(19) 대한민국특허청(KR)

(12) 등록특허공보(B1)

(45) 공고일자 2014년01월09일

(11) 등록번호 10-1347623

(24) 등록일자 2013년12월27일

(51) 국제특허분류(Int. Cl.)

G01N 21/88 (2006.01) G01N 3/08 (2006.01)

G01N 21/62 (2006.01)(21) 출원번호 10-2012-0038207

(22) 출원일자 2012년04월13일

심사청구일자 2012년04월13일

(65) 공개번호 10-2013-0115678

(43) 공개일자 2013년10월22일

(56) 선행기술조사문헌

KR1020070056850 A*

KR2019950002158 Y1*

JP06160259 A

이재민. 경북대학교, 석사학위논문, 2012.02, 31쪽.*

*는 심사관에 의하여 인용된 문헌

(73) 특허권자

한국세라믹기술원

서울특별시 금천구 디지털로10길 77 (가산동)

(72) 발명자

김형준

경기도 고양시 일산동구 마두1동 백마마을2단지극동삼환아파트 209동 503호

이성민

경기도 광주시 실촌읍 321 킴스빌리지 101-813

맹지헌

서울특별시 송파구 양재대로 1218, 201동 1903호(방이동, 올림픽선수촌아파트)

(74) 대리인

고길수

전체 청구항 수 : 총 2 항 심사관 : 김기현

(54) 발명의 명칭 세라믹 재료의 선 균열 측정방법

(57) 요 약

본 발명은, 세라믹 재료의 선 균열 측정방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, KSL 1600에 규정되어 있는 SEPB

법을 사용하면서 선 균열 도입 지그의 전면부에 CCD 카메라를 설치하고, 시험편에 응력이 작용할 때 우수한 휘도

특성을 나타내는 압광 재료를 도포하여 선 균열 길이의 환산이 가능하다.

파괴 인성은 재료의 고유물성이고, 파괴 인성에 대한 정확한 측정이 이루어져야 구조재료로의 응용가능성 및 파

괴 현상에 대한 예측이 가능하기 때문에 이에 대한 정확한 측정은 향후 구조물의 비파괴 검사에 사용될 수 있을

뿐만 아니라, 구조 설계에 응용할 수도 있을 것이다.

SEPB법에서의 선 균열 길이의 측정은 정확한 파괴 인성 값의 산출에 대한 근거가 되기 때문에 향후 구조물 설계

에 응용가능성이 높을 뿐만 아니라, 수동적인 방식에 의한 선 균열 길이의 측정이 아니기 때문에 꺾임 시험 지지

구와 연동해서 작동시킬 경우 세라믹 재료에 대한 선 균열 측정의 자동화가 가능하다.

대 표 도 - 도4

등록특허 10-1347623

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이 발명을 지원한 국가연구개발사업

과제고유번호 B0011327

부처명 지식경제부

연구사업명 공동연구기반구축

연구과제명 기능성 세라믹 생산기술 고도화 지원센터

기 여 율 1/1

주관기관 가천대학교 산학협력단

연구기간 2009.03.01 ~ 2014.02.28

등록특허 10-1347623

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특허청구의 범위

청구항 1

삭제

청구항 2

삭제

청구항 3

삭제

청구항 4

삭제

청구항 5

삭제

청구항 6

(a) 단면이 직사각형인 각기둥 형태인 세라믹 재료 시험편의 두께와 길이를 포함하는 면에 압광 재료를 도포하

는 단계;

(b) 상기 시험편의 너비와 길이를 포함하는 면에 비커스 압입 흔적 또는 놋치를 도입하는 단계;

(c) 상기 시험편의 하부에 위치하면서 상기 시험편이 가지고 있는 선 균열 기점에 대응하는 부위에 홈을 갖고

상기 시험편을 지지하기 위한 앤빌과 상기 시험편의 상부에 위치하는 압축 지그 사이에 상기 비커스 압입 흔적

또는 놋치가 도입된 시험편을 위치시키되, 상기 비커스 압입 흔적 또는 놋치가 있는 부위가 상기 앤빌의 홈이

놓이도록 배치하는 단계;

(d) 상기 압축 지그와 상기 앤빌을 상하에서 가압할 수 있는 선 균열 도입 부하장치를 이용하여 상기 앤빌과 압

축 지그 사이에 상하로부터 압축 하중을 가하는 단계;

