mm/min 0.5mm/min

50mm/min

Fa ilu re d is pl ac em en t [ m m ]

Temperature [

C ] R

=9mm

(a)노치반경 9mm

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0.4

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

0.05mm/min 0.5mm/min 50mm/min

Fa ilu re d is pl ac em en t [ m m ]

Temperature [

C ] R

=1.5mm

(b)노치반경 1.5mm

그림 3.2.5변위속도별 온도에 따른 노치시편의 파단변위 변화

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0.4

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0.05mm/min 0.5mm/min 50mm/min

Fa ilu re d is pl ac em en t [ m m ]

Temperature [

C ] R

=0.5(V-notch)

(c)노치반경 0.5mm(V-노치)

그림 3.2.5변위속도별 온도에 따른 노치시편의 파단변위 변화 (계속)

0 50 100 150 200 250 300 350

R_n=¥(standard) R_n=9mm R_n=1.5mm R_n=0.5mm(V-notch)

L oa di ng r at e [m m /m in ]

Temperature [

C]

temprature range of serration

0.05 0.5 5 50

그림 3.2.6노치반경에 따른 serration발생 온도 영역 비교

0 50 100 150 200 250 300 350 400 400

500 600 700 800 900 1000 1100

standard R_n=9mm R_n=1.5mm V-notch

N or m al iz ed m ax . l oa d [ M Pa ]

Temperature [

C ] V

= 0.5mm/min

(a)변위속도 0.5mm/min

0 50 100 150 200 250 300 350 400 400

500 600 700 800 900 1000 1100

standard R_n=9mm R_n=1.5mm V-notch

N or m al iz ed m ax . l oa d [ M Pa ]

Temperature [

C ] V

= 50mm/min

(b)변위속도 50mm/min

그림 3.2.7노치반경별 온도에 따른 최대하중의 변화 비교

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0.4

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

R_n=¥ R_n=9.0mm R_n=1.5mm V-notch

E

/E

Temperature [

C]

V

=0.5mm/min

(a)변위속도 0.5mm/min

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0.4

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

R_n=¥ R_n=9.0mm R_n=1.5mm V-notch

E

/E

Temperature [

C]

V

=50mm/min

(b)변위속도 50mm/min

그림 3.2.8노치반경별 온도에 따른 파단변위의 변화 비교

(a)표준인장시편 (상온) (b)표준 인장시편 (177^oC)

(c)Rn=9mm (상온) (d)Rn=9mm (177^oC)

(e)Rn=1.5mm (상온) (f)Rn=1.5mm (177^oC)

(g)Rn=1.5mm (상온) (h)Rn=1.5mm (177^oC) 그림 3.3.1노치반경에 따른 인장파면

제 4장 노치시편에 대한 응력 및 변형률 상태 분석

노치시편에 대한 인장시험 결과에서 응력과 변형률이 국부적으로 집중되는 노치시편 의 변형거동에서도 표준 인장시편에서 관찰된 DSA 거동이 모두 관찰되는 것을 확인 하였다.또한,노치시편에서 노치반경이 다를지라도 DSA 현상이 나타나는 온도 영역 은 거의 유사하였다.다만,표준 인장시편에 비해 노치시편에서는 DSA 현상이 나타나 는 온도영역이 고온쪽으로 이동하였다.즉,노치시편의 DSA거동을 표준 인장시편과 비교했을때,표준 인장시편에서 변위속도가 증가하는 경우와 유사한 거동을 보이는 것 을 확인하였다.이러한 거동의 원인을 분석하기위해 유한요소시뮬레이션을 통해 노치 시편의 노치부에서 응력과 변형률 분포를 정량적으로 분석하였다.여기서는 노치반경 에 따른 노치부의 변형률과 변형률 속도 등의 차이를 살펴보는 것이 목적이므로 상온 의 진응력(σT)-진변형률(εT)곡선만을 유한요소시뮬레이션의 입력으로 사용하였다.

제 1절 유한요소모델

표준 인장시편과 노치시편에 대한 인장시험을 시뮬레이션하기 위해서,그림 4.1.1의 유한요소모델이 적용되었다.시편 종류에 관계없이 축대칭 2차원 모델이 적용되었으며, 대칭성을 고려하여 시편의 1/4만을 모델링 하였다.요소로는 감소적분이 고려된 축대 칭 8절점 요소(CAX8R inABAQUS)가 사용되었으며,인장하중이 작용되는 동안 노치 부에서의 대변형을 고려하기 위해서 기하학적 비선형성(NLGEOM in ABAQUS)이 고 려되었다.그림 4.1.1에 나타낸 것과 같이 축대칭 경계 조건이 적용되었으며,인장 하중 은 시편 상단부의 절점에 변위제어형태의 축방향 변위를 가함으로써 실제 시편에 가해 진 것과 동일한 크기의 변위가 가해지도록 하였다.해석 주기는 시험이 진행된 시간과 동일하게 하였다.유한요소시뮬레이션에는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS code가 사용되었다.

