전자스패클 시스템을 이용한 반복하중하에서의 피로균열진전시 …propagation...

工學碩士學位請求論文

전자스패클패턴 시스템을 이용한

반복하중하에서의 피로균열진전시 과대하중의

영향에 관한 연구

A Study on Overload Effect on Fatigue Crack

Propagation under Cyclic Loading using ESPI

System

2004年 2月

仁荷大學校大學院

船舶工學科

趙炯敏

工學博士學位論文




A Study on Overload Effect on Fatigue Crack

Propagation under Cyclic Loading using ESPI

System

2004年 2月

指導敎授金境洙

이 論文을 碩士學位論文으로 提出함

이 論文을 趙炯敏의 碩士學位論文으로 認定함.

2004 年 2 月日

主審

副審

委員

- i -




A Study on Overload Effect on Fatigue Crack Propagation

under Cyclic Loading using ESPI System

요 약

기계나 구조물의 피로 취약 부분의 대부분은 사용기간 동안의 하

중이력이 일반적으로 일정진폭하중보다는 반복적이거나 혹은 다양

한 진폭의 하중을 포함한다. 다양한 진폭의 하중하에서 정확한 피

로 균열 진전 수명의 예측은 하중들간의 간섭효과를 고려한 계산

을 요구한다. 본 연구에서는 일정진폭과 다양한 진폭을 가진 하중

하에서의 피로 실험을 통해서 노치시편에 대한 과대하중의 효과를

조사하였다.

균열선단 주위에서의 변형률 분포는 인장과대하중이 작용하기 전

과 작용한 후에 ESPI System을 사용하여 측정하였다. 소성영역크

기는 측정된 변형률 분포를 통해 결정하였다. 위의 분석을 통해 하

중 스펙트럼에서 하중간섭효과를 특화하는데 사용할 수 있는 피로

균열 진전 수명에 대한 과대하중효과계수를 도출 할 수 있다. 본

연구는 과대하중 효과를 고려한 균열 진전 예측모델을 제안하였

다. 비교 작업을 통해 제안된 모델의 예측이 실험 결과와 좋은 일

치를 보임을 증명하였다.

- ii -

ABSTRACT

For many fatigue-critical parts of machines and

structures, load history under service conditions generally

involves cyclic or variable amplitude loading, rather than

constant amplitude loading. An accurate prediction of

fatigue crack propagation life under variable amplitude

loading requires a through evaluation of load interaction

effects. In this study, fatigue tests under both constant and

variable amplitude loading are carried out to investigate the

overload effects on fatigue crack propagation of the

notched specimens. Strain distribution around the crack tip

before and after a tensile overloading is measured using

ESPI system. The size of plastic zone size is determined

from the measured strain distribution. Analysis gives the

overload effect factor for fatigue crack propagation life,

which can be used to characterize the load interaction

effect in load spectrum. The study proposes a crack

propagation prediction model considering the overload

effect. A comparative work proves that the prediction by

the proposed model is in good agreement with the

experimental results.

- iii -

Contents

Abstract ········································································································ i

Contents ····································································································· iii

List of Figures ························································································ iv

List of Tables ··························································································· v

Nomenclatures ························································································· vi

Abbreviations ·························································································· vii

1. 서론 ········································································································· 1

1.1 연구배경 ··························································································· 1

1.2 연구목적 ··························································································· 2

2. ESPI System의 원리 ·········································································· 3

3. 과대하중영향계수의 결정 ··································································· 5

4. 실험

4.1 재료 및 시험편 ··············································································· 8

4.2 실험방법 ··························································································· 9

5. 균열성장시험결과 및 예측 ······························································· 12

5.1 소성영역크기 ················································································ 12

5.2 균열성장률 ···················································································· 26

5.3 계산되어진 예측결과와 실험결과의 비교 ························ 29

6. 결론 ······································································································· 32

References ······························································································· 33

- iv -

List of Figures

Fig. 1 Illumination configuration for in-plane electronic

speckle pattern interferometry analysis ················· 4

Fig. 2 Crack tip plastic zone under overloading ··················· 6

Fig. 3 Change of an empirical constant during the retarded

crack growth ······································································· 7

