25년 이상의 재료 시험, 금속학 및 시스템 공학 경험을 가진 MTS의 직원 과학자 에릭 슈바르츠코프 박사는 고객과의 협력에서 독특한 전문성을 제공합니다. 이번 Q&A에서는 균열이 형성되고 성장하며 변화하는 것을 측정하는 데 있어 직면하는 도전 과제에 대해 논의합니다.
Q: 균열 측정이 중요한 이유는 무엇인가요?
A: 균열은 발생합니다. 일부는 제조 과정에서 생성되며, 일부는 제품이나 구성 요소가 사용될 때 발생합니다. 균열이 형성되고 성장하며 변화하는 과정을 이해하는 것은 엔지니어와 제품 디자이너가 잠재적인 구성 요소의 고장을 발견하고, 문제 있는 재료의 행동을 완화하며, 결함 내성이 있는 제품과 구조물을 설계하는 데 도움을 줍니다.
Q: 엔지니어가 다양한 하중 및 열 조건에서 균열 길이를 측정하려고 하는 이유는 무엇인가요?
A: 구성 요소는 다양한 환경에서 사용되므로, 엔지니어는 이러한 실제 조건에서 어떻게 작동할지를 이해해야 합니다. 다양한 균열 측정 기술은 재료, 시편 기하학 및 측정되는 균열의 유형에 따라 특정 응용 프로그램에 더 적합합니다. 종종 응용 프로그램에 대한 적합성과 사용 용이성 사이에 상충 관계가 있으며, 일부 측정 기술은 특정 환경에서 더 잘 작동하기 때문입니다. 이러한 이유로 비상온 온도에서 균열을 측정하는 것이 특히 도전적일 수 있으며, 대부분의 금속의 용융점 이상의 고온에서는 아무 것도 잘 작동하지 않습니다.
Q: 균열 길이를 측정하는 데 사용되는 방법과 다양한 균열 측정 기술의 도전 과제는 무엇인가요?
A: 가장 오래된 방법은 균열을 찾아보는 것입니다 – 사람의 관찰이나 카메라를 통해. 이 방법은 비정상적인 시편 기하학이나 조명 문제로 인해 도전 과제가 될 수 있습니다.
두 번째 방법은 Compliance라는 방법으로, 이는 시편의 강성을 변화시키는 균열에 사용됩니다. Compliance 기술을 사용하면 하중과 변위를 측정하고, 하중/변위 선의 기울기 또는 강성과 균열 길이를 상관관계시킵니다. Compliance는 강성의 역수입니다. 균열이 성장함에 따라 강성은 감소하고 Compliance는 증가합니다. 이 기술은 표면 결함이나 모서리 균열과 같은 짧은 균열보다는 긴 균열에 사용됩니다. 짧은 균열은 성장하는 균열로 인해 시편의 Compliance에서 유의미한 변화를 나타내지 않기 때문입니다. 시작 균열을 결정하기 위해 잘 사용되지 않으며, 시작으로 인해 Compliance의 변화를 인지할 때쯤에는 균열이 이미 커져 있습니다.
세 번째 방법은 전기 전도성 재료에 사용할 수 있는 전기적 전위 강하입니다. 이 방법에서는 전원 공급 장치가 시편을 통해 일정한 전류를 흐르게 합니다. 낮은 저항을 가진 두꺼운 시편은 많은 전류(일반적으로 1암페어 이상, 때로는 10-20암페어까지 필요)와 함께 측정된 전기 전위의 많은 증폭을 요구합니다. 비전도성 시편의 경우, 연구자들은 시편 표면에 얇은 금속 호일을 붙입니다. 호일과 뒷면은 기저 시편이 균열날 때 찢어질 수 있을 만큼 약해야 하지만, 시편 자체를 강화해서는 안 됩니다. 호일은 불규칙하게 배치될 수 있거나, 접착제의 두께가 다를 수 있어 측정 반복성 문제를 일으킬 수 있습니다.
