Estimation of cyclic deformation and static fracture characteristic of metallic materials using cyclic/static indentation test

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Structural integrity concerns with the ability of a structure or component to support the designed service load without failure caused by deformation, fracture or fatigue. To construct an item with structural integrity, an engineer must first consider the mechanical properties of the material, such as strength, hardness, fracture toughness and fatigue properties and then determine a suitable size, thickness, or shape that will endure the necessary loading for a long lifetime. In many cases, structural failure occurs because of changes in the material’s mechanical properties due to degradation or embrittlement, so that measuring the in-situ mechanical properties of in-service structural components is required to assess structural integrity. Fatigue properties and fracture toughness, which are among the most important properties required for structural integrity, can be determined using standardized test methods such as those developed by ASTM and BS. However, these methods cannot be applied directly to in-service structures or to small-volume regions of material such as the weld zone because they require specific specimen dimensions and complex test procedures. For this reason, an alternative test method to measure in-situ mechanical properties has been developed. Instrumented indentation testing (IIT), developed for nondestructive testing of in field structures, can be used to measure such mechanical properties as hardness, elastic modulus, tensile properties, residual stress, and fracture toughness by analysis of the indentation load-depth curve. IIT makes just a small indent on the material surface and hence can be applied in in-situ and in-field measurement as nondestructive mechanical testing as well as for property mapping by local area testing on multi-scale levels. Most studies on instrumented indentation testing have focused on static indentation testing, and little work has been done on cyclic indentation testing. Cyclic indentation testing has great potential to complement conventional cyclic or fatigue testing because the advantages of static IIT also apply to cyclic indentation. In this thesis, we adapt cyclic instrumented indentation testing to evaluate fatigue properties. Two kinds of control mode on cyclic indentation are used; cyclic indentation depth-controlled mode and cyclic indentation load-controlled mode. In cyclic indentation depth-controlled testing, hysteresis loop observed in indentation load-depth and is found to be caused by Bauschinger effect induced by kinematic hardening. Therefore, we develop a model for evaluating the uniaxial Bauschinger effect, which is also called backstress. In the load-controlled test, we observed that indentation depth continuously increases and saturates at a certain cycle. We analyze this phenomenon in terms of hardening behavior and confirm that increase in indentation depth behavior is similar to uniaxial ratcheting behavior. Therefore, we develop the new model for estimating material ratcheting property. The estimated Bauschinger effect and material ratcheting property were compared to values obtained in conventional fatigue tests.
In addition, static flat punch indentation is also used to develop a criterion for estimating fracture characteristics. For ductile materials like metals, cracking does not occur during indentation. Many researchers have worked to estimate the fracture toughness of metallic materials using instrumented indentation testing and trying to develop theoretical or experimental models. Most such models are one of two types: the models for brittle metallic materials or the models for ductile metallic materials. For brittle metallic materials, the estimated fracture toughness has been limited to specific ranges for relatively low fracture toughness (KJC < 120 MPa·m0.5), that is, in the lower shelf region of the ductile-brittle transition curve. For ductile metallic materials, the estimated fracture toughness has been limited to a specific range for relatively large fracture toughness (KJC > 250 MPa·m0.5) or in the upper shelf region of the ductile-brittle transition curve. Therefore, distinguishing the two types of model or selecting a specific models are important issues. We propose a criterion for estimating whether a material is in the range of brittle fracture characteristic (KJC < 120 MPa·m0.5) or ductile fracture characteristic (KJC > 250 MPa·m0.5) using static flat punch indentation. The two key factors for developing the criterion are determined based on equivalence of fracture mechanics and contact mechanics. The fracture toughness values of 23 kinds of materials obtained from conventional fracture toughness testing are compared to the proposed criterion for verification.