Fig. 4 Geometry of DENT specimen(unit:mm) ······················· 9

Fig. 5 Geometry of ESET specimen(unit:mm) ························ 9

Fig. 6 Strain distribution measured by ESPI system according

to cyclic loading ································································ 12

Fig. 7 Strain distribution measured by ESPI system according

to cyclic loading for DENT-5 ······································ 16

Fig. 8 Plastic zone shape on specimen surface using ESPI

system for DENT-5 ························································· 20

Fig. 9 Change of position of plastic zone tip according to

crack length for DENT-5 ·············································· 22

Fig. 10 Strain distribution measured by ESPI system

according to cyclic loading for ESET-6-3 ············ 23

Fig. 11 Plastic zone shape on specimen surface using ESPI

system for ESET-6-3 ··················································· 24

Fig. 12 Change of position of plastic zone tip according to

crack length for ESET-6-3 ········································ 25

Fig. 13 Crack growth test results for DENT-3, 5, 6 ······· 27

Fig. 14 Crack growth test results for ESET-5-2, 6-3, and

7-1 ························································································ 28

Fig. 15 Comparison of crack retardation model with test

result for DENT-5 ·························································· 30

Fig. 16 Comparison of crack retardation model with test

result for ESET ································································ 31

- v -

List of Tables

Table. 1 Chemical composition of SM490B ························ 8

Table. 2 Mechanical properties of SM490B ···························· 8

- vi -

Nomenclature

E Modulus of Elasticity for the Material

R Load Ratio

POL Amplitude of Overload

P max Maximum Load

Cp Retardation Factor

a Crack Length

a i Crack Length at a Point which Overload Applies

a min Crack Length at a Point which Crack Growth

Rate Reaches at the Minimum Value

a e Crack Length at a Point which Crack

Retardation Effect Disappears

b Width of Specimen

h Half Height of Specimen

r p Plastic Zone Size

r po Plastic Zone Size at Overload

p Shape Function

C Empirical Constant

NCA Fatigue Life under Constant-Amplitude Loading

ND Delayed Fatigue Life due to Overloading

( dadN )CA Crack Growth Rate Associated withConstant-Amplitude Loading

( dadN )OL Retarded Crack Growth Rate

( dadN ) min Minimum Crack Growth Rate

- vii -

Abbreviations

CCD Charge Coupled Device

CGR Crack Growth Rate

DENT Double Edge Notch Tension

ESET Essentially-Loaded Single Edge Crack Tension

ESPI Electronic Speckle Pattern Interferometry

OLR Overload Ratio ( Pol/P max )

UTM Universal Testing Machine

1. 개요

- 1 -

1. 개요

1.1 연구배경

선박이나 해양구조물과 같은 대형용접구조물의 경우 운영되어지는

설계수명 동안에 일정진폭하중이 아닌 변동하중에 의해 특정부분

에서 균열이 발생하여 성장하게 된다. 이와 같은 하중 변동에 의해

균열 성장률이 가속되거나 혹은 감속되어진다. 따라서 좀더 정확

한 피로 수명을 예측하기 위해서는 충분한 하중들 간의 간섭효과

를 고려한 계산이 요구되어진다. 이 때 하중의 변동성 때문에 균열

성장률은 가속되어지기도 하고 감속 되어 지기도 한다. 따라서 피

로수명예측 개선을 위해서는 이들 하중들간의 간섭영향을 고려한

균열성장률 계산이 요구되어진다. 특히 최근에 선박이 경량화 대

형화되어짐에 따라 응력집중부에 작용하는 하중은 점점 커지고

균열성장해석에 대한 관심이 날로 높아지고 있다[1].