부서지기 쉬운 시편인 암석에 사용할 수 있는 또 다른 방법은 음향 방출입니다. 이 경우, 마이크로폰이 시편에 배치되어 소리를 측정합니다. 이 방법의 단점은 균열을 국소화하거나 그 길이를 파악하기 어려울 수 있다는 점입니다.
Q: MTS는 균열 길이 측정을 위해 어떤 솔루션을 제공하나요?
A: MTS는 다양한 시편 크기에 대한 Compliance 측정에 사용할 수 있는 변형 게이지를 제공합니다. 일반적인 압축 게이지 길이는 5mm에서 12mm이며, 일반적인 이동 거리는 3mm에서 5mm입니다. MTS는 실온 및 고온에서 사용할 수 있는 변형 게이지를 보유하고 있으며, 환경 챔버 내부에서도 사용할 수 있는 제품도 포함됩니다.
우리는 또한 1암페어에서 20암페어 사이의 일정한 전류를 제공하는 직접 전류 전위 강하(DCPD) 시스템을 보유하고 있으며, 이는 금속 시편에 가장 일반적으로 사용됩니다. 이 시스템은 5000배 이상의 증폭이 필요합니다. 우리의 DCPD 시스템은 5000배 이상의 증폭에서 시작하여 100000배까지도 가능합니다. 반면, 변형 게이지 컨디셔너는 500배에서 시작하여 5000배까지 가능하지만 50000배까지는 갈 수 없습니다.
MTS DCPD 시스템을 선택하는 장점 중 하나는 소프트웨어, 전자 장치 및 하중 프레임을 포함한 완전한 솔루션을 제공할 수 있다는 것입니다. 우리의 하중 프레임은 전기적으로 격리되어 있어, 전류가 시편을 통과하고 외부 프레임에는 흐르지 않도록 하는 것이 중요합니다. 우리는 그립도 전기적으로 격리할 수 있습니다. MTS는 정적 및 동적 테스트 모두에서 DCPD 솔루션을 사용해왔습니다.
마지막으로, MTS는 암석 역학을 위한 음향 방출 솔루션을 제공합니다.
Q: 균열 측정이 새로운 부품이나 기존 부품의 설계나 수명에 어떤 영향을 미칠 수 있나요?
A: 균열이 어디에 있고 어떤 과정에서 발생했는지 이해할 수 있다면 위험을 완화할 수 있습니다. 균열이 어떻게 성장하고 언제 발생하는지를 이해하면 기하학을 재설계하고 검사 주기 및 퇴역 주기에 대한 결정을 내릴 수 있습니다. 균열 측정은 어떤 영역을 재검토하거나 재설계해야 하는지를 결정하는 데 도움이 됩니다.
Q: 균열 길이 측정의 미래는 어떤 모습일까요?
A: 더 가벼운 재료와 대체 연료 개발에 대한 관심은 에너지 효율성을 높이고, 더 높은 온도와 부식성 환경을 견딜 수 있는 재료를 개발하는 세계적인 관심사로, 새로운 재료 시험 과제를 만들어내고 있습니다. 이러한 새로운 재료를 새로운 온도에서 실험하는 기술은 현재 부족합니다. 예를 들어, 엔진 구성 요소를 더 높은 온도에서 테스트해야 하고 금속 그립으로 구성 요소를 잡을 수 없다면, 그것은 문제를 일으킵니다. 물론 모든 것이 뜨겁지는 않을 것이며, 연구자들은 차가운 지역에서 센서를 통해 균열을 원격으로 모니터링할 수 있지만, 연구자는 측정된 값이 균열로 인한 것인지 실험적 아티팩트인지 구분해야 합니다. 연구자는 다양한 실험 구성 요소의 상호 작용을 이해해야 합니다.
하중 주기 동안 온도를 변화시키고 열 기계적 피로 및 피로 균열 성장을 동시에 살펴보는 데 대한 관심도 있습니다. 전기적 전위 기술을 사용할 경우, 얼마나 많은 전기 저항이 온도에 의한 것인지, 얼마나 많은 저항이 균열 길이에 의한 것인지 정리해야 합니다. 새로운 재료를 더 높은 온도에서 측정하기 위해 새로운 기준과 기술이 개발되어야 할 것입니다.
