87 연구논문 유한요소법과초음파메카트로닉스시스템에의한강도적불균질이음부의노치위치에따른균열발생한계조건 안규백 * 방한서 ** *** 豊田政男 * 삼성중공업생산기술연구소용접연구팀 ** 조선대학교공과대학항공 조선공학부 *** 오사카대학대학원공학연구과생산과학전공 Evaluation of Notch Location Effect on Ductile Crack Initiation at Strength Mismatched Joints by Finite Element Method and Ultrasonic-Mechatronics System Gyu-Baek An*, Han-Sur Bang** and Masao Toyoda*** *Institute of Industrial Technology Welding Research Part, Samsung Heavy Industries Co., LTD. Geoje Shipyard 530, Korea **Dept. of Architecture & Ocean Eng., Chosun University, Gwangju 501-759, Korea ***Graduate School of Engineering, Osaka University, Osaka 565-0871, Japan Abstract It has been well known that ductile fracture of steels is accelerated by triaxial stresses. The characteristics of ductile crack initiation in steels are evaluated quantitatively using a two-parameters criterion based on equivalent plastic strain and stress triaxiality. The present study focuses on the effects of strength mismatch, which can elevate plastic constraint due to heterogeneous plastic straining, on the critical condition for ductile fracture initiation usinga two-parameter criterion. Fracture initiation testing has been conducted under static loading using notched round bar specimens which had different notch locations. This study provides the fundamental clarification of the effect of strength mismatching and effect of notch location on the critical condition to ductile crack initiation from notch root using finite element method and ultrasonic-mechatronics system. The critical condition of ductile crack initiation from notch root of strength mismatched tensile specimens under static loading appeared to be almost the same as those of homogeneous tensile specimens with circumferential sharp notch specimen. Also, the effect of notch location in mismatched specimens was estimated using finite element(fe) analyses. * Corresponding author : gyubaek.an@samsung.com (Received September 9, 2005) Key Words : Ductile crack initiaion; strength mis-match; Sstress triaxiality; Equivalent plastic strain; Ultrasonic-mechatronics system 1. 서론 건축철골등의용접구조물에서는, 지진과같은큰부하에따라초기결함등의응력집중원이존재하지않아도용접부와같은구조적인응력-변형률집중부로부터큰소성변형을수반한연성균열이발생하여, 그것 이취성파괴의기점이되는경우가많이있다. 일본의효고현남부대지진에서는건축철골구조물의기둥과보의용접이음부에서이와같은연성균열의발생및진전을수반한취성적인파괴사례가많이보고되었다 1-2). 이와같은구조적불안정현상을가져오는강구조물의취성파괴를방지하고적절한안전성평가를위해 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 583
