초음파 피로시험 방법 및 응용과 사례

조인식(Insik Cho),이창순(Changsoon Lee),편영식(Youngshik Pyoun),박인규(Ingyu Park),김병훈(Byounghoon Kim) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11

An ultrasonic fatigue testing device, capable of fracturing the tested materials at an ultrasonic frequency of 20 ㎑ is demonstrated. Such a testing device, operating at high frequencies, not only reduces the testing time to far less than that of conventional testing machines, but may also better simulate extremely high-frequency loading and the strong influence of strain rate on the fatigue behavior of the tested materials. This makes the development of an ultrasonic fatigue testing device for testing materials is an important endeavor. Very high cycle fatigue of Al 6061-T6 alloy was investigated using accelerated ultrasonic fatigue testing at 20 ㎑ under completely reserved loading conditions (R=-1) on a piezoelectric machine which was developed by DaeJin Science Co., Ltd. In this study, the ultrasonic fatigue tests were conducted in the range of 10?~10? fatigue fracture cycles, while testing maximum amplitude stress (S) was 117.76 ㎫ at gigacycle. Scanning electron microscopy (SEM) analyses were carried out and the results show that three crack fracture modes were observed.

초음파 피로시험법의 규격화를 위한 기술 분석

김재우(Jae Woo Kim),조다희(Da Hee Cho),장광주(Gwang Ju Jang),박중철(Joong Cheul Park),이영철(Yeong Cheol Lee),구병춘(Byeong Choon Goo),조인식(In Sik Cho) 대한기계학회 2018 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.6 No.2

초음파 피로시험은 20㎑의 진동자를 이용한 가속피로시험기술로써 본 논문에서는 초음파피로시험선진기술의 동향을 분석하기 위하여 전문학술대회인 VHCF-6, 7(Very High Cycle Fatigue)에서 발표된 논문들을 위주로 새로운 아이디어의 장치 시스템 연구자료 소개와 각각의 기술적인 장점과 단점에 대하여 제시하고자 하였으며, 다양한 소재와 시편 형상들에 대한 방법으로 동탄성계수 측정관련 기술의 필요성을 설명하고자 하였다. 또한 국내에서 자체적으로 수행된 다양한 연구결과를 토대로 초음파 피로시험의 국내 신뢰성평가 기준 공고 소개와 추후 진행 중인, 응력비 변환과 저온 분위기등 다양한 조건과 요구에 대응할 수 있는 기반기술을 소개하고자 하였다. Ultrasonic fatigue test is an accelerated fatigue test technique using a 20㎑ oscillator. In this paper, in order to analyze the trend of the advanced technology of ultrasound fatigue tester (UFT), whose detailed information can be found in the conference papers published in VHCF-6 (2011), VHCF-7 (2014) (Very High Cycle Fatigue). dynamic young`s modulus, which can be obtained from acoustic test according to the ASTM E1875 standard. is required in order to obtain the maximum stress amplitude. The purpose of this paper is to present the research results of the UFT system and its technical advantages and disadvantages. Based on the experimental results of various studies performed at different stress ratio and cryogenic temperatures, the introduction of the reliability evaluation standard of the UFT system was presented.

초음파 가속피로시험 적용 사례 및 연구 동향

조인식(In Sik Cho),신충식(Choong shig Shin),김종엽(Jong Yup Kim),전용호(Yong ho Jeon) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.6