1. 개요

- 2 -

1.2 연구목적

균열성장면에서 하중간섭영향을 고려한 몇 가지 방법들이 개발되

어졌다. Elber[5]는 피로균열면에서의 압축잔류응력이 균열닫힘을

일으킨다는 개념을 바탕으로 유효응력을 이용하여 과대하중에 의

한 균열성장지연 해석에 적용하였으며, Willenborg[7]와

Toyosada[8]는 과대하중에 의하여 균열선단에 발생한 소성영역

내에서의 유효응력을 정의하여 균열성장률을 예측하는 모델을 제

안하였다. Wheeler[6]는 과대하중이 균열끝단에 큰 소성영역을

유발하기 때문에 과대하중 후에 압축잔류응력이 발생한다고 주장

하였다. 이처럼 균열성장면에서 하중간섭영향중 과대하중에 의한

재료의 거동을 이해하는 것은 매우 유용하다. 본 연구에서는 이러

한 과대하중에 의한 효과를 연구하기 위해 먼저 균열 지연을 포함

한 가장 단순화 된 환경을 나타낼 수 있는 단일 과대하중에서의 균

열지연 효과에 대해 연구하였다. 또한 이러한 단일과대하중 하에

서의 재료의 거동을 이해하는 것은 변동하중하에서의 피로균열진

전 해석에도 역시 매우 유용하다. 이러한 균열 지형 거동의 예측을

위해 제안된 모델 중 어떤 것은 균열닫힘효과를 지연의 재배기구

로 보았으며[9], 반면에 다른 모델은 균열 끝단에서 발생하는 소

성영역을 지연효과의 지배기구로 고려하였다[2]. 본 연구에서 제

시된 균열지연 모델은 ESPI(Electronic Speckle Pattern

Interferometry) 시스템을 통해 측정된 균열 끝단에서의 소성영역

크기에 기초하였다[6]. 본 연구에서는 단일과대하중하에서의 피로

균열 성장 실험 결과와 제안된 모델에 의해 예측한 결과를 비교하

였다. 먼저 일정진폭하중과 단일과대하중하에서의 균열성장 실험

결과를 제시하고, 다음으로 실험에서 측정된 균열성장 거동과

Wheeler의 모델에서 예측한 결과를 본 연구에서 제시한 모델과

비교하였다.

2. 3D-ESPI System의 원리

- 3 -


ESPI system 은 레이저의 간섭현상으로 생긴 위상차를 이용하여 시편

표면에 발생한 변위를 비접촉 영역 측정(noncontact whole-field

measurement)하는 장비이다. ESPI system의 반사경에서 나온 레이저는

시편 표면에서 반사되어진다. 반사되어진 레이저는 CCD 카메라에 의해서

측정되어지고 이 때 이미지(fringe image)는 컴퓨터 내부에 저장되어진다.

이러한 과정은 시편에 하중이 작용하여 변형이 발생하기 전후에 2번 이루

어진다. 이들 2개의 이미지를 비교하여 얻은 결과 (subtraction correlation

fringe image)를 이용하여 시편 표면에 발생한 변형률을 계산하게 된다

[1]. Fig. 1은 어느 한 방향으로의 평면 변형을 측정하기 위해 단순화시킨

개념도이다. Fig. 1(a)에서 보여지는 것과 같이 같은 평면상에 위치하는 2

개의 레이저 빔은 시편의 표면에서 θ 1과 θ 2 의 각을 이루면서 반사되고

이들은 CCD 카메라에 의해서 측정되어진다. 카메라 센서에 의해 측정된

광도 (intensity)는 다음과 같다.

I 1 + I 2 + 2( I 1 I 2 )1/2 cos(Δ ψ ) (1)

여기서 I 1 과 I 2 는 각 레이저빔에서 산란(scatter)되어진 빛의 광도이고

Δ ψ는 2개의 레이저 빔 사이의 위상차(phase difference) 이다.

(a)


- 4 -

(b)

Fig. 1 Illumination configuration for in-plane electronic speckle

pattern interferometry analysis

산란되어진 빛의 고유 특성 때문에 Δ ψ는 일정하지 않다. 하중이 작용하여

시편 표면에 작은 변위가 발생한 후에 I 1과 I 2 광도는 거의 일정하게 유

지된다. 그러나 위상차는 Δ ψ + Δ ψ '로 변한다. 여기서 2개의 이미지를

비교하여 얻은 광도와 Δ ψ '를 이용하여 측정위치에서 fringe order, N

을 결정한다. 만일 y 방향으로 변위가 발생하였고 레이저 빔이 yz 면에 있

다면 Fig. 1(b) 에서 위상차(optical pathlength difference)가

δ ( cos θ1 + cos θ2 )와 같으며, 변위는 식 (2)와 같다.