국문 초록 (Abstract)

구조 건전성은 변형, 파괴, 혹은 피로에 의한 파손 없이 설계된 가동하중을 견딜 수 있는 구조 혹은 부품의 능력을 의미한다. 구조 건전성이 있는 구조물을 설계 및 건설하기 위해서 공학자는 반드시 강도, 경도, 파괴인성 및 피로물성과 같은 재료의 기계적 물성을 고려해야 하고, 장수명을 위해 요구되는 하중을 견딜 수 있는 적합한 크기, 두께, 형상을 결정해야 한다. 많은 파손사례에 있어 구조의 파손은 열화 혹은 취화에 의한 재료의 기계적 물성의 변화에 의해 발생하므로 구조건전성 평가를 위해 가동 중 구조물의 부품의 기계적 물성을 평가하는 것은 중요하다.
구조건전성을 위해 평가가 요구되는 가장 중요한 물성 중에 피로물성과 파괴인성은 ASTM과 BS에 의해 개발된 표준화된 시험법을 통해 결정된다. 그러나, 이러한 시험법은 특수한 시험편 크기 및 형상과 복잡한 시험절차를 요구하기 때문에 가동 중 구조물 혹은 용접부와 같은 재료의 국부 영역에 직접적으로 적용될 수 없다. 이와 같은 한계로 인해, 기존 표준 시험법을 보완, 대체할 수 있는 시험법이 개발되어 왔다.
현장의 가동 중 구조물을 비파괴적으로 평가하기 위해 개발된 연속압입시험법은 압입하중 및 깊이를 분석하여 경도, 탄성계수, 인장물성, 잔류응력 및 파괴인성과 같은 다양한 기계적 물성을 평가할 수 있다. 연속압입시험은 시험 후 재료표면에 아주 작은 압흔만을 남기기 때문에 비파괴 시험법으로써 가동 중 실시간 평가가 가능할 뿐만 아니라, 나노스케일에서 매크로스케일까지 시험하중을 조절함으로써 국부 영역 물성을 맵핑하여 평가하는 것이 가능하다. 이러한 연속압입시험에 대한 대부분의 연구는 주로 정적인 하중을 인가하는 정적압입시험에 초점을 맞춰 진행되어 왔다. 반면 동적인 하중을 반복적으로 인가하는 반복압입시험에 대한 연구는 반복압입하중에 대해 나타나는 재료의 현상을 해석하는 현상론적인 접근이 시도되고 있으나, 기존 시험법의 피로물성과 연관시키기 위한 연구는 아직 초기단계이다. 반복압입시험은 기존의 정적압입시험의 장점을 그대로 적용하여, 기존 표준화된 피로시험법을 보완 및 대체할 수 있다는 점에서 큰 가능성을 가진다. 따라서 본 논문에서는 구형압입자를 활용한 반복압입시험을 통해 구조건전성 평가를 위해 중요한 피로특성인 재료의 바우징거 효과와 라체팅 물성을 평가하는 모델을 개발하였다.
모델 개발을 위해 실험적으로 두 가지의 제어방식이 (변위제어 방식과 하중제어 방식) 활용되었다. 반복 변위제어 시험방식에서는 압입하중-변위커브 상에서 히스테리시스 루프가 나타남을 확인하였다. 접촉역학을 활용한 응력해석을 통해 압입 히스테리시스 루프는 이동성 경화에 기인한 바우징거 효과에 의해 발생함을 규명하였다. 압입시험에서 발생하는 바우징거 효과를 대표응력-변형률 방법을 도입하여 기존 표준화된 일축시험에서 나타나는 바우징거 효과와 연관성이 있음을 유도하였다. 이로부터 반복압입시험으로부터 기존 일축피로시험의 바우징거 효과를 예측할 수 있는 새로운 모델을 개발하였다.