본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 초고주기 피로시험 연구를 통하여 사이클에 따른 파단면 관찰결과 2가지 타입으로 명확히 구분되는 것을 확인할 수 있었다. 첫번째로 106사이클 범위에서 확인할 수 있는 것은 표면부에서 피로크랙 사이트가 시작된 전형적인 피로 파단면이다. 두번째는 107~109사이클에서는 확연히 다른 피로파단 양상으로, 표면으로부터 500 ㎛ 내부에서 피로크랙 사이트가 시작되어 크게 박리되어 나간 형상으로, 크랙 사이트 주변을 관찰한 결과 미세한 마이크로 크랙들이 입계파괴 양상으로 형성되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 내부 크랙 사이트 피로거동에 대한 연구결과와 본 시험에서 사용된 초음파피로시험기술의 이론 및 적용사례를 소개하고 현재 활발히 진행중인 연구동향을 밝히고자 한다. Very high cycle fatigue (VHCF) behavior of aerospace components has emerged much attention due to their long service life. In this study, a piezoelectric ultrasonic fatigue testing (UFT) system has been developed by Mbrosiatec Co., Ltd. to study the high cycle fatigue (HCF) strength of Ti-6Al-4V alloy. Hourglass-shaped specimens have been investigated in the range from 10? to 10? cycles at room temperature under completely reversed R = ?1 loading conditions,. Scanning electron microscopy (SEM) analysis revealed that failures occurred in the entire range up to the gigacycle regime, and the fractures have beenfound to be initiated from the surface, unlike in steels. However, it was found from the SEM microgprahs that microcracks transformed into intergranular fractures. Thus, it can be concluded from according to the results that this test method can be applicable to commercialized automotive and railroad parts that require high cycle fatigue strength.

초음파피로시험법을 이용한 티타튬 합금의 브레이징 접합강도 평가

안종기(Jongkee Ahn),이동엽(Dongyeop Lee),김태형(Taehyung Kim),신동익(Dongick Shin),조인식(Insik Cho),김동훈(Donghoon Kim) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

쉬라우드 임펠러(Shroud impeller) 제작시, 커버와 블레이드 접합을 위해 브레이징(Brazing) 공법을 활용중으로 브레이징공법은 450°C 이상에서 접합하고자 하는 모재(Base Metal)의 용융점(Melting Point) 이하에서 모재는 상하지 않고 용가재(Filler Metal)를 사용하여 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술을 의미한다. 일펠러로 사용되는 고온구조재료 티타늄합금에 대해 용가재는 TiCuNi 합금을 사용하였으며, 초고주기 환경에서의 피로강도를 검증하기 위해 최근 유럽과 일본을 중심으로 활발하게 연구되어지고 있는 20KHz 초음파 피로시험법을 활용하여 브레이징과 모재와의 접합피로강도 평가를 새롭게 적용하고자 하였다. 따라서 브레이징 접합 초음파피로강도시험을 위해서는 우선적으로 수십㎛의 접합층이 시험편 정중앙에 위치할 수 있도록 설계하여야 한다. 이는 초음파피로시험편은 Hourglass타입으로 최대응력진폭이 시편 정중앙에 집중되기 때문이며, 이에 맞추어 동탄성계수측정을 통한 공진시험편 설계와 정밀 가공이 이루어져야 한다. 따라서 본 논문에서는 모재부와 브레이징 접합 피로강도를 비교 평가 하고자 하였으며, 그에 따른 브레이징 공법의 신뢰성 분석 및 피로파괴 거동을 분석하고자 하였다. Shroud impeller during production, cover and into the brazing process utilizing the brazing process for bonding blade below 450℃ melting point of base metal to be joined at the base to bond two or more base by applying heat using a filler metal. Filler metal for high temperature structural materials of titanium alloy is used as a filler made of TiCuNi alloy. In order to verify the fatigue strength of the ultra-high frequency environment recently been actively studied mainly in Europe and Japan, by utilizing 20kHz ultrasonic fatigue test was to apply a new law being fatigue strength of the brazed joint and the base metal. Thus, for the brazing joint strength of the ultrasonic fatigue test should be designed to position the specimen in the center of the bonding layer. This is because the maximum stress amplitude in ultrasonic fatigue testing is in the center of the hourglass type specimen, where the dynamic elastic modulus is determined according to the resonant design and precision-machined specimens. Therefore, in this paper, the fatigue strength of base metal brazed joint was evaluated and compared. There liability analysis and fatigue fracture behavior of the brazing were analyzed accordingly.