88 안규백 방한서 豊田政男 서는취성파괴에앞서발생하는연성균열의발생조건과지배인자를밝히고그한계평가수법을확립하는것이중요하다. 종래로부터강재의연성균열발생은다축응력장에의하여촉진되는것으로알려져있고 3-4), 이와같은연성균열의발생특성의정량적평가에상당소성변형률과응력다축도의 2 파라메타를이용한연구가많이발표되고있다 5-6). 또한실제의강구조물에있어서는일반적으로부재의표면에서균열이발생한경우가많고, 저자 7) 는날카로운원주노치를갖는환봉시험편을이용한 2파라메타에의한균열발생조건의검토를수행하여단순부하로인한노치표면에서의연성균열은거의상당소성변형률일정조건하에서발생한다는것을명확하게하였다. 한편노치표면부근에강도적불균질이존재한경우에는노치의위치에따라서연성균열은다르게거동할것으로생각된다. 본연구에서는강도적불균질을갖는용접이음부에대한노치의위치변화에따른연성균열발생메카니즘을규명하고용접이음부의건전성을평가하기위해초음파현미경을이용한단면탐상법과시험편의중앙단면까지연마한후 Scanning electron microscope (SEM) 을이용하여단면을관찰하는단면연마법에의한실험적관찰을행하였다. 또한노치위치의변화에따른균열발생한계조건을규명하기위하여실험결과를기본으로탄소성이론에의한 3차원탄소성해석을수행하여응력다축도와상당소성변형률의 2파라메타를사용한검토를수행하였다. 또한초음파메카트로닉스시스템과 SEM 및 FEM 해석을사용하여용접이음부에대한균열발생의메카니즘분석과건전성을평가하였다. 파악하기위하여, Fig. 1에서와같이확산접합에의해의도적으로강도적불균질부를갖는시험편을제작하였다. 시험편중앙 (Smooth, R2, R1시험편 : 균질재 ) 에서의균열발생거동에대해서는선행연구 8) 에서비슷한검토를수행하였으므로본연구에서는생략하고, 시험편의표면 (R0.1, M-R.01 시험편 ) 에서의노치위치의변화에따른연성균열발생거동에대한상세한검토를수행하였다. 실험에사용한 HT50, HT80 강재의화학조성을 Table 1에나타내었으며, 환봉인장시험에서얻어진응력-변형률관계및기계적특성을정리한것을 Fig. 2, Table 2에각각나타내었다. 균질재와강도적불균질부를갖는시험편에서, 노치표면에서의균열발생거동에대하여하중제하실험후에초음파음향현미경을이용하여내부균열의유무와위치를확인하였으며, SEM 에의한파면과단면의관찰을통해연성균열발생거동에대해서상세검토를수행하였다. Table 1 Chemical composition of HT50 and HT80 steels used Steels C Si Mn P S Ni Cr HT50 0.17 0.31 1.48 0.011 0.002 - - HT80 0.10 0.26 0.85 0.004 0.002 1.16 0.49 2. 대상시험편및실험방법 강도적불균질부를갖는용접이음부에대한표면과중앙에서의균열발생거동에대한소성구속의영향을 Fig. 2 Nominal stress and nominal strain curves obtained by tensile tests for homogeneous specimens Table 2 Mechanical properties of HT50 and HT80 steels used. Steels σ Y (MPa) σ T (MPa) YR ε T ET. RA S r(y) S r(t) Fig. 1 Configuration of round-bar tensile specimens with geometrical heterogeneity and strength mismatching HT50 298 522 57.0 14.1 30.8 68 HT80 0.10 0.26 72.9 6.6 20.2 68 1.81 1.41 σ Y : Lower yield stress, σ T : Tensile strength, ε T :Uniformelongation YR : Yield -to-tensile ratio (σ Y/σ T ), EL. : Elongation (G.L.=40mm) RA: Reduction in area, S r(y):σ Y HT80 /σ Y HT50, s r(t): σ T HT80 /σ T HT80 584 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005
유한요소법과초음파메카트로닉스시스템에의한강도적불균질이음부의노치위치에따른균열발생한계조건 89 3. 노치표면에서의초음파메카트로닉스시스템에의한연성균열발생거동의실험적검토 노치표면에서의균열발생거동을파악하기위하여파괴및하중제하실험을실시하였다. Fig. 3에는균질시험편 (R0.1) 에대한각각의진응력-진변형률곡선에서하중제하레벨이다른 3개의시험편단면을초음파현미경과 SEM 으로관찰한결과를나타내었다. 초음파현미경은 Fig. 4에나타낸것과같은 UH3(Olympus 사제작 ) 장치를이용하였다. Level 1에서는노치반경을따라서표면에다소곡률의흐트러짐이보이지만균열은발견할수없었으며, Level 2에서는노치표면에전단형으로성장한보이드가관찰되었고, Level 3에서는완전한연성균열로서인장축에대하여 45 방향으로진전되고있는것을확인할수있었다. 이러한관찰결과로부터노치표면에서의미끄러짐에의해서근처의보 이드가서로연결되어균열로성장되는거동임을알수있었다. 한편강도적불균질재로강도가급변한계면에노치를갖는강도적불균질재 (M-R0.1 시험편 ) 에대하여노치표면에서의연성균열발생거동에관한검토를수행하기위해, 강도적불균질재 (M-R0.1 시험편 ) 에대해파단시험과제하시험을수행하였다. 진응력- 진변형률관계와각각의제하레벨에대응한단면관찰결과를 Fig. 5에나타내었다. 그림에서알수있듯이 Level 1에서는연성균열이보이지않지만, Level 2 이후에서는미끄러짐분리에의한전단형태의균열이확인되었다. 또한균열의발생거동은균질재의노치표면에서의연성균열발생거동과흡사한양상을나타내었다. 한편, 진응력-진변형률관계에서나타내는것처럼, 시험편마다강도의불규칙함이있고, 또 2개의파단시험에서도파단변형률에상당한차이를보였다. 이는노치위치가변함에따른현상이라판단되어, 초기노치위치를추정하기위해, 제하한시험편의중앙단면을 SEM 으로관찰하여균열발생방향을확인하였다. 중앙단면의관찰결과를 Fig. 6에나타내었다. (a) 에서는균열이 HT50 강쪽에발생하여성장하였음을알수있었으며, (b) 는 HT80 강측에서연성균열이발생하여성장하였음을알수있었다. 