CTOD란 취성파괴가 발생하기 전에 연성균열의 진전특성을 평가하는 값으로 강재 에서 발생된 균열이 사용 환경에서 취성파괴 발생 전까지 어느 정도의 변형까지 취성파괴의 기점이 되지 않고 견딜 수 있는가를 나타내는 파괴인성 파라메타이다.
CTOD 실험은 BS 7448(British Standard 7448)[15][16]이 주로 사용되었으나, 현재 ISO 12135[17]/15653[18] (International Organization for standardization 12135/15653)으로 통합되어서 통합된 규격에 의하여 수행하였으며, CTOD 실험의 개략도는 Fig.3.1에 나타내었다.[17] CTOD 실험은 시험용접, 노치표기, 시험편 가 공, 피로예비균열 삽입, 메인 시험, 유효성 검증의 단계로 나눌 수 있다.
Fig.3.1 Flow of CTOD Test[17]
CTOD 실험은 강재의 사용 환경과 동일한 온도에서 평가되므로, -165℃를 시험 온도로 설정하였다. 실험에 사용한 용접프로세스는, 조선 산업에서 가장 범용적으 로 사용되는 FCAW와 SAW 로 하였다. LNG 저장탱크의 제작 시 아래보기는 주로 SAW가 많이 사용되고 탱크의 조립단계에서는 주로 FCAW가 사용되기 때문이다.
본 실험에 사용한 강재의 두께는 실제 LNG 탱크 제작 시 최대두께로 적용될 30mm 판재를 사용하였다. CTOD 시험편은 두께를 고려하여 보다 정도 높은 실험 값을 얻기 위하여, B×2B로 제작하였다. 노치위치는 제2장에서 이미 실험한 용접 부 기계적 성질평가 결과를 바탕으로 F/L, F/L+2mm, WM에 노치를 삽입하여 시험 편을 제작하였다. 시험편의 형상 및 크기는 Fig.3.2에 나타내었다.
Fig.3.2 3-point bend CTOD test specimen geometry
용접부에 존재하는 잔류응력은 피로예비균열의 직진도를 떨어트리기 때문에 BS 7448[15][16]에는 local compression, reverse bending, high R-ratio를 용접잔 류응력을 완화시키는 방법으로 규정하고 있지만, 현재 ISO 12135[17]/15653[18]
에는 reverse bending을 제외한 두 가지 방법을 용접잔류응력을 완화시키는 방법 으로 규정하고 있다. 하지만 본 연구에서는 reverse bending 방법(2018년 9월부터 는 ISO 규격에 reverse bending 방법이 추가되었다)을 이용하여 잔류응력을 재분포 시켜 피로균열의 성장에 잔류응력의 영향을 최소화 하고자 하였다. 적용하중은 다 음의 식(3.1)에 의하여 계산하였으며, FCAW, SAW 시험편 모두 약 6ton의 하중을 주어 reverse bending을 실시하였다.
× ··· (3.1)
여기서, B는 시험편의 두께, W는 시험편의 폭, a0는 기계가공노치 길이, d는 노 치 주변 롤러의 간격, σYS는 항복응력을 나타낸다.
잔류응력이 재분포 된 시험편은 피로예비균열을 약 3~5mm 발생시킨 후 0.45 ≤ a0/W ≤ 0.55의 값을 가지도록 하였다. 이때의 a0는 기계가공노치 길이+피로예비 균열 길이를 나타낸다. 피로예비균열에 대한 하중은 다음의 식(3.2)에 의하여 계산 하였다.
··· (3.2)
여기서, Ff는 피로예비균열 적용 최대하중, B는 시험편의 두께, W는 시험편의 폭, a는 균열의 길이, σYSP는 항복강도, σTSP는 최대인장강도, S는 롤러 사이의 거리 (S=4.0W)를 나타낸다. FCAW 시험편은 시작하중을 3.5ton으로 가하고 균열이 성 장함에 따라 종단 하중은 3.1ton으로 가했으며 SAW 시험편은 시작하중을 3.2ton 으로 가하고 종단하중은 2.8ton을 가했으며 모든 시험편은 R=0.1의 조건으로 피로 예비균열을 생성하였다.
피로예비균열이 삽입된 시험편은 CTOD 시험을 진행하였다. 극저온 환경을 모사 하여 CTOD를 평가하기 위하여 냉각챔버에 액체질소를 투입하였다. 시험편에는 열 전대를 부착시켜 실시간으로 온도를 측정하여 –165℃로 만들었으며 규격에 따라 온도가 시험온도에 이르고 나서 두께 1mm당 1분의 온도 유지시간을 가지고 시험 을 수행하였다. 균열개구변위를 측정하기 위해 시험편 노치에 클립 게이지를 장착 하여 굽힘 시험 중에 COD 값을 측정하였으며, 실험 후 CTOD 값을 구하기 위하여 ISO12135[17]/15653[18]에서 제안한 식(3.3)을 적용하였다.
×
··· (3.3)
여기서,
,는 CTOD 값, F는 적용하중, S는 롤러사이의 거리(S=4.0W), W는 시험편의 폭, a0는 균열의 길이, ν는 포아송비, σYS는 항복강도, E는 영률, Vp는 CMOD(Crack Mouth Opening Displacement) 값, z는 시편의 표면에서 노치 개구 게이지까지의 거리를 의미하며 a0 에 관해서는 Fig. 3.3에 정리하였다.
Fig. 3.3 Definition of a0