초음파 피로시험편 결정법의 연구동향

명노준(No-Jun Myeong),한승욱(Seung-Wook Han),박정훈(Jung-Hoon Park),최낙삼(Nak-Sam Choi) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.8

본 논문에서는 초고주기피로영역(VHCF)에 대한 가속시험 방법인 초음파 피로시험을 소개하고 이와 관련된 이론을 검토하였다. 초음파피로시험은 20 kHz 영역에서 시험편의 공진을 이용하므로 동탄성계수와 파장을 고려하여 시험편의 길이와 형상을 설계하여야 한다. 공진시험을 통하여 20 kHz 에 맞는 파장을 구하고 시험편의 길이와 동탄성계수를 계산한다. 이렇게 계산된 시험편의 형상과 시험시 형성되는 변위값을 측정하여 응력을 구한다. 초음파 피로시험결과는 기존의 피로시험법에 따른 결과와 비교되어 주파수 및 시험편 형상의 효과가 검증되어야 한다. An accelerated ultrasonic fatigue test(UFT) has been used for analyzing very high cycle fatigue(VHCF, Nf >10?). This study reviews how the test specimen is to be determined. We focus on UFT using a resonance of 20 kHz. The specimen geometry is determined by selecting test materials by using a dynamic Young’s modulus and wavelength of 20 kHz. The dynamic Young’s modulus is calculated at the resonant frequency. Through a resonant vibration test at 20 kHz, the length of the specimen is calculated. By determining the shape of the specimen, the stress during the UFT is calculated. The UFT results should be comparable at the test frequency and the specimen geometry obtained by the conventional fatigue tests.

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).

소성가공에 따른 STS 304L 재료의 기계적 특성 및 피로평가

심현보(Hyun-Bo Shim),김영균(Young-Kyun Kim),서창민(Chang-Min Suh) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集A Vol.41 No.7

STS 304L 강재의 냉간압연율의 증가에 따라 t가 1.5 mm에서 1.1 mm까지 감소하면 인장강도, 항복 강도, 경도치 및 UFT피로시험의 피로한도는 선형적으로 증가하였다. t=1.5 mm, t=1.4 mm, t=1.3 mm 및 t=1.1 mm인 4가지 시험편의 UFT피로시험(R= 1)결과, 회전굽힘피로시험(R= 1)의 결과처럼 106 영역에서 S-N곡선의 피로한도가 절점(knee point)을 형성하였고, 기가사이클 피로에서 생기는 현상인 피로한도가 추가로 감소하지않았다. 또 t=1.1 mm인 경우 가장 높은 피로한도 345 MPa로 되었고, 원소재(t=1.5 mm)에 대하여 64.3 % 증가하였다. 냉간압연율에 따른 UFT피로시험결과 많은 작은 표면균열이 티어링(tearing)하면서 발생, 성장, 서로 합체하였다. The purpose of this study is to investigate the influence of the cold reduction rate and an ultrasonic fatigue test (UFT) on the fatigue behaviors of STS 304L. The tensile strength, yield strength, hardness value and fatigue limit in the UFT fatigue test linearly increased as thickness decreased from 1.5 mm to 1.1 mm, as the cold reduction rate of STS 304L increased. As a result of the UFT fatigue test (R = -1) of four specimens, the fatigue limit of the S-N curve formed a knee point in the region of 106, and the 2nd fatigue limit caused by giga cycle fatigue did not appeared. In the case of t = 1.1 mm, the highest fatigue limit was 345 MPa, which was 64.3% higher than the original material (t = 1.5 mm). As a result of the UFT fatigue test of STS 304L, many small surface cracks occurred, grown, coalesced while tearing.