δ = N λ

cos θ1 + cos θ2 (2)

2개의 이미지 사이에 변형률 증분량은 Δ ε = dδ / dy 이고 fringe

separation 은 δ y = dy / dN 라 하자. 이 때 θ1 = θ2 = θ 라 하면 식

(2)는 식 (3)과 같이 된다.

Δ ε = λ

2 Δ y cos θ (3)

3. 과대하중영향계수의 결정

- 5 -


일정진폭하중을 받는 부재와는 달리 변동하중을 받는 부재의 피로

균열성장은 하중 순서, 크기의 변화에 영향을 받는 것으로 연구 보

고되었다. 본 논문에서 제안되어진 피로균열성장지연 모델은 인장

과대하중으로 인한 균열성장지연을 예측하였다. 이 모델은 과대하

중에 의해 발생하는 큰 소성영역에 의해 균열성장지연이 발생한다

는 점에서 제안되어졌다. 인장과대하중이 작용한 후, 일정진폭하중

에 의해 발생하는 소성영역이 과대하중에 의해 발생한 소성영역

안에 존재할 때 균열지연효과가 발생한다. 즉, 균열성장률은 균열

끝단에서 발생하는 소성영역의 상호영향과 관계한다는 것을 알 수

있다.

이들은 경험상수를 포함한 균열성장길이에 대한 형상함수로 표현

되어질 수 있다. Wheeler는 일정진폭하중이 작용하였을 때의 피로

균열성장률을 수정하여 과대하중이 작용한 후 발생하는 균열성장

률지연을 예측하였다. 지연되어진 균열성장률과 일정진폭하중하에

발생한 피로균열성장률은 다음과 같은 관계를 갖는다고 제안하였

다[5].

( dadN )OL = Cp (dadN )CA

OL :과대하중CA :일정진폭하중 (4)

여기서, Cp는 일정진폭하중에 의한 소성영역크기와 과대하중에 의

해서 생성되어지는 소성영역크기에 관한 비의 함수이다.

Cp = [r p

(a 0 + r p0)-a ]p

={ (r ps-a )

p

, r p < s-a

1, r p≥ s-a } (5)

여기서, s=a 0+rp0 는 과대하중이 작용하는 순간 소성영역 끝단의

위치이다. 그리고 p는 형상함수이다.


- 6 -

rpa

a* rpo

Overload affectedplastic zone

Instantaneousplastic zone

S

S

Fig. 2 Crack tip plastic zone under overloading

For a i≤a≤a min p=C

(a min -a i)2 (a-a i)

2 (3)

For a min≤a≤ae p=C

(a min -ae)2 (a-ae)

2 (4)

여기서, a는 균열길이이고 , ai는 과대하중이 작용하였을 때의 균

열길이, a min는 균열성장률이 가장 작은 값을 가질 때의 균열길이,

ae는 균열지연효과가 사라졌을 때의 균열길이이다. C는 과대하중

비에 의해 영향을 받는 경험상수이다.

Wheeler`s model의 경우, 균열성장지연구간에서 실험결과와 차

이가 있음을 확인 할 수 있다. 본 논문에서 이를 보정하기 위해 경

험상수 p값을 균열성장길이의 형상함수 p로 변경하여 도입하였다.

균열길이의 형상함수, p를 포함하여 제안되어진 균열성장지연모델

은 균열지연구간에서 균열성장거동을 잘 설명하는 것을 알 수 있

다. 제안된 모델은 균열성장지연구간에서 균열성장감속구간과 균

열성장가속구간으로 나뉘어진다. Fig. 2에 보여지는 것과 같이 두

구간 중 균열성장률이 감소하여 최소값에 이를 때까지 형상함수 P

값이 증가함을 알 수 있고 반대로, 균열성장률이 증가하여 과대하

중이 없었을 때의 균열성장률까지 회복할 때까지 경험상수 값은


- 7 -

감소함을 알 수 있다. 이로부터 균열길이에 대한 형상함수 P 값은

균열지연구간에서 포물선형태를 띠고 있음을 확인할 수가 있다.