이것으로부터 (a) 와 (b) 에서는초기노치가각각다른곳에위치하였음을알수있었다. 즉원주부분의변형정도로부터초기의위치는 (a) 의시험편은 HT50 강측에 (b) 의시험편은 HT80 강측에위치하고있었던것이밝혀졌으며, 이로부터노치의위치가파괴강도등에영향을미친것으로생각된다. 노치위치에따른노치주위의응력-변형률관계등의상세한검토 Fig. 3 Ductile crack initiation behavior of R0.1 specimen Fig. 4 Measurement part of scanning acoustic microscope Fig. 5 Ductile crack initiation behavior of M-R0.1 specimen in mis-matched specimen 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 585
90 안규백 방한서 豊田政男 (a) Ductile crack in HT50 steel side (b) Ductile crack in HT80 steel side Fig. 6 Micrographs of the sectioned specimens near the notch root after corrosion 를수행하기위하여유한요소법에의한수치해석을수행하였다. 4. 강도적불균질재의노치위치의영향에따른균열발생한계조건 4.1 해석모델및조건 실험에서는강도적불균질재의연성균열발생거동이노치위치에따른파악이곤란하였기때문에, 실험결과를바탕으로유한요소법에의한수치해석을통하여초기노치의위치의추정과균열발생한계에미치는노치위치의영향에대하여검토하였다. 해석모델의형상과치수는시험편과동일하고노치위치를변화시키기위하여 Fig. 7에나타낸것처럼 HT50 강과 HT80 강의접합계면에메시라인을두어노치 (notch root) 와접합계면과의거리 (=d) 가 0( 이경우접합계면에정확하게노치가위치한경우 ), 0.03, 0.06, 0.09, 0.14, 0.19mm이되도록모델을제작하였다. 또한노치의위치가 HT50 강, HT80 강에위치하도록하여총 11개의모델에대하여해석을수행하였다. 또한, 해석에사용한요소는 4절점축대칭요소를이용하였고모 든모델에서중앙단면내의최소요소크기는 0.03mm 0.03mm로동일하게하였다. 탄소성이론에의하여기하학적비선형성을고려한대변형해석을수행하였으며비압축성의 Mises 의항복조건을채용한등방경화모델을사용하였다. 본해석은향후의실험속도에따른열의발생에의한온도상승과소성일에의한열의발생과열전도의현상을고려한열-응력의연성해석을, 범용 FEM 해석코드인 ABAQUS Ver.5.8 을이용하여수행하였다 9). 4.2 강도적불균질재의노치위치의변화에따른표면에서의연성균열발생한계평가 강도적불균질재의접합계면에노치가위치하는경우 (d=0) 의접합경계로부터 HT50 강에위치하는요소와 HT80 강에위치하는요소에대하여상당소성변형률과응력다축도의관계의이력을 Fig. 8에나타내었다. 균질재 (HT50 강 ) 의경우의이력에비하여불균질재의 HT50 강쪽의요소는응력다축도가상승하고, HT80 강쪽의요소는응력다축도가하강함을볼수있었다. 이는, HT50 강은주위에존재하는경질부에의해서변형이구속되어소성구속의영향을받고, 반대로 HT80 강의경우는주위에존재하는연질부가변형하는것에의해서소성완화가발생한때문으로보여진다. 이것으로부터실험에서하중제하레벨에서의균열발생의단면사진과해석의결과를비교하여서초기노치의위치를추정하고자하였다. Fig. 9에는실험의단면변형사진과그것과동일한부하레벨에서의해석모델의변형도 (d=0,0.09,0.19) 를나타내었다. 접합계면과변 Fig. 7 Mesh division of M-R0.1 specimens Fig. 8 Relation between equivalent plastic strain and stress triaxiality of HT50 and HT80 side element in the notch bottom of d=0 model 586 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005
유한요소법과초음파메카트로닉스시스템에의한강도적불균질이음부의노치위치에따른균열발생한계조건 91 형후의노치로부터의거리를비교하면, d=0.09 의모델이실험과가장잘일치하고있으며, 따라서, 초기노치가접합계면으로부터약 0.09mm 떨어진위치에존재하였다고추정된다. 또한초기노치의위치가 HT50 강쪽에위치하는경우의각모델에대한노치요소의상당소성변형률과응력다축도의이력을노치위치가접합계면으로부터떨어진거리에대하여 Fig. 10에나타내었다. 노치위치와접합계면의거리가멀어질수록, HT80 강의구속의영향을작게받기때문에, 응력다축도의상승이완만해지는것을알수있듯이, 노치의 Fig. 11 Criterion for ductile crack initiation from specimen surface of mis-matched specimens Fig. 9 Comparison of deformation at ductile crack initiation level between experiment and FEanalysis 위치에따라소성구속의영향이다름을확인할수있었다. Fig. 11에는노치표면에서의연성균열발생한계조건을파악하기위하여상당소성변형률과응력다축도의 2파라메타로써중앙에서의균질재 (HT50 강재 ) 의균열발생조건과동시에나타내었다. 시험편표면에서균열발생한계조건에주목하여초기노치의위치가 d=0.09 의경우를나타내었는데, 균질재의균열발생한계값과조금의차이는있지만거의동일한한계값을나타내었다. 