[구조역학실험] CTOD (Crack Tip Opening Displacement Test) Test

소개글

[구조역학실험] CTOD (Crack Tip Opening Displacement Test) Test에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 기본 이론
　2.1 인성 (Toughness)
　　(1) 인성 (Toughness)의 정의
　　(2) 연성 재료(Ductile Material), 취성 재료(Brittle Material)
　　(3) Notch Toughness (노치인성)
　　(4) Tensile Toughness (인장 인성)
　2.2 파괴 역학 (Fracture Mechanics)
　　(1) 파괴 역학 (Fracture Mechanics)의 정의
　　(2) 응력 확대 계수 (Stress Intensity Factor) : K
　　(3) 선형 탄성 파괴역학(Linear Elastic Fracture Mechanics : LEFM)
　　(4) 탄소성 파괴역학(Elastic Plastic Fracture Mechanics: EPFM)
　　(5) 균열의 종류와 각각의 변형양식
　2.3 파괴 인성 (Fracture Toughness)
　　(1) 파괴 인성 (Fracture Toughness)의 정의
　　(2) KIC
　　(3) JIC
　　(4) CTOD (Crack Tip Opening Displacement Test)
3. 실험 장비
　3.1 Universal Testing Machine (UTM)
　3.2 COD(Crack Opening Displacement) Gauges
　3.3 실험 시편
4. 실험 방법
5. 실험 결과
　5.1 인장 인성 (Tensile Toughness)
　　(1) Simson의 제 1법칙
　　(2) Trapezoid(사다리꼴) 법칙
　5.2 설계한 시편 형상
　5.3 실험 온도
　5.4 실험 속도
　5.5 시편의 종류 / 항복 및 인장 강도
　5.6 소성 노치 개구 변위()
　5.7 Pmax
　5.8 Validity Check
　5.9 CTOD (Crack Tip Opening Displacement Test)
　5.10 Rate of K(Stress Intensity Factor)
　5.11 결과 데이터 정리
6. 실험 고찰
7. 참고 문헌