(e) 상기 압축 하중을 가하면서 CCD 카메라로 상기 시험편의 두께와 길이를 포함하는 면에 대하여 상기 압광 재

료로부터 발생하는 발광을 촬영하여 선 균열의 길이를 측정하는 단계; 및

(f) 상기 압축 하중을 가하면서 팝인 소리가 검지되면 상기 압축 하중을 제거하는 단계를 포함하며,

상기 CCD 카메라는 압축 하중을 가하는 상기 선 균열 도입 부하장치와 연동되도록 구성되어 있고,

상기 (e) 단계에서 상기 압광 재료의 휘도로부터 상기 압광 재료가 도포된 면에 대하여 선 균열의 전진에 따른

응력을 측정하며,

상기 CCD 카메라는 다채널 데이터 연결방식을 채택하여 응력 데이타로부터 선 균열 길이를 산정하며,

상기 압광 재료는,

Sr1-xAl2(1-y-z)O4:xEu2+,yDy

3+,zNd

3+(0.001

상기 압광 재료는 1~100㎛의 두께로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료의 선 균열 측정방법.

청구항 7

삭제

청구항 8

제6항에 있어서, 상기 CCD 카메라는 초당 프레임의 속도가 300~1,000,000 프레임인 것을 특징으로 하는 세라믹

재료의 선 균열 측정방법.

청구항 9

삭제

명 세 서

기 술 분 야

본 발명은 선 균열 측정방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 파괴 인성을 측정하려고 하는 세라믹 재료 시험[0001]

편에 압광 재료(mechanoluminescence)를 도포하고, 압광 재료가 도포된 시험편에 사진 촬영의 방법으로 선 균열

의 길이를 측정하여 3점 곡강도 시험방법으로 파괴 인성을 측정하기 위한 세라믹 재료의 선 균열 측정방법에 대

한 것이다.

배 경 기 술

인간이 현상을 이해하는 데 있어서 시각적인 인지는 전체의 감각의 약 80%를 차지한다. 무엇이든지 눈으로 확인[0002]

하려는 본능이 있는 것이다. 그러나 우리가 다루고 있는 여러 물리 현상들은 볼 수 없는 것들이 대다수를 차지

한다. 그 실체의 존재는 익히 알고 있으나 직접적으로 볼 수 없는 물리 현상 중에 가장 대표적인 것이

응력이다. 물론 변형을 통하여 대략적인 추론은 가능하나 눈으로 식별하기 어려울 정도의 작은 변형이라면, 응

력의 실체를 인지하기는 매우 어려울 것이다. 따라서 실제 연구 현장이나 산업 현장에서는 응력 인지를 위해 복

잡한 부수장치가 따르는 간접적인 방법들을 이용하고 있다. 예를 들어 응력을 가시화하기 위해 변형률 게이지

(strain gauge), 초음파, X-선(X-ray) 등이 이용되고 있으나, 이러한 방법들은 모두 고비용의 복잡한 장치

(instrument)를 요구한다는 단점이 있으며, 더욱이 직접 볼 수 있는 것과는 차원이 다른 일종의 간접 측정이다.

이러한 응력이 중요한 영향을 끼치는 것 중의 한가지로 세라믹스의 파괴 인성에 대한 연구이다. 종래의 KSL[0003]

1600에 따르면 파괴 인성을 측정하는 방법으로 SEPB(Single edge precracked beam; 이하 'SEPB'라 함)법이 개

시되어 있다.

금속의 경우에는 전위증식기구(dislocation multiplicaton)가 잘 발달되어 있어서, 외부에서 인장력(tensile[0004]

stress)이 작용하더라도 스트레스가 작용하는 지점에서 변형이 일어나고, 파괴(fracture)가 발생하지 않는다.

하지만 구조용 세라믹스 재료는 급작스러운 파괴현상을 보이는 R-곡선 거동을 보인다. 상술한 인성 증가는 파인

세라믹 소재의 특성 개선에 대한 해결책으로 주목받아, 지난 30년 이상 준-정적 조건하에서 실험 및 이론적으로

매우 심도있게 연구되어 왔다.

하지만 균열 거동에 대한 연구가 세라믹 재료의 응용분야인 고온 구조 재료와 같은 분야에서 파괴 인성에 대한[0005]

예측치와 실험 결과치에서 차이가 나타나는 문제점이 있었다.

SEPB법을 사용하여 파괴 인성을 측정하는 경우, 선 균열에 대한 육안 관찰을 통하여 계산하는 방법을 사용함으[0006]

로써 구조해석에 대한 수치대입에 있어서 많은 오류를 발생시켰다.