반복 하중제어 시험방식에서는 반복적으로 압입하중이 인가됨에 따라 압입깊이가 계속적으로 증가하다가 특정 반복 하중 싸이클에서 수렴하는 현상이 관찰되었다. 우리는 이 현상을 재료의 경화거동 관점에서 해석하였고, 압입깊이가 증가하는 거동과 일축피로시험의 라체팅 거동이 동등함을 확인하였다. 이로부터 우리는 재료의 라체팅 물성을 예측할 수 있는 새로운 모델을 개발하였다. 모델로부터 예측된 바우징거 효과와 재료 라체팅 물성은 기존 피로시험에서 도출된 결과와 비교하여 유효성을 검증하였다.
또한, 정적 플랫펀치 압입시험을 활용하여 정적 파괴특성을 평가하기 위한 기준을 개발하였다. 금속과 같은 연성재료는 압입시험에서 균열이 발생하지 않기 때문에, 많은 연구자들은 연속압입시험을 통해 금속재료의 파괴인성을 평가 하기 위해 실험적 혹은 이론적 모델을 개발하여 왔다. 대부분은 모델은 재료의 파괴거동에 따라 취성금속재료에 대한 모델과 연성금속재료에 대한 모델로 구분되었다. 취성금속재료 모델에서 예측된 파괴인성 값은 연성취성천이곡선의 하부온도영역에 해당하는 상대적으로 낮은 범위(KJC < 120 MPa·m0.5)에 한정되어 있고, 연성금속재료 모델에서 예측된 파괴인성 값은 연성취성천이곡선의 상부온도영역에 해당하는 상대적으로 높은 범위 (KJC > 250 MPa·m0.5)에 한정되어 있다. 따라서 이 두 모델을 구분을 하는 것이 압입파괴인성 모델을 가동 중 구조물에 적용하는 데 있어 중요한 이슈이다. 우리는 플랫펀치 압입자를 활용하여 두 타입의 모델을 구분하기 위해 두 개의 중요한 인자를 제안하였다. 이 두 개의 인자는 플랫 펀치 압입자 모서리와 균열 첨단의 응력 동등성과 압입자 하부 소성역 증가거동을 기반으로 압입커브에서 직접적으로 유도되는 파라미터로부터 결정되었다. 결정된 인자들로부터 개발된 파괴기준은 23종의 금속재료에 대해 표준 파괴인성 시험법으로부터 측정된 결과와 비교하여 유효성이 검증되었다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Objective and Scope of this Study 2
• 1.2. Outline of the Thesis 7
• Chapter 2. Research Background 8
• 2.1. Cyclic stress-strain behavior 9
• 2.1.1. Cyclic hardening and softening 9
• 2.1.2. Bauschinger effect 10
• 2.1.3. Ratcheting or Cyclic creep 15
• 2.2. Fracture Mechanics 24
• 2.2.1. Stress Analysis of Cracks 24
• 2.2.2. Fracture Toughness Parameters 28
• 2.2.3. Equivalence of Fracture mechanics and Contact mechanics 40
• 2.3. Instrumented Indentation Testing 47
• 2.3.1. Introduction and Application 47
• 2.3.2. Static Indentation for Estimating Fracture Toughness 66
• 2.3.3. Cyclic Indentation for Estimating Fatigue properties 78
• Chapter 3. Estimation of fatigue properties using cyclic indentation 86
• 3.1 Motivation and Research Flow 87
• 3.2. Estimation of Bauschinger effect 89
• 3.2.1 Introduction 89
• 3.2.2 Theoretical Modeling 90
• 3.2.3 Experimental Verification 96
• 3.3 Estimation of Material Ratcheting Property 108
• 3.3.1 Introduction 108
• 3.3.2 Phenomenological Modeling 111
• 3.3.3 Experimental Verification 115
• Chapter 4. Development of Fracture criterion using static indentation 125
• 4.1. Introduction 126
• 4.2. Empirical Modeling 129
• 4.3. Experimental Verification 135
• Chapter 5. Conclusions 148
• Reference 151
• Abstract in Korean 159
• List of Publications 163