본문내용

의된다.
(K: Stress Intensity Factor, : Poisson\'s Ratio, : 항복응력, : 탄성계수, W: 너비,
: 초기 균열 길이, : 소성 노치 개구 변위)
위 식에 K=4921.877(), =0.308, =371.5(MPa), =191700(MPa), W=64(mm), =32.1(mm), =11.17061(mm), z=0 을 대입하면 CTOD는 다음과 같다.
5.10 Rate of K(Stress Intensity Factor)
- 탄성구간 에서 Time-Load Curve를 Time-K Curve로 변환한다. 식 의 F에 Load값을 대입하면 K를 얻을 수 있다.
Load(N)
2485.95
4988.7
7491.44
9994.19
11371.5
………………
⇒ K()
103.934109
208.5706027
313.2066782
417.8431718
475.4265857
………………
- 변환된 K값을 Time-K 평면상에 Floating 한 후, 데이터에 대한 추세선을 삽입하고 추세식을 확인한다.
변환 과정 및 추세선 삽입에는 Microsoft Office Excel을 이용한다.
Fig5.12 Time-K 평면상에서의 Data Floating 및 추세선 삽입
- 추세선의 방정식은 Fig5.12 에서 볼 수 있듯이 이다.
- 이 때 ‘추세선의 기울기’가 곧 ‘Rate of K(Stress Intensity Factor)’이다.
5.11 결과 데이터 정리
- 실험 기본 조건
실험 온도
실험 속도
강재 종류
항복 응력
인장 응력
7
1mm/min
EH36
371.5MPa
523.8MPa
- 실험 결과 데이터 값
Validity
K
CTOD
Rate of K
11.1616 (mm)
117724
(N)
Valid
4921.877
()
3.3313
(mm)
1.278
()
6. 실험 고찰
▷ 이번 실험은 CTOD Test로 Notch와 Crack이 존재하는 실험 시편에 COD 게이지를 부착한 후에 UTM을 이용해서 3 Point Bending Test를 하고, 측정된 COD 및 Load값을 이용하여 CTOD를 구해보는 실험이었다. 실험 초반에는 Bending Test와 굉장히 비슷하다고 생각했다. 하지만 Bending Test때의 시편은 매끈했고 이번 실험 시편은 노치와 크랙이 존재하며 COD게이지를 부착했다는 점에서 달랐다. 실제 구조물이 일반적인 시편처럼 매끈하게 생기진 않았기 때문에 노치와 크랙이 존재하는 시편으로 실험한 것이 좀 더 일반적인 구조물 형상의 특징을 반영했다고 생각해서 Bending Test보다는 한 차원 심화된 실험이라는 생각이 들었다.
▷ 실험 당시 사용한 시편의 종류는 EH36이었고 이론상 이 부재의 항복응력은 355MPa이라고 배운 적이 있다. 하지만 조교님께서 직접 말해주신 항복응력은 371.5MPa로 이론 치 보다는 좀 컸다. 아마도 실험 할 당시의 온도를 반영하였거나 일정한 기준의 온도에서의 (예를 들어 0도) 항복응력을 말씀해 주시지 않았나 싶다.
▷ CTOD는 재료의 파괴인성을 나타내주는 하나의 매개변수로 쓰인다. CTOD의 값이 높다는 것은 재료의 파괴인성이 높다는 것을 의미한다. 본 실험 결과 CTOD=3.3313mm 가 나왔다. 실험당시 조교님께서 CTOD 값이 3mm 이하 또는 그 근처일 것이라고 말씀해 주셨는데 예상보다는 조금 컸지만 만족할만한 결과이다. 다만 다른 클래스의 사람들과 비교했을 때 CTOD값이 컸는데 본 실험 시편의 파괴인성이 상대적으로 컸다는 결론을 내릴 수 있었다.
▷ CTOD값을 구하는 식은 아래와 같다.
(이 때, )
본 실험은 다른 파괴 실험(인장, 굽힘 등)들과는 달리 결과에 영향을 미치는 요소들이 굉장히 많다는 것을 위에 식을 보아도 알 수 있다. CTOD 값이 다양한 변수들에 좌우되는 만큼 잘 구한 결과 데이터는 재료의 파괴인성을 판단하는데 매우 신뢰할만한 데이터이며 유용하게 쓰일 것이라고 예상한다.
▷ 실험 결과분석에 이용한 COD-Load 그래프가 계속해서 증가하는 형태인 이유는, COD gage가 측정할 수 있는 최댓값(12mm)에 도달하기 전까지 소성 균열이 발생하지 않았기 때문이다.
▷ Rate of K 값이 가지는 의의를 다음과 같이 생각해보았다. UTM으로 시편을 Bending시킬 때 갑작스러운 응력 집중으로 시편에 예상치 못한 소성변형이 발생되면 실험을 제대로 진행 할 수 없음은 물론이고 결과 값도 신뢰할 수 없게 된다. 이러한 상황을 방지하기 위해서 응력 확대 계수 K의 비율인 Rate of K를 확인하고 일정 수준으로 유지시켜주는 것이 의미가 있다고 생각된다.
▷ 이번 실험을 통해 파괴 인성(Fracture toughness)이 무엇이며 CTOD가 파괴 인성을 나타내는 중요한 파라미터라는 것을 알 수 있었다. 결과 분석 시 이전 4가지 실험의 결과 분석 방법이 조금씩 포함되었을 만큼 복잡했지만, 그만큼 버라이어티하고 모든 것을 아우르는 실험이었다고 생각한다. 올 해 처음 실시한 실험이고 CTOD에 관련된 자료도 충분 하지 않아서 결과 분석에 애를 많이 먹었지만 스스로 보고서를 완성하게 되어 기쁘다. 개인적으로 재료나 구조에 관심이 많았지만, 정확히 알고 있었거나 말로 설명 할 수 있는 것은 거의 없었다. 이번학기 구조역학실험을 통해 이론적으로도 많이 알게 되었지만 내 스스로 재료나 구조적 현상에 대해 간단하게나마 설명할 수 있게 되어서 굉장히 기쁘다.
7. 참고 문헌
(1) William D. Callister 저, “재료과학”, 교보문고, 2001
(2) 최재하 저, “공업재료강도학”, 원창출판사, 2003
(3) 임상전 저, “재료역학”, 문운당, 2005
(4) 김재근 저, “재료시험법”, 원창출판사, 2009
(5) BSI, “Fracture mechanics toughness tests part1”, BSI Publications, 1991
(6) Tom Jarvie, “CTOD : Using Materials Testing to Control Cracks”, Stork Southwestern Laboratories, 2004

키워드

CTOD,   Crack Tip Opening Displacement,   인성,   파괴역학,   응력 확대,   파괴인성,   UTM,   Stress Intensity Factor