발명의 내용

등록특허 10-1347623

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해결하려는 과제

본 발명이 해결하려는 과제는 압광 재료가 도포된 세라믹 재료 시험편에 대하여 상기 압광 재료가 발하는 광도[0007]

로부터 압광 재료가 도포되어 있는 장소에 대한 선 균열의 길이를 측정할 수 있는 선 균열 측정장치를 제공하는

데 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 압광 재료를 사용하여 세라믹 재료의 선 균열의 길이를 정확하게 측정하고[0008]

이를 SEPB법에 적용하여 높은 정밀도를 갖는 선 균열 측정방법을 제공하는 데 있다.

과제의 해결 수단

본 발명은, 세라믹 재료 시험편의 하부에 위치하면서 상기 시험편이 가지고 있는 선 균열 기점에 대응하는 부위[0009]

에 홈을 갖고, 상기 시험편을 지지하기 위한 앤빌과, 상기 앤빌의 상부에 위치하고 압광 재료가 도포된 시험편

과, 상기 시험편의 상부에 위치하는 압축 지그와, 상기 압축 지그와 상기 앤빌을 상하에서 가압할 수 있는 균열

도입 부하장치 및 상기 시험편에 가해지는 하중에 의해 상기 압광 재료로부터 발생하는 발광을 촬영하여 선 균

열의 길이를 측정하기 위한 CCD 카메라를 포함하는 세라믹 재료의 선 균열 측정장치를 제공한다.

삭제[0010]

상기 CCD 카메라는 상기 선 균열 도입 부하장치와 연동되도록 구성되어 있고, 초당 프레임의 속도가[0011]

300~1,000,000 프레임이며, 상기 CCD 카메라는 다채널 데이터 연결방식을 채택하여 응력 데이타로부터 선 균열

길이의 산정이 가능한 것일 수 있다.

상기 압광 재료는, Sr1-xAl2(1-y-z)O4:xEu2+,yDy

3+,zNd

3+(0.001

발명의 효과

본 발명에 의한 세라믹 재료의 선 균열 측정장치에 의하면, SEPB법을 적용할 때 선 균열 길이를 CCD 카메라를[0018]

사용하여 파악할 수 있다.

세라믹 재료 시험편에 압광 재료가 도포되어 있기 때문에 압광 재료의 휘도 변화로부터 균열의 전진에 따른 응[0019]

력 상태의 측정이 가능하다. 이러한 응력 측정이 비록 균열 선단부에 대한 상대적인 응력분포를 나타내는 데 불

과하다고 하더라도 세라믹 재료에 있어서 균열의 전진에 따른 응력의 변화는 균열의 길이를 직접적으로 보여주

고 있기 때문에 정확한 선 균열 길이의 측정이 가능하다.

이러한 선 균열 길이의 측정은 정확한 파괴 인성 값의 산출에 대한 근거가 되기 때문에 향후 세라믹 구조물 설[0020]

계에 응용가능성이 높을 뿐만 아니라, 수동적인 방식에 의한 선 균열 길이의 측정이 아니기 때문에 꺾임 시험

지지구와 연동해서 작동시킬 경우 세라믹 재료에 대한 선 균열 측정의 자동화가 가능하다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명에 따른 선 균열 도입 지그의 구성과 작동을 보여주는 모식도이다. [0021]

도 2는 SEPB법에서 비커스 압입 흔적을 보여주는 모식도이다.

도 3은 SEPB법에서 놋치의 도입을 보여주는 모식도이다.

도 4는 본 발명에 따른 선 균열 도입 지그와 선 균열을 측정하기 위한 CCD 카메라를 보여주는 모식도이다.

도 5 는 종래의 SEPB법을 사용한 경우 선 균열 전선의 모양을 나타낸 모식도이다.

도 6은 SEPB법에서 꺾임 시험 기구의 구성을 보여주는 모식도이다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는[0022]

이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른

형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일

부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 선 균열 도입 지그의 구성과 작동을 보여주는 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 선 균[0023]

열 도입 지그와 선 균열을 측정하기 위한 CCD 카메라를 보여주는 모식도이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 세라믹 재료의 선 균열 측정장치는 세라믹 재료 시험편의 하부에 위[0024]