이것은앞에서고찰한것과같이초기노치가접합부의경계면에위치하지못함으로인해소성구속의완화로균질재 (HT50 강재 ) 와큰차이를나타내지않는것이라고생각된다. 한편, 본연구에서는시험편의가공의어려움으로인해정확하게경계면에노치를위치시킨경우 (d=0) 에대한실험을수행할수없었지만, d=0 인경우에대한해석결과를바탕으로, 향후시험편가공정도를향상시켜 d=0인경우에대한실험과해석에의해서균열발생한계조건을검토할계획이다. 5. 결론 Fig. 10 Relation between equivalent plastic strain and stress triaxiality of HT50 side element in the notch bottom of strength mismatch specimen 강도적불균질을갖는용접이음부에대한노치위치의변화에따른연성균열발생의메카니즘분석과발생한계조건을확립하고용접이음부의건전성을평가하기위해, 유한요소법 (FEM) 에의한열-응력연성해석과초음파메카트로닉스시스템에의한관찰을행하였다. 이하에얻어진결과를요약하여나타내었다. 1) 본실험에서균질재와강도적불균재의노치표면에서의연성균열발생은미끄러짐에따른면분리에의한하중방향의 45 방향으로전단균열이발생하였으며, 발생변형률에는다소차이가있었지만, 거동자체는거 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 587
92 안규백 방한서 豊田政男 의동일함을알았다. 2) 유한요소법에의한수치해석에의해서초기노치위치의추정이가능하였으며, 상당소성변형률과응력다축도의 2파라메타에의해서표면에서의연성균열발생한계조건의평가가가능하였다. 또한, 노치위치가접합계면으로부터멀어질수록소성구속의영향을작게받게되며, 본연구의범위에서는균질재와강도적불균질재의표면에서의연성균열발생한계값은거의동일하게평가되었다. 참고문헌 1. AIJ : Reconnaissance Report on Damage of Steel Building Structures Observed from the 1995 Hyogoken- Nanbu (Hanshin/Awaji) Earthquake, Steel Committee of Kinki Branch, (1995), (in Japanese) 2. M. Toyoda : How Steel Structures Failed in Japan Great Earthquake. Welding Journal, 74-12 (1995), 132-136 3. F A. McClintock : A Criterion for Ductile Fracture by the Growth of Holes. Journal of Applied Mechanic. Transactions of the ASME, 35 (1968), 363-371 4. J W. Hancock and A C. Mackenzie : On the Mechanisms of Ductile Failure in High-Strength Steels Subjected to Multi-Axial Stress-States, Journal Steels Subjected to Multi-Axial Stress-States, Journal of Mech. Phys. Solids, 24 (1976), 147-169 5. A. Otsuka, T. Miyata, S. Nishimura, M. Kimura and M. Mabuchi : Effect of Stress Triaxiality on Ductile Fracture Initiation Low Strength Steels. Journal of The Society of Materials Science of Japan, 29-322 (1976), 717-723. (in Japanese) 6. M. Toyoda, M. Ohata, N. Ayukawa, G. Ohwaki, Y. Ueda and I. Takeuchi : Ductile Fracture Initiation Behavior of Pipe under A Large Scale of Cyclic Bending. Proc. 3rd Int. Pipeline Technology Conf., Brugge, Belgium, 2 (2000), 87-102 7. G. B. An, M. Ohata, M. Mochizuki. H.S. Bang. M. Toyoda: Effect of strength mismatch on ductile crack initiation behavior from notch root under static loading, Key Engineering Materials, 298 (2005), 756-761 8. G. B. An, M. Ohata, H. S. Bang and M. Toyoda : Analytical Examination of Ductile Crack Initiation with Strength Mismatch under Dynamic Loading Criterion for Ductile Crack Initiation Effect of Strength Mismatch and Dynamic Loading (Report 2), Journal of Korean Welding Society, 21-7(2003), 755-764 (in Korean) 9. Hibbit Karlsson, Sorensen., ABAQUS/Standard Users Manuals, Ver. 5.8, (1998), 1 to 3 588 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005