파괴 인성의 개념은 금속의 인성만을 나타내는 간단한 정성 테스트인 Charpy-V 테스트에 대해 논의한 이전 Connect 기사인 Job knowledge 71에서 소개되었습니다.
다음 몇 개의 기사에서는 사용 조건을 대표하는 하중이 있는 균열이 포함된 전체 크기 시편을 사용하여 파괴 인성을 정량적으로 정확하게 측정할 수 있는 테스트를 살펴봅니다.
이를 통해 임계 결함 크기를 계산할 수 있는 용도 적합성 분석을 수행할 수 있습니다. 따라서 제조 전에 현실적인 수용 표준을 설정하고 적절한 NDE 기술 및 검출 감도에 대한 결정을 내릴 수 있습니다.
이미 사용 중인 장비의 경우 수리 또는 교체가 이루어질 때까지 금이 가거나 결함이 있는 구성 요소를 계속 사용하는 것을 정당화할 수 있습니다. 이러한 엔지니어링 크리티컬 평가는 운영자에게 많은 시간과 비용을 절약할 수 있으며, 예를 들어 석유 굴착 장치의 경우 수억 파운드에 달할 수 있습니다. CTOD (Crack Tip Opening Displacement) 테스트는 금속의 특성화를 위해 개발되었지만 용접 가능한 플라스틱과 같은 비금속의 인성을 결정하는 데에도 사용되었습니다.
CTOD 시험은 파손 전에 소성 변형이 발생할 수 있을 때 사용되는 파괴 인성 시험 중 하나로, 이를 통해 균열의 끝이 늘어나고 열리므로 '팁 개방 변위'가 발생합니다.
뭉툭한 가공 노치가 있는 저렴한 10mm x 10mm 정사각형 Charpy-V 시험편과 달리 CTOD 시편은 재료의 전체 두께일 수 있으며 실제 균열을 포함하며 서비스 조건을 더 잘 나타내는 속도로 로드됩니다. 일반적으로 결과의 일관성을 보장하기 위해 관련 온도에서 세 가지 테스트가 수행됩니다.
시험편 자체는 '비례'합니다 - 각 시편의 길이, 깊이 및 두께가 상호 연관되어 재료 두께에 관계없이 각 시편이 동일한 비율을 갖습니다.
정사각형 또는 직사각형 단면 표본의 두 가지 기본 형태가 있습니다. 시편 두께가 'B'로 정의되면 깊이(W)는 B 또는 표준 길이가 2W인 4.6B가 됩니다. 노치는 중앙에서 가공 된 다음 피로 균열을 생성하여 확장되어 총 '결함'길이가 시험편 깊이의 절반이되도록합니다 (그림 1 참조). 따라서 두께 100mm의 용접 시험에는 두께 100mm, 폭 200mm, 길이 920mm의 시편이 필요하며, 이는 비용이 많이 드는 작업이며, 시험이 완료된 후에야 유효성을 확인할 수 있습니다.
시험은 시편을 2점 굽힘에 놓고 균열 개구량을 측정하여 수행됩니다. 이것은 가공된 노치의 입구에 있는 두 개의 정확하게 배치된 칼날 사이에 배치된 클립에 부착된 스트레인 게이지를 통해 수행됩니다(그림 <>)
굽힘이 진행됨에 따라 균열 팁은 균열이 절단될 수 있을 만큼 충분히 열렸을 때 임계점에 도달할 때까지 소성 변형됩니다. 이로 인해 시편이 부분적으로 또는 완전히 파손될 수 있습니다. 시험은 일부 최소 온도, 예를 들어 최소 설계 온도에서 수행될 수 있으며, 보다 드물게는 온도 범위에서 수행될 수 있다.
인성 계산에 필요한 값은 첫째로 파괴가 발생하는 하중이고 둘째, 균열 전파 지점에서 균열이 열린 양입니다(그림 3).
균열의 길이와 노치 입구의 개구부가 알려져 있기 때문에 간단한 기하학으로 균열 선단 개구부를 계산하는 것은 간단한 문제입니다. 테스트가 진행되는 동안 결과는 하중/변위 차트에 자동으로 기록됩니다(그림 4). 이것은 생성될 수 있는 곡선의 다양한 형상을 예시한다 - (a)는 시험편이 소성 변형이 거의 또는 전혀 없이 취성 방식으로 파단된 시험이다. (b) 취성 균열이 시작되지만 더 단단한 재료에서 체포되기 전에 짧은 거리에서만 전파되는 '팝인'을 나타냅니다 - 이것은 곡선에 톱니 모양을 부여하거나 이 한 번의 팝인 변형 후에 완전히 소성 거동을 나타내는 (c)에서와 같이 연성 방식으로 계속될 수 있습니다.
용접 HAZ 또는 모금속의 노치 위치는 잘못 배치된 피로 균열이 필요한 영역을 샘플링하지 않아 테스트가 무효화되기 때문에 중요합니다. 크랙 팁이 올바른 영역에 있는지 확인하기 위해 노치 및 피로 크래킹을 가공하기 전에 연마 및 에칭 후 야금 검사가 수행되는 경우가 많습니다. 이를 통해 노치를 매우 정확하게 배치할 수 있습니다. 시험 결과의 유효성을 추가로 확인하기 위해 시험 후에 검사를 수행 할 수도 있습니다.
샘플이 파손되면 균열 표면을 검사하여 피로 균열이 합리적으로 직선 전면을 갖는지 확인합니다. 용접 조인트에 존재하는 잔류 응력으로 인해 피로 균열 전면이 불규칙해질 수 있습니다 - 이것이 과도하면 시험이 무효화 될 수 있습니다. 이 문제를 극복하기 위해 시험편은 잔류 응력을 재분배하기 위해 가공된 노치 팁에서 국부적으로 압축될 수 있습니다.
샘플의 각 측면 각각에 있는 두 개의 함몰부는 종종 이 압축이 수행된 곳에서 볼 수 있습니다. 피로 균열 자체는 낮은 응력 범위를 사용하여 수행해야 합니다. 피로 균열 공정의 속도를 높이기 위해 높은 응력을 사용하면 피로 균열 앞에 큰 소성 변형 영역이 생길 수 있으며 이로 인해 시험 결과가 무효화됩니다.
안타깝게도 테스트 실패의 다른 원인은 테스트가 완료되고 균열 표면이 검사된 후에만 확인할 수 있습니다. 피로 균열의 정확한 길이가 측정됩니다 - 이것은 분석에 필요합니다 - 그러나 균열의 길이가 사양에서 요구하는 한계 내에 있지 않으면 시험이 유효하지 않습니다. 피로 균열이 단일 평면에 있지 않은 경우, 균열이 가공된 노치에 대해 비스듬히 있거나 균열이 올바른 영역에 있지 않은 경우 테스트를 반복해야 할 수 있습니다.
Related specifications
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| BS 7910 | Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures. |
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| BS EN ISO | 15653 Metallic Materials - Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds |
This article was written by Gene Mathers.