치하면서 상기 시험편이 가지고 있는 선 균열 기점에 대응하는 부위에 홈(G)을 갖고 탄성률이 200~300GPa이며

소성 변형되지 않는 특성을 보이는 앤빌(30)과, 상기 앤빌(30)의 상부에 위치하는 압광 재료가 도포되어 있는

시험편(20)과, 상기 시험편(20)의 상부에 위치하고 탄성률이 200~300GPa이며 소성 변형되지 않는 특성을 보이는

압축 지그(10)와, 상기 압축 지그(10)와 상기 앤빌(30)을 상하에서 가압할 수 있는 하중증가속도가 300~400N/s

인 선 균열 도입 부하장치(미도시)와, 상기 시험편의 선 균열을 촬영하기 위한 CCD 카메라(40)를 포함한다. 도

4에는 하나의 CCD 카메라(40) 만을 도시하였으나, 도 4에 도시된 CCD 카메라(40)의 위치에 대하여 시험편을 기

준으로 반대편에 다른 하나의 CCD 카메라가 설치될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선 균열 도입 지그의 구성과 작동을 보여주는 모식도이다. 먼저 선 균열 도입 지그의 필[0025]

요성에 대하여 먼저 상술한다. 선 균열 도입지그의 필요성을 기술하기 위해서는 SEPB법이 가지고 있는 특징에

대하여 설명할 필요가 있다.

엔지니어들은 항복강도와 인장강도가 높은 재료를 개발하기 위해서 꾸준히 노력해 왔다. 강도가 높으면 부품들[0026]

을 작고 얇게 제작할 수 있어서, 결국 경량화가 가능하고, 부품들(특히 항공기 부품)이 가벼워지면, 재료 자체

와 에너지를 절약할 수 있기 때문이다. 그러나 설계 응력이 재료의 항복강도보다 작은 경우에도 부품이 파괴되

어 새로운 설계가 실패로 끝나게 될 수 있다. 특히 부품이 평면 변형율(plane strain) 조건에 있을 때 파괴되기

가 더 쉽다.

파괴기구는 재료 내부의 미소 결함 또는 개재물 등으로부터 균열이 시작되는 것으로 알려져 있다. 따라서 새로[0027]

등록특허 10-1347623

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운 재료를 이용하여 설계를 다시 하려고 할 때에는 파괴 인성이라고 하는 새로운 개념을 설계에 도입하게 되었

다.

파괴 인성(fracture toughness)은 균열을 얼마나 쉽게 전파할 수 있는가의 정도를 나타내는 재료 상수로 간주된[0028]

다. 우리가 찾아낼 수 있는 미세균열과 다른 결함들은 그 최소크기가 0.51mm이기 때문에 실용적인 관점에서는

0.51mm보다 작은 균열이 존재할 수 있다고 가정하고, 이 작은 균열이 성장하지 않을 응력을 계산하여 찾아낸다.

응력, 파괴 인성, 그리고 평면 변형율 하의 균열길이와의 상관관계가 수학식 1로 주어진다.

[수학식 1][0029]

[0030]

여기서 σ는 파괴응력, K는 파괴 인성, a는 균열의 길이(중앙길이의 ½)이고, Y는 구조물의 모양으로부터 계산[0031]

된 상수이다. 재료의 파괴 인성은 특히 시험편의 두께에 크게 영향을 받는다. 재료의 두께가 증가하면 파괴 인

성치가 감소하며, 전단 파면율(percent shear area)도 감소한다. 평면 변형율 상태에서 일정한 값을 갖는다. 그

러므로 파괴 인성은 응력 상태에 따라 영향을 받으며, 평면 응력 상태에서는 높고, 평면 변형율 상태에서는 낮

은 값을 가진다.

표면 균열을 포함한 실제 균열은 대부분 평면 변형율 상태이고 이때의 파괴 인성치가 낮은 값을 나타내기 때문[0032]

에 설계에서 평면 변형율 파괴 인성 KIC를 사용한다. 파괴 인성과 재료의 강도, 시험 온도, 하중 속도간의 관계

로서 항복강도가 높으면 파괴 인성은 감소하며, 온도에 따라 달라지는 천이특성을 보인다. 충격 흡수에너지는

하중속도가 빠르기 때문에 파괴 인성보다 천이온도가 증가한다.

이러한 파괴 인성의 측정법은 ASTM(American society for testing materials)에 규격으로 제정되어 있으며, 시[0033]

험편에 균열을 가공하고, 인장 또는 굽힘 하중을 가하여 평면 변형율 상태에서 파괴가 시작하는 시점에서 파괴

강도를 측정하는 방법이다.