Fig. 3 Change of an empirical constant during the retarded crack growth

4. 실험

- 8 -

4. 실험

4.1 재료 및 시험편

사용된 재료는 일반 구조용강(SM 490B)이며, 재료의 화학 성분과

기계적 성질은 Table 1과 Table 2에 보이는 바와 같다. 시험에 사

용되어진 시편은 ASTM E338-91과 ASTM E647-99에 기준하여

DENT시편과 ESET시편이 설계되었고 시험영역폭(w) 과 두께(t)

가 Fig. 4, 5와 같은 사각단면을 갖는다. 방전가공을 이용하여 V형

노치를 시편중앙에 갖는 DENT시편과 ESET시편을 제작하였다.

Table 1 Chemical composition of SM490B

Materia

l

Composition (weight %)

C Si Mn P S

SM490

B0.18 0.55 1.60 0.035 0.035

Table 2 Mechanical properties of SM490B

Yield stress (MPa) 325

Ultimate tensile stress (MPa) 490

Young's modulus (MPa) 202,000

Poisson's ratio 0.3

4. 실험

- 9 -

Fig. 4 Geometry of the DENT specimen(unit:mm)

Fig. 5 Geometry of the ESET specimen(unit:mm)

4.2 실험 방법

본 연구에서는 상온의 대기중에서 500kN 최대하중과 마이크로컴

퓨터를 사용한 제어시스템을 구성하고 있는 유압서어보식 만능시

험기, 시험영역에서의 변형률 분포측정이 가능한 3D-ESPI

system 그리고 균열길이 0.001mm까지 측정 가능한 화상분석시

스템을 이용하여 균열성장시험을 수행하였다.

4. 실험

- 10 -

DENT시편은 주파수 3Hz, 평균하중 39kN, 하중크기 26kN을 갖

는 사인파 형태의 일정진폭하중이 작용중에 과대하중비 OLR가

75%인 균열성장시험을 수행하였으며, ESET시편의 경우에는 주파

수 3Hz, 평균하중 8.25kN, 하중크기 6.75kN을 갖는 사인파 형태

의 일정진폭하중이 작용중에 과대하중비 OLR이 50%와 75%인 균

열성장시험을 수행하였다.

OLR(%) = (POL- P maxP max )×100 (5)

POL은 과대하중크기이고, P max는 일정진폭하중의 최대하중크기이

다. 이들 시험 중에 균열길이 성장에 따라 ESPI system을 이용하

여 균열선단에 발생하는 소성영역 크기 측정을 수행하였다

(Fig. 6).

4. 실험

- 11 -

(a) DENT specimen - 174,250 cycles (overloading)

(b) ESET specimen - 163,721 cycles (overloading)

Fig. 6 Strain distribution measured by ESPI system according to cyclic loading

ASTM의 균열성장시험에 관한 규정에 따르면 균열전파속도가

1 × 10- 5mm/cycle 이하로 감소할 경우 균열성장속도는 미소구조변화,

균열가지와 같은 균열선단 형상변화 등 많은 인자에 의해 상당히

민감하게 반응하여 변동량이 증가한다고 하였다. 따라서 본 연구

에서는 노치선단 응력확대계수 Δ K = 24 MPa m에 기준하여 일정

진폭하중의 크기를 결정하고 균열전파속도가 1 × 10- 4mm/cycle ～

1 × 10- 5mm/cycle 범위 내에서 변화하도록 하였다[4].

5. 균열성장시험결과 및 예측

- 12 -


피로균열성장시험은 일정진폭반복하중이 작용하는 경우와 과대하

중비 50%와 75%인 단일인장과대하중을 포함하는 일정진폭하중

이 작용하는 경우로 나누어 수행하였으며, 시편은 DENT시편과

ESET시편을 사용하였다.

5.1 소성영역크기

단일인장과대하중을 포함하는 일정진폭반복하중이 작용하는 균열

성장시험에서 소성영역크기와 균열성장지연과의 관계를 조사하기

위하여 ESPI system을 이용하여 균열끝단에서 소성영역크기를

측정하였다[1]. 소성영역형상의 변화는 Fig. 7에 보여지는 것과

같이 ESPI system으로 측정한 변형률 곡선의 변화와 같으며, 이

로부터 소성영역크기가 결정된다. Fig. 9에서는 다른 과대하중이

작용하는 시편에서 균열길이에 따라 소성영역끝단의 위치변화를

나타내고, 소성영역크기가 균열성장지연에 미치는 영향을 보여주

고 있다.