Ti-6Al-4V 합금의 초고주기 피로특성 평가

조인식(Insik Cho),전용호(Yongho Jeon),신충식(Choongshig Shin),곽동호(Dongho Kwak),이지용(Jiyong Lee) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.10

Due to the extensive long service life for aero-space components, the behavior of very high cycle fatigue(VHCF) is gained attention. For this reason, the newly developed piezoelectric ultrasonic fatigue test (UFT) system by Mbrosiatec Co. Ltd is used to investigate the high cycle fatigue (HCF) strength of Ti-6Al-4V alloy. The hourglass-shaped specimens are investigated in the range of 10<SUP>6</SUP> to 10<SUP>9</SUP> cycles at room temperature under completely reversed loading conditions R=-1. Scanning electron microscopy(SEM) analysis revealed that failures occur right up to the gigacycle regime, with the fractures being found to initiate from the surface unlike in steels. In addition, SEM micrographs showed that micro-cracks were transformed into intergranular fracture. Additionally, this test method can be applicable on commercialized parts of automotive and rail road which are required high cycle fatigue. In addition, SEM micrographs showed that micro-cracks were transformed into intergranular fracture.

초음파피로 시험평가 신뢰성 규격화를 위한 방법

조인식(InSik Cho),박중철(JungCheol Park),구병춘(ByeongChoon Goo) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11

Evaluation of the test is based on the ultrasonic fatigue test method for a material which requires high cycle fatigue life and basic fatigue tests with standard KS B ISO 1099 and is designated as ASTM E 466 and the main difference is in the way of the load based on the load and the load added by using an ultrasonic acoustic resonance. UFT utilizes a piezoelectric oscillator(piezoelectric actuator) to generate an ultrasonic waves train at a frequency of 20 ㎑ and it amplifies the amplitude to which a fatigue test can be performed. In UFT, the maximum displacement occurs at the end of the specimen, while the maximum stress amplitude occurs in the center of the specimen. Dynamic Young`s modulus is required in order to obtain the maximum stress amplitude which can be obtained from acoustic test according to the ASTM E1875 standard. Therefore, the evaluation method of UFT machine and test methods and processes, related fields overseas research trends and technological level and reliability need to be standardized.

열피로 균열에 대한 위상배열 초음파 탐상 검사 정확도 및 유용성 평가

안형근,황웅기,김재성,박익근 한국비파괴검사학회 2019 한국비파괴검사학회지 Vol.39 No.4

Thermal fatigue cracking is one of the flaws that can occur in nuclear power plant components and cause problems in maintaining the integrity of nuclear power plants. Therefore, to prevent such problems, nondestructive testing of nuclear power plant components is being performed. Radiographic testing and ultrasonic testing are the primary applied as the inspection methods for components. However, radiographic testing is decreasing in proportion because of radiation exposure and nuclear safety regulations. Alternatively, the proportion of ultrasonic testing is increasing. In particular, phased array ultrasonic testing is applied, replacing a wide range of tests, such as radiographic testing. In this study, the accuracy and usefulness of phased array ultrasonic depth sizing of weldment cracks and artificial flaws are investigated through the evaluation of the average error and RMS error values. 열피로 균열은 원자력 발전소 주요기기에서 발생될 수 있는 결함 중 하나로, 균열 발생 시 원전의 건전성 유지에 문제를 야기할 수 있다. 이에 따라, 이러한 문제가 발생되지 않도록 원전에서는 주요기기에 대해 비파괴 검사를 수행하고 있다. 주로 적용되는 검사 방법으로는 방사선투과 검사와 초음파탐상 검사가 있으나, 최근 방사선투과 검사는 방사선 피폭에 의한 사건·사고와 원자력 안전 규제에 따라 활용 비중이 줄어들고 있으며, 대안으로 초음파 검사의 비중이 높아지고 있다. 특히, 방사선투과 검사와 같이 넓은 범위의 검사가 가능한 위상배열 초음파 탐상 검사가 대두되고 있다. 본 논문에서는 STS 304 배관에 인공결함을 제작한 시험편과 동종 용접한 배관에 열피로 균열을 제작하여, 위상배열 초음파 탐상 깊이 측정 결과의 Average error와 RMS error를 평가하여 정확도와 유용성을 검토하고자 한다.