먼저 재료의 파괴 인성의 정의는 수학식 2로 표현된다. [0034]

[수학식 2][0035]

KIC=Yσfc½

[0036]

따라서 재료의 파괴 인성을 측정하기 위해서는 c 크기의 균열을 가지는 시험편에 응력을 가하여 파괴를 일으킨[0037]

후, 그 파괴응력(σf)를 구하면 된다. 수학식 2에서 기하학적 상수 Y는 시험편 및 균열의 형상에 의존하며, 응

력 분석에 의해 얻어진다. 재료의 파괴 인성을 구하는 방법에는 압침 방법(indentation method), 놋치빔 방법

(nothced beam method), 이중 외팔보 방법(double cantilever beam method), 이중 비틀림 방법(double torsion

method), 선 균열 도입 방법(SEPB법) 등이 있다. 이 중에서 가장 널리 사용되고 있는 방법이 SEPB법이다.

SEPB법은 형태가 가지런한 균열을 비교적 용이하게 도입할 수 있다. 시험편형상이 단순하고, 파괴역학적 해석의[0038]

정밀도가 높다. 측정이 용이한 꺾임방식이다. 측정치의 재현성이 좋고, 측정하는 사람에 따른 편차도 적다. 특

히 고강도와 고인성을 보이는 세라믹스 재료의 경우 재현성에 있어서 고른 특성을 보이지 않기 때문에 이에 대

한 정밀도가 높은 데이터가 필요하다.

SEPB법은 KS L1600에 표준화되어 있는데, 소정의 크기를 갖는 시험편에 선 균열 도입치구를 이용하여 예리한 팝[0039]

인(pop-in) 균열을 도입하고 이것을 꺾임 파괴 후 파단면에서의 선 균열 길이를 측정하여 파괴 인성을 구하는

방법이다.

여기서 사용되는 시험편은 직육면체의 형상을 가지고 있다. 시험편의 크기는 두께(B)가 4.0±0.1㎜ 정도이고,[0040]

너비(W)는 3.0±0.1㎜ 정도이며, 시험편의 길이는 18㎜ 이상 또는 36㎜ 이상인 것이 바람직하다. 표면거칠기는

0.10~0.20㎛Ra인 것이 바람직하다. 표면 거칠기가 고르지 않을 경우 미세한 응력에 의해서 파괴가 일어날 수 있

기 때문에 표면 거칠기에 대한 설정이 필요하다.

표면 거칠기에 대하여 약술하면, 이하와 같다. 중심선 평균값의 기호로는 Ra, Aa, CLA를 사용하며, 각각 평균[0041]

거칠기(Roughness Average), 산술 평균치(Arithmetic average), 중심선 평균치(Center line average)라는 영문

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의 첫글자를 딴 것이며, 실제로는 같은 의미를 갖고 있다.

거칠기 곡선에서 각산과 골의 높이를 z라고 할 때 수학식 3이 성립한다.[0042]

[수학식 3][0043]

Ra=(z1+z2+z3+…zn)/n[0044]

여기서 Ra값은 기준길이 내의 거칠기의 평균값이므로 우연히 나타나는 한 두개의 이례적인 산이나 골은 평균값[0045]

에 영향을 주지 않는다. Ra값은 기준길이가 주어지지 않으면, 의미가 없으며, 같은 기준길이가 주어져야만 Ra값

이 산출된다. Ra값은 거칠기 모양에 대한 정보를 주지 않는다.

선 균열 발생기점의 도입은 시험편의 인장면에 세 개의 입자국을 만들거나 또는 다이아몬드 블레이드로 놋치를[0046]

만드는 방법을 사용한다. 이때 선 균열 발생기점의 도입 조건은 아래와 같다.

선 균열 발생기점의 도입위치는 시험판의 한끝으로부터 9±0.1㎜ 또는 18±0.1㎜인 위치에 도입하는 것이 바람[0047]

직하다. 이때 시험편의 도입각은 시험편과 수직으로부터 0.1~2°인 것이 바람직하다.

선 균열 발생기점의 도입방법으로는 비커스(누프)압입 흔적과 놋치의 방법이 있다. [0048]

도 2는 비커스 압입 흔적(50)을 도입한 것을 보여주는 모식도이다. [0049]

도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹 재료 시험편(20) 너비(W)의 중앙에 또는 중앙에 대하여 대칭적으로 복수의 점[0050]

을 압입 흔적(50)으로 위치시킨다. 이때 비커스 압입 흔적(50)의 1대각선(또는 누프압입 흔적의 긴 축)이 시험

편(20)의 길이(L) 방향에 대하여 직교를 이루도록 하여야 한다.

이때 비커스 압입 하중은 50~150N인 것이 바람직하다. 시험편(20)의 강도가 높다면 압입 흔적의 수를 늘릴 수[0051]

있다. 만일 비커스 압입 흔적을 사용할 수 없는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같은 놋치(60)를 사용한다.