- 13 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(a) 145,101 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(b) 174,250 cycles (overloading)


- 14 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(c) 180,400 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(d) 188,500 cycles


- 15 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(e) 194,502 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(f) 198,500 cycles


- 16 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(g) 202,500 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(h) 248,500 cycles


according to cyclic loading cycles for DENT-5


- 17 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(a) 145,101 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(b) 174,250 cycles (overloading)


- 18 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(c) 180,400 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(d) 188,500 cycles


- 19 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(e) 194,502 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(f) 198,500 cycles


- 20 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(g) 202,500 cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(h) 248,500 cycles

Fig. 8 Plastic zone shape on specimen surface

using ESPI system for DENT-5


- 21 -

(a) 145,101 cycles

(b) 174,250 cycles


- 22 -

(c) 196,500 cycles

(d) 248,500 cycles

Fig. 9 Change of position of plastic zone tip

according to crack length for DENT-5


- 23 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(a) 163,721cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(b) 203,237cycles


according to cyclic loading cycles for ESET-6-3


- 24 -

Strain( 10-3)

Position(mm)

(a) 163,721cycles

Strain( 10-3)

Position(mm)

(b) 203,237cycles

Fig. 11 Plastic zone shape on specimen surface

measured by ESPI system for ESET-6-3


- 25 -

(a) ESET-6-3 specimen (OLR=50%)

(b) ESET-7-1 specimen (OLR=75%)

Fig. 12 Position of plastic zone tip according to crack length


- 26 -

5.2 균열성장률

화상분석시스템을 이용하여 피로균열성장시험중 균열끝단까지의

균열성장길이를 측정하였다. Fig. 13(a), 14(a)는 피로수명에 따른

균열성장길이에 대한 곡선이며, Fig. 13(b), 14(b)는 균열성장길이

에 따른 균열성장률에 대한 곡선이다. 이 곡선은 DENT시편과

ESET시편에 대한 지연된 균열성장거동을 나타낸다. Fig. 13(a)에

서 DENT-3과 Fig. 14(a)에서 ESET-5-2의 균열성장률은 피로손

상의 축적에 따라 지속적으로 증가하였으며, 과대하중으로 인한

균열성장거동변화를 비교하기 위한 기본 자료로 사용되었다. 균열

성장지연에 대한 과대하중비의 영향은 Fig. 13과 Fig. 14에 보여

진다. 지연된 균열성장률은 과대하중비에 민감하다는 것을 알 수

있고, 과대하중비가 증가함에 따라 균열성장률도 증가함을 알 수

있다. Fig. 13(b), 14(b)에서 과대하중비가 증가함에 따라 균열성

장지연이 증가함을 알 수 있다.


- 27 -

(a) comparison of crack growth length

(b) comparison of fatigue crack growth rate

Fig. 13 Crack growth test results for DENT-3, 5, 6


- 28 -

(a) comparison of crack growth length

(b) comparison of fatigue crack growth rate

Fig. 14 Crack growth test results for ESET-5-2, 6-3 and 7-1


- 29 -

5.3 계산되어진 예측결과와 시험 결과의 비교

Fig. 15은 DENT-5의 결과를 나타낸 것이며, Fig. 16은

ESET-6-3과 ESET-7-1의 결과를 나타낸 것이다. 그 중 Fig.

15(a)과 Fig. 16(a)은 균열성장길이에 따른 균열성장률에 대한 곡

선이다. 그리고 Fig. 15(b)과 Fig. 16(b)은 피로수명에 따른 균열

성장길이에 대한 곡선이다. Wheeler 모델과 비교해보았을 때, 새

로운 예측모델의 형상함수는 균열지연구간에서 발생하는 소성으로

유발되어진 균열닫힘현상을 설명하고 있음 알 수 있다. 그러므로

ESPI system으로 측정한 소성영역을 이용한 예측 모델은 관찰된

균열성장률과 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 이 모델은 피로 수

명 평가를 개선하는데 있어서 유용한 경험식으로 사료된다.


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(a) Crack growth rate

(b) Crack growth length

Fig. 15 Comparison of crack retardation model with test result for DENT-5


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(a) Crack growth rate

(b) Crack growth length

Fig. 16 Comparison of crack retardation model with test result for ESET

specimens

6. 결론

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6. 결론

1) 소성영역은 인장과대하중으로 인한 균열성장지연거동을 결정하

는 중요한 요인으로 작용한다.