각 시편에 대한 유한요소시뮬레이션에는 상온의 표준 인장시험에서 주어진 진응력(σ

T)-진변형률(εT)곡선이 입력으로 사용되었다.그림 4.1.2는 해석에 적용된 진응력-진변 형률 곡선을 나타낸 것으로 네킹 이전까지는 식(4.1.1)과 (4.1.2)를 적용하여 인장강도까 지의 공칭 응력(σE)-공칭 변형률(εE)데이터로부터 계산하였으며,

_ _  _ (4.1.1)

_  ln   _ (4.1.2) 네킹 이후의 진응력-진변형률 곡선은 반복 유한요소해석을 통해 구했다.즉,그림 4.2.1(a)와 같이 유한요소해석을 통해 구한 하중-변위 곡선이 인장시험에서 주어진 하 중-변위 곡선과 잘 일치하도록 네킹 이후의 진응력-진변형률 곡선을 수정하며 해석을 반복적으로 수행하여 최적의 진응력-진변형률 곡선을 구했다.

제 2절 유한요소시뮬레이션 검증

그림 4.1.2의 진응력-진변형률 곡선을 입력으로 각 노치시편에 대한 유한요소시뮬레 이션을 수행하고,유한요소시뮬레이션이 노치시편의 변형 거동을 적절히 모사하는지를 확인하기 위해 해석 결과에서 주어지는 변위 곡선을 인장시험에서 주어진 하중-변위 곡선과 비교하였다.

그림 4.2.1(a)∼(d)에 나타낸 것과 같이 V-노치시편을 제외하면 표준 인장시편을 포 함한 모든 노치시편에서 유한요소시뮬레이션과 인장시험에서 주어진 하중-변위 곡선 이 잘 일치하는 것을 알 수 있다.V-노치시편의 경우에도 변위에서 일정한 차이를 보 였으나 하중 크기는 유한요소시뮬레이션 결과와 시험결과가 거의 일치하는 것을 알 수 있다.따라서,각 시편에 대한 유한요소시뮬레이션 결과로부터 각 변형 시점에 해당하 는 노치부의 응력과 변형률 상태를 정량적으로 파악할 수 있을 것으로 판단된다.

제 3절 시편형상에 따른 변형 거동

1.응력상태

전 장에서 살펴본 표준 인장시편과 노치시편의 파면에 나타난 딤플의 형상으로부터 3축 응력의 차이를 예측 할 수 있었다.그럼에도 불구하고 DSA 거동에 뚜렷한 차이는 관찰되지 않았다.따라서,실제로 3축 응력의 차이가 어느 정도 인지 정량적으로 확인 해보았다.그림 4.3.1은 유한요소시뮬레이션 결과로부터 계산된 3축 응력 분포를 최대 하중과 항복하중의 평균((Fmax+Fys)/2)과 최대하중(Fmax)그리고 최종파단 시점에서 노 치반경 별로 나타낸 것이다.(Fmax+Fys)/2과 Fmax시점에서 3축 응력의 절대값은 다소 차이가 있지만 그 분포 경향에는 차이가 없었다.노치 반경에 따라 살펴보면,표준 인 장시편에서 가장 낮은 3축 응력을 보였으며,노치반경이 작을수록 3축 응력이 증가하

였다.3축 응력의 분포는 표준 인장시편과 노치반경이 9mm인 경우는 비교적 균일한 분포를 보이며,노치반경이 1.5mm인 경우와 0.5mm(V-notch)인 경우는 시편의 중심부 (그래프 상 원점이 시편의 중심)의 3축 응력이 크게 집중되는 것을 알 수 있다.반면, 노치반경에 따라 3축 응력의 차이를 보면 노치반경이 감소함에 따라 크게 증가되는 것 을 알 수 있다.최종파단 시점에서는 3축 응력의 분포 경향이 노치반경에 무관하게 시 편의 중심에 집중되는 것을 알 수 있었다.특히,표준 인장시편과 노치반경이 9mm인 노치시편에서 3축 응력의 절대값이 크게 증가하고,그 분포 경향이 노치반경이 작은 시편과 거의 일치한다.이것은 네킹에 의한 노치의 영향으로 판단된다.이와 같은 3축 응력의 뚜렷한 차이에도 불구하고 노치반경에 따른 DSA거동의 차이는 관찰되지 않았 음으로,3축 응력은 DSA 거동의 지배 인자가 아닌 것으로 판단된다.

2.변형률 분포

재료의 DSA 현상은 소성변형이 진행되는 동안 이동하는 전위와 용질원자 사이의 상호작용에 의해 발생된다.즉 DSA현상은 재료의 소성변형에 수반되는 현상이므로 기 하학적 형상과 DSA거동의 상관관계를 파악하기위해 소형변형의 분포와 정도를 파악 하는 것이 필요하다.그림 4.3.2∼4.3.5은 표준 인장시편을 포함한 노치시편에서 항복하 중과 최대하중의 평균((Fmax+Fys)/2)과 최대하중(Fmax)그리고 최종파단 시점에서 등가 소성변형률(_)의 분포를 나타낸 것으로 각각 살펴보았다.

