곡선이 얻어졌다. 이 어안균열의 중심부의 개재물은 TiN, Al₂O₃를 주성분으로 하며, 흔적이 명확하게 발생하였다. 그러나 STB2-B재에서 생긴 어안균열의 중심부는 Cr매트릭스(matrix)이며, 인근부분의 SEM 사진과 EDS분석 결과는 서로 매우 유사하나, SEM사진상에서는 특정 개재물을 판별할 수 없었다. 그리고 이 어안균열 파괴모드가 장수명피로 영역에서도 발생되면서 이중 S-N곡선이 형성되지 않았다. 개재물의 △K는 STB2-A재와 STB2-R재는 5MPa√m에 접근하며, 강재의 △Kth(하한계응력확대계수범위)의 값과 유사하다. 또 어안균열의 △K는 10 MPa√m에 접근하며 타 연구와 일치하는 경향을 나타내었다. 그러나 STB2-B의 어안균열과 개재물의 △K는 STB2-A재와 STB2-R재보다 약간 높은 값을 취하는 경향을 나타내었다. In the HCF range of STB2-A and STB2-R materials, the fracture was caused by the surface crack generated by the surface defects originating from the surface. In the VHCF range (Nf >10<SUP>6</SUP>), the fracture mechanism of the fish-eye crack in which the internal originating fracture type was formed and the duplex S-N curves were obtained for the both bearing steels. At the center of this fish-eye crack, the inclusions consisted mainly of TiN and Al₂O₃. However, the center part of the fish-eye crack generated in STB2-B material was Cr matrix. And the SEM photographs and the EDS analysis results of the neighboring parts of the Cr matrix were very similar to each other, and the inclusions could not be discriminated from the SEM photographs. In addition, this fish-eye crack failure mode also occurred in the long life fatigue region, so that no the duplex S-N curve was formed. ΔK of the inclusions was close to 5 MPa√m for STB2-A and STB2-R materials and was similar to the value of △Kth (threshold stress intensity factor range) of steels. In addition, ΔK of fish-eye crack approached 10 MPa√m and showed a tendency to agree. However, the fish-eye cracks and inclusions of STB2-B material tended to take slightly higher values than the STB2-A and STB2-R materials.

반응표면을 사용한 터빈 휠의 균열성장 수명에 대한 신뢰성 평가

장병욱(Byung-Wook Jang),박정선(Jung-Sun Park) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.4

균열성장 수명에는 구조 형상의 복잡함, 작용하중의 변동, 재료물성 분포 등의 영향으로 불확실성이 포함된다. 따라서 이러한 불확실 인자들에 대해 계산된 수명의 강건성을 확보하기 위해서는 신뢰성 평가가 요구된다. 하지만 형상이 복잡한 터빈 휠의 경우 균열성장 수명 계산의 주요 변수인 응력확대계수의 표현식을 알기 힘들며, 이를 유한요소해석으로 계산하므로 수명 계산 및 신뢰성 평가에 많은 시간이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 균열성장 수명의 반응표면을 사용함으로써 신뢰성 평가의 효율성을 높일 수 있음을 고찰하였다. 이를 위해 형상이 복잡한 터빈 휠을 모델로 유한요소해석으로 생성된 응력확대계수 데이터를 회귀분석하여 근사모델을 생성한 후 응력확대계수의 회귀계수, Paris 계수, 초기균열길이에 대한 균열성장 수명의 반응표면을 생성하여 신뢰성해석에 사용하였다. 신뢰성해석은 몬테카를로 시뮬레이션으로 수행하였으며, 연구결과 반응표면의 사용이 신뢰성 평가시 필요한 균열성장 수명의 계산량을 효과적으로 줄일 수 있었다. In crack growth life, uncertainties are caused by variance of geometry, applied loads and material properties. Therefore, the reliability estimation for these uncertainties is required to keep the robustness of calculated life. The stress intensity factors are the most important variable in crack growth life calculation, but its equation is hard to know for complex geometry, therefore they are processed by the finite element analysis which takes long time. In this paper, the response surface is considered to increase efficiency of the reliability analysis for crack growth life of a turbine wheel. The approximation model of the stress intensity factors is obtained by the regression analysis for FEA data and the response surface of crack growth life is generated for selected factors. The reliability analysis is operated by the Monte Carlo Simulation for the response surface. The results indicate that the response surface could reduce computations that need for reliability analysis for the turbine wheel, which is hard to derive stress intensity factor equation, successfully.