2) 균열끝단에서의 소성영역크기가 과대하중비에 비례하기 때문에

과대하중이 커질수록 균열지연효과가 커짐을 확인하였다.

3) 다른 과대하중비를 갖는 하중이 작용하였을 때, 제안되어진 균

열성장지연모델은 균열성장률과 피로수명 측면에서 균열성장지연

거동을 잘 설명하고 있음을 확인하였다.

4) 제안되어진 균열성장지연모델은 피로수명평가를 개선하는데 있

어서 유용한 경험식으로 사료된다.

References

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References

[1]김경수, 심천식(2002). “전자스패클패턴 간섭시스템을 이용한 피로하

중을 받는 균열선단에서 탄소성 영역 측정에 관한 연구”, 한국해양공

학회지, 제16권, 제4호, pp 13-18

[2]김경수, 심천식(2002). “3D-ESPI 시스템을 이용하여 결정된 응력집

중계수가 피로수명에 미치는 영향에 관한 연구”, 한국해양공학회지,

제16권, 제1호, pp 46-51

[3]ASTM E338-91, (1991). "Standard Test Method of Sharp-Notch

Tension Testing of High-Strength Sheet Materials", In: Annual

Book of ASTM Standards, Am. Soc. for Testing and Materials,

Philadelphia, pp 379-387

[4]ASTM E647-99, (1999). "Standard Test Method for

Measurement of Fatigue Crack Growth Rates", In: Annual Book

of ASTM Standards, Am. Soc. for Testing and Materials,

Philadelphia, pp 591-630

[5]Elber, W. 1971 "The significance of crack closure", ASTM STP

486, pp 230-242.

[6]Wheeler, O. E. (1972). "Spectrum loading and crack growth", J.

bas. Engng 90

[7]Willenborg, J., Engle, R., and Wood, H. A. 1971 "A crack

retardation model using an effective stress concept", Technical

Memorandum 71-1 FBR, Air Force Flight Dynamics Laboratory,

Wright-Patterson Air Force Base, Ohio.

[8]Toyosada M., Niwa, T. and Sakai, J. 1997 "Physical meaning of

and fatigue crack propagation in the residual stress distribution

field", Int. J. Fatigue Vol. 19, No. 1, pp 161-166

[9]송삼홍, 최진호. 1998 "단일과대하중하의 균열전파 지연거동 예측모

델“, 대한기계학회논문집, 제22권, 제10호, pp 1806-1812

References

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감사의 글

결실의 끝에는 항상 시작과 끝이 공존하더군요. 새로운 시작에 앞

선 부족한 결실의 끝에서 이 조그마한 순백의 지면을 빌어 함께 그

끝에 있어준 모든 분들께 감사를 드리려 합니다.

2001년 겨울 선박과 교수님에서 절실한 은사가 되어버린 김경수

교수님과의 인연에 교수님께 제일 먼저 감사를 드리며 실험실에서

지금 이 결실의 시작을 지켜보고 함께해 준 천식이형과 2년 동안

같이 첫눈을 맞아 온 진영이에게 고맙다는 말을 해주고 싶습니다.

시작을 잊어버리기도 전에 끝에 와 있을 때는 제게는 과분한 많은

사람들이 제 곁에 남아 있더군요. 항상 웃는 모습으로 잘 되라하며

신경을 써주시던 김성찬 교수님, 미약한 제 논문을 심사하느라 신

경을 써주신 김기성 교수님, 손충렬 교수님께 이 지면을 빌어 감사

하다는 말씀을 꼭 드리고 싶습니다. 그리고 실험실에 제일 처음

후배라고 들어온 창환이, 꽃미남 영관이, 게임방 사장님 대호, 바보

같은 천사 동인이, 병옥이, 빨래당번 경일이, 뒤늦게 인연을 맺은

정민이, 재욱이, 채식주의자 정희, 진영이의 사랑스런 여자친구 선

희, 그리고 지금은 졸업했지만 항상 같이 마라톤 후미 그룹에서 다

정하게 걸어왔던 병일이형, 재욱이형, 종욱이, 맨날 술사달라고 졸

라대던 성준이, 재혁이형, 준범이형, 형진이형에게도 정말 감사하

다는 말을 드리고 싶네요.