그림 4.3.2에서 알 수 있는 것과 같이 표준 인장시편의 경우에는 변형 정도에 관계없 이 게이지부 내에서는 소성변형이 균일하게 진행되고 있는 것을 알 수 있다.이것은 표준 인장시편의 경우 최대하중까지는 변형이 균일하게 발생한다는 기존의 이론과 잘 일치하는 것이다.최종파단 시점은 최대하중 이후에 소성영역의 전파를 살펴보기 위해 등고선 그래프의 스케일을 최대하중 시점의 최대값으로 제한하였다.표준 인장시편의 경우는 최대하중 이후에는 소성영역이 추가로 전파되지 않았다.노치반경 9mm인 노치 시편의 경우에는 그림 4.3.3에서 알 수 있는 것과 같이 노치 내에서 위치에 따라 불균 일한 소성변형률을 보이며,(Fmax+Fys)/2와 Fmax에서 모두 최소 단면부의 중심에서 소 성변형률이 가장 높고 최소 단면부에서 양끝 쪽으로 소성변형이 진행되었다.최대하중 이후 최종파단까지 소성영역의 전파는 미미하거나 없는 것으로 파악되었다.또한,최종 파단까지 변형이 진행되는 동안 소성변형은 노치부 내에서만 발생하는 것을 알 수 있 다.노치반경 1.5mm인 시편에서는 변형이 진행됨에 따라 노치부 내에서 큰 변형률 구 배를 보였으며,(F +F)/2시점에는 최소 단면부의 중심과 노치 선단에서 거의 유사

한 정도의 소성변형률을 보였다.그러나,변형이 진행되어 최대하중에 도달할 시점에서 는 노치 선단(시편의 표면)에서 소성변형률이 크게 증가하였다(그림 4.3.4).즉,노치 선 단에서 소성변형이 집중되는 거동을 보였다.노치반경이 1.5mm인 시편에서는 최대하 중 이후에도 축 방향으로 소성영역이 전파되는 것이 확인되었으나 최종파단까지 소성 변형은 노치부에 제한되었다.한편,V-노치시편의 경우에는 그림 4.3.5에서 알 수 있는 것과 같이 변형 초기부터 소성 변형이 노치 선단(시편의 표면)에 집중되어 최대 소성 변형률이 노치 선단에서 나타났으며,노치 선단에서 변형률의 집중 현상은 변형이 진 행될지라도 계속 유지되었다.또한,V-노치시편의 경우에도 최대하중 이후 최종 파단 까지 축 방향으로 소성영역이 전파되었으며,그 정도가 노치반경이 1.5mm인 노치시편 의 경우보다 심하여 최대하중 이후 시편 중심부의 소성영역이 노치부 바깥으로 전파되 었다.

시편 형상에 따른 변형률 분포를 종합적으로 살펴보면,표준 인장시편의 경우에는 게이지부에서 거의 균일한 변형률을 보이지만 노치시편에서는 노치반경에 관계없이 시 편의 최소 단면부에서 소성변형이 집중되어 최대 소성변형률을 보였으며,노치반경이 1.5mm 이하인 경우 노치선단의 소성변형률 집중이 뚜렷하였으며,최대하중 이후에도 축 방향으로 소성변형이 전파되는 것을 확인하였다.또한,V-노치시편의 경우에는 최 대하중 이후에는 노치부 바깥으로도 소성변형이 전파되었다.노치반경이 1.5mm 미만 인 노치시편의 소성변형률 분포와 전파과정을 살펴보면 전 장에서 살펴본 하중-변위 곡선에서 최대하중 이후에도 serration이 관찰되는 원인이 최대하중 이후에도 소성변형 이 전파되기 때문인 것으로 파악된다.

3.변형량 증가에 따른 등가 소성변형률 속도 변화

각 노치시편에서 변형률 분포를 살펴본 결과,노치반경에 관계없이 노치시편의 최소 단면부에서 소성변형이 집중되는 것을 알 수 있다.따라서,시편의 최소 단면에서 소성 변형률이 노치시편의 변형 거동을 지배하며,노치시편의 DSA 거동에도 영향을 미칠 것으로 예상할 수 있다.따라서,여기서는 유한요소시뮬레이션 결과로부터 각 시편의 최소 단면부에서 등가 소성변형률 속도(_)를 살펴보았다.

시편의 형상에 따른 시편의 최소 단면부에서 등가 소성변형률 속도의 차이를 정량적 으로 비교하기 위해서,시편의 최소 단면에서 평균된 등가 소성변형률 속도를 전체 변 형 구간에서 노치반경별로 비교하였다.그림 4.3.6에 나타낸 것과 같이 시편의 최소 단 면에서 평균된 등가 소성변형률 속도는 노치반경에 관계없이 초기 변형 구간에서 급격