도 3은 놋치(60)를 도입한 경우의 모식도이다. [0052]

도 3을 참조하면, 놋치(60)는 시험편(20)의 너비(W)와 길이(L)를 포함하는 면에 형성한다. 도 3에 도시된 확대[0053]

도를 참조하면, A는 놋치(60)의 너비를 나타내고, C는 놋치(60)의 깊이를 나타낸다.

놋치(60)의 너비는 0.2mm 이하, 바람직하게는 0.01~0.2mm이고, 놋치의 깊이는 0.5±0.1㎜인 것이 바람직하다. [0054]

도 1에 도시된 선 균열 도입 지그는 압축 지그(10) 및 앤빌(30)을 포함한다. 앤빌(30)의 상면의 중앙에 빈공간[0055]

(홈)을 위치시킨 것은 압축 지그(10)와 앤빌(30)을 누를 때, 선 균열 진전에 대한 방해 요소를 제거하기 위한

것이다. 이렇게 앤빌(30)에 중앙 홈이 배치되어 있으면, 선 균열 기점(25)로부터 선 균열이 진전해 나가기 쉽게

된다. 이러한 선 균열 기점(25)으로 사용되는 것이 도 2의 비커스 압입 흔적(50) 또는 도 3의 놋치(60)가 된다.

이러한 선 균열 도입 지그의 내압 한계는 6000kgf이다. 5000kgf 이상의 압력을 가하면, 앤빌(30)에 오목부가 생

기는 수가 있으므로 가능한 한 5000kgf 이하의 하중을 가하는 것이 좋다. 통상 세라믹스의 선 균열 발생 하중은

3*4*18(㎣)의 규격의 시험편에 대하여 너비(W:3mm)와 길이(L:18mm)의 면에 대해서 5000kgf 이하이다.

도 4는 본 발명에 따른 선 균열 도입 지그와 선 균열을 측정하기 위한 CCD 카메라를 보여주는 모식도이다. 도시[0056]

하지 않았지만 CCD 카메라(40)는 화상기록 시스템과 연결되어 있어서, 시험편(20)에 도포된 압광 재료의 발광상

태에 따라서 초고속 화상 기록시스템을 통해서 균열 첨단 및 흔적 영역을 포함하는 전체 균열 경로를 촬영하도

록 구성되어 있다. 이러한 촬영을 위해서 CCD 카메라(40)는 선 균열 도입 부하장치와 연동되도록 구성되어

있고, 초당 프레임의 속도가 300~1,000,000 프레임인 것이 바람직하다.

이러한 자료는 거시적 자료 형태로 기록되며, 디지털 그림 파일 형태로 저장된다. 본 발명에 사용된 초고속 화[0057]

상 기록시스템은 일반 초고속 카메라에 다채널 데이터 연결방식을 선택하여 해당 화상 기록 순간에 얻어지는 하

중값을 화상결과와 실시간으로 연동하므로써 균열길이에 따른 응력 확대 계수 값의 정확한 측정이 가능하다. 기

계적 특성 분석에 있어서 압축 곡선으로부터 얻어진 응력값의 변화로부터 응력 확대 계수값을 디지탈 카메라로

측정된 각 균열길이에 대하여 정량적으로 계산하는 것이 가능하도록 설계되어 있다.

이렇게 사용된 압광 재료에 대한 상세는 다음과 같다. 상기 압광 재료는 Sr1-xAl2(1-y-[0058]

z)O4:xEu2+,yDy

3+,zNd

3+(0.001

methyl-phenyl)benzotriazole) 5~40중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용된 압광 세라믹 분말인 Sr1-xAl2(1-y-z)O4:xEu2+,yDy

3+,zNd

3+(0.001

이 비트맵 파일로부터 각 사진의 개별 화소에 대한 적녹청(RGB) 휘도값을 읽어 들인 후, 상대적인 응력 파일로

저장이 가능하다.

물론 이때 측정되어진 응력 데이터는 상대적인 데이터에 불과하기 때문에 이로부터 응력 확대 계수의 전환은 정[0068]

확한 데이터 산출이 가능하다고 할 수 없다.

하지만 균열의 선단부에서의 반경이 작을 경우 균열의 진전속도가 빠르고, 작용하는 스트레스의 주변부와의 차[0069]

이가 크다고 가정하면, 본 발명에 따른 압광 재료의 분포에 따른 균열 거리로부터 응력 데이터는 균열의 진전상

태에 대한 확인을 가능하게 해준다.