어머님, 아버님. 무언의 사랑을 보여주신 당신께 드릴 말씀은 다만

사랑합니다. 그리고 오래 오래 기다려준 정호에게도 고맙다고 꼭

이야기 하고 싶네요.

가랑비에 옷 젖는 줄 모르는 건 바보 같은 짓이 아닙니다. 바보들

은 항상 결심만 하기 때문이죠. 항상 결심만 바보가 되지 않으려

작은 시작을 소중히 여기는 그런 새로운 시작을 하고 싶습니다.

모두들 행복하세요.

목차1. 서론1.1 연구배경1.2 연구목적

2. ESPI System의 원리3. 과대하중영향계수의 결정4. 실험4.1 재료 및 시험편4.2 실험방법

5. 균열성장시험결과 및 예측5.1 소성영역크기5.2 균열성장률5.3 계산되어진 예측결과와 실험결과의 비교

6. 결론References

표목차Table. 1 Chemical composition of SM490BTable. 2 Mechanical properties of SM490B

그림목차Fig. 1 Illumination configuration for in-plane electronic speckle pattern interferometry analysisFig. 2 Crack tip plastic zone under overloadingFig. 3 Change of an empirical constant during the retarded crack growth Fig. 4 Geometry of DENT specimen(unit:mm)Fig. 5 Geometry of ESET specimen(unit:mm)Fig. 6 Strain distribution measured by ESPI system according to cyclic loadingFig. 7 Strain distribution measured by ESPI system according to cyclic loading for DENT-5Fig. 8 Plastic zone shape on specimen surface using ESPI system for DENT-5Fig. 9 Change of position of plastic zone tip according to crack length for DENT-5Fig. 10 Strain distribution measured by ESPI system according to cyclic loading for ESET-6-3Fig. 11 Plastic zone shape on specimen surface using ESPI system for ESET-6-3Fig. 12 Change of position of plastic zone tip according to crack length for ESET-6-3Fig. 13 Crack growth test results for DENT-3, 5, 6Fig. 14 Crack growth test results for ESET-5-2, 6-3, and 7-1Fig. 15 Comparison of crack retardation model with test result for DENT-5Fig. 16 Comparison of crack retardation model with test result for ESET

목차1. 서론1 1.1 연구배경1 1.2 연구목적2

2. ESPI System의 원리3

3. 과대하중영향계수의 결정5

4. 실험 4.1 재료 및 시험편8 4.2 실험방법9

5. 균열성장시험결과 및 예측12 5.1 소성영역크기12 5.2 균열성장률26 5.3 계산되어진 예측결과와 실험결과의 비교 29 6. 결론32

References33

표목차Table. 1 Chemical composition of SM490B8Table. 2 Mechanical properties of SM490B8

그림목차Fig. 1 Illumination configuration for in-plane electronic speckle pattern interferometry analysis4Fig. 2 Crack tip plastic zone under overloading6Fig. 3 Change of an empirical constant during the retarded crack growth 7Fig. 4 Geometry of DENT specimen(unit:mm)9Fig. 5 Geometry of ESET specimen(unit:mm)9Fig. 6 Strain distribution measured by ESPI system according to cyclic loading12Fig. 7 Strain distribution measured by ESPI system according to cyclic loading for DENT-516Fig. 8 Plastic zone shape on specimen surface using ESPI system for DENT-520Fig. 9 Change of position of plastic zone tip according to crack length for DENT-522Fig. 10 Strain distribution measured by ESPI system according to cyclic loading for ESET-6-323Fig. 11 Plastic zone shape on specimen surface using ESPI system for ESET-6-3 24Fig. 12 Change of position of plastic zone tip according to crack length for ESET-6-325Fig. 13 Crack growth test results for DENT-3, 5, 627Fig. 14 Crack growth test results for ESET-5-2, 6-3, and 7-128Fig. 15 Comparison of crack retardation model with test result for DENT-530Fig. 16 Comparison of crack retardation model with test result for ESET31

전자스패클 시스템을 이용한 반복하중하에서의 피로균열진전시 …propagation...

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