파괴특성에 대한 결과를 응력 분포로부터 환원하는 것이 아니라 응력 분포가 균열 전단과 그 주변부에서 차이가[0070]

난다면 응력 분포에 대한 차이를 측정하는 방법으로 균열 선단을 확인하고, 이로부터 선 균열의 길이로 환원하

게 된다.

이렇게 응력분포로부터 선 균열의 길이로 환원하는 방법은 이에 대하여 최종적으로 3점 곡강도 측정시험을 통해[0071]

서 파괴 인성을 구하는 방법을 적용하기 때문에 시험의 대상이 되는 재료에 대한 파괴 인성으로의 환원에서의

정확성이 크게 증대된다.

종전의 사용방법이었던 선 균열의 도입과 이후 시험편의 파단면에 대한 고찰을 통해서 파괴 인성을 측정하는 방[0072]

법은 선 균열 전선(前線)이 불명확할 경우 효과적인 파괴 인성의 측정방법이 될 수 없었다.

도 5는 종래의 SEPB법을 사용한 경우 선 균열 전선의 모양을 나타낸 모식도이다. 도 5를 참조하면, 비커스 압입[0073]

흔적(50)이 표시되어 있고, 이로부터 균열이 전진해 나간 것을 보여준다.

종래에는 선 균열의 길이는 (a1+a2+a3)/3으로 계산하여 육안으로 관찰된 측정값인 a1, a2 및 a3에 대한 평균값으[0074]

로 계산하는 방식을 사용하였다.

종래의 방법은 이러한 선 균열 전선(90)을 하나하나 확인하고 이에 대하여 합산하는 방법을 사용하였기 때문에[0075]

선 균열 전선(90)이 명확하지 않을 때 효과적인 대응이 될 수 없었다.

게다가 놋치 방법을 사용할 경우에도 시험편(20)의 파단면(80)에 나타나는 선 균열 전선(90)에서 장소에 따라[0076]

다르게 나타나는 특성 때문에 정확한 데이터 산출이 어려웠다.

하지만 본 발명에 따른 선 균열 측정장치는 선 균열의 진전상태에 대한 정보를 압광 재료의 발광현상으로부터[0077]

얻는다. 압광 재료의 발광현상으로부터 선 균열의 진전상태에 대한 정보를 얻게 되고, 상술한 균열의 최첨단의

선단부에서의 반경이 작은 경우 선 균열의 최첨단의 선단부와 그 주변 영역 사이에 응력의 차이가 크게 나타나

기 때문에 균열의 진전상태에 대한 보다 정확한 데이터의 획득이 가능하다.

이러한 방법은 비록 선 균열에 대한 응력값을 응력 최대 계수로 치환하는 방법을 사용하지 않더라도 SEPB법의[0078]

장점을 살리면서 선 균열 전선(90)에 대한 정확한 기록을 얻을 수 있어서 재료의 고유물성인 파괴 인성에 대한

신뢰성있는 데이터의 획득을 가능하게 해준다.

이때 선 균열 전선(90)의 기울기, 기울어진 진행 및 길이의 허용범위에 대하여 이하의 조건을 만족해야 한다.[0079]

이때 선 균열의 길이를 a라고 하면, 수학식 4를 만족하여야 한다.

[수학식 4][0080]

[0081]

여기에서 amax는 선 균열 측정의 최대값을 나타내고, amin는 선 균열 측정의 최소값을 나타낸다. [0082]

또한 선 균열의 기울어진 진행의 허용범위는 선 균열의 진로가 시험편(20)의 진행방향에 대하여 10°이하이어야[0083]

한다.

그리고 선 균열의 길이는 1.2~2.4mm 범위내에 있어야 한다. [0084]

선 균열의 도입이 상기 서술된 조건의 범위를 만족하면, 이 시험편에 대하여서 파괴 인성을 측정하기 위해서 3[0085]

점 곡강도 시험을 수행한다. 먼저 선 균열이 도입된 시험편(20)에 대하여 도 4와 같은 꺾임 시험 지지구 사이에

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배치한다. 이때 시험편의 너비(W)와 길이(L)를 가지고 있는 면을 지지구 사이에 배치한다.

도 6은 꺾임 시험 기구를 보여주는 모식도이다. [0086]

도 6을 참조하면, 꺾임 시험 기구는 두 개의 지지점1(71)과 지지점2(72)를 가지고 있고, 하중점(75)을 가지고[0087]

있다. 이러한 지지점1, 지지점2와 하중점에서의 탄성률은 150~200GPa이고, 소성 변형되지 않는 재질로 구성되어

있다. 이때 지지점1(71), 지지점2(72), 하중점(75)의 곡률반지름은 2.0~4.0mm인 것이 바람직하다. 이때 지지점1

과 지지점2 사이의 거리(S)는 16.0±0.2mm 또는 30.0±0.5mmm인 것이 바람직하다.

앞 끝의 표면 거칠기는 0.3~0.40㎛Ra로 한다. 또한 상기 꺾임 시험 지지구는 좌우 동일한 모양이고, 시험편(2[0088]

0)의 너비(W)를 초과하는 길이를 갖는 것을 사용한다. 도 6에서 W는 시험편(20)의 너비이고, L은 시험편(20)의

전체길이이다.

선 균열을 도입한 시험편(20)을 도 6과 같이 꺾임 시험 지지구 사이에 배치하고, 파괴 하중을 측정한다. 이때[0089]

시험편의 너비(W)와 길이(L)를 가지고 있는 면이 꺾임 시험 지지구에 접하도록 한다.

시험편(20)의 길이방향과 지지구의 꺾임 시험 지지구의 길이 방향이 이루는 각이 90±2°범위에 있고, 또한 선[0090]

균열의 위치와 도 6에 표시된 하중점(75) 바로 아래의 길이가 0.1mm 범위 이내가 되도록 시험편(20)을

배치한다.

선 균열 앞끝이 충분히 건조된 조건에서 시험편(20)의 하중점(75)에 크로스 헤드 속도 0.5mm/min로 하중을 가하[0091]

여 시험편(20)이 파괴될 때까지 최대 하중을 측정한다.

파괴 인성 측정방법의 경우에는 시험편(20)이 파괴되고 난 후에 선 균열 전선(90)과 선 균열 전선(90)이 진전되[0092]

었는 지 여부를 확인할 필요가 없지만 규격 조건을 만족하였는 지 검사하기 위해 실시한다.

균열에 응력을 부가하는 로드의 방법에는 세 가지가 있다. 먼저 외부 응력이 걸리는 어떤 균열에 대하여 극좌표[0093]

계를 사용해서 분석하면, 웨스터가드(Westergaard), 어윈(Irwin), 스네돈(Sneddon) 및 윌리암스(Williams)에

따르면, 극좌표계로 표시할 때 수학식 5와 같이 표시된다.

[수학식 5][0094]

[0095]

수학식 5는 탄성 변형을 보이는 재료에 대하여 균열선단으로부터 거리(r)에 따라 스트레스가 걸리는 상태를 극[0096]

좌표계를 사용하여 수학적으로 표현한 식이다. 여기서 σij는 스트레스 텐서이고, r은 균열선단으로부터의 거리,

θ는 스트레스가 작용하는 지점에 대하여 균열선단의 방향과 이루는 각을 표현한다.

또한 k는 상수이고, fij는 θ의 함수이다. 이러한 수학식 5에서 주목할 점은 탄성 변형을 보이는 재료의 경우에[0097]

는 스트레스가 거리의 제곱근에 반비례한다는 점이다. 이때 균열이 겪게 되는 부하에는 세가지 타입이 있다. 모

드Ⅰ은 균열에 인장 응력을 가했을 때의 모드이고, 모드Ⅱ는 균열에 전단 응력(plane shear stress)이 작용하였

을 때를 나타낸다. 모드Ⅲ는 균열에 찢어짐 응력(out of plane shear stress)이 작용했을 때를 나타낸다. 통상

적으로 하나의 균열에는 세가지 모드가 동시에 작용한다.

위 세가지 모드 중에 어떠한 모드이든 관계없이 균열 주변에서의 응력의 크기는 k와 fij의 함수로 표현된다. 여[0098]

기서 k는 K(2π)½로 표현하는 것이 가능하고, KⅠ는 모드Ⅰ인 인장응력이 작용할 때의 응력 확대 계수가 된다.

이것의 한계값이 파괴 인성이라는 것은 앞에서 논의한 바와 같다.

본 발명에 따른 선 균열 측정장치는 SEPB법이 가지는 장점인 초기 균열값으로부터 파괴 인성을 구하는 과정에[0099]

서 발생하기 쉬운 오류인 초기 균열 길이에 대한 측정방법으로서 압광 재료를 사용하여 균열 선단에서의 응력

상태를 상대적으로 구하고 이로부터 균열의 길이를 구하는 방법을 사용하고 있다.

따라서 설사 CCD 카메라(40)로부터 관찰되는 응력의 데이타에서 오류가 발생하더라도 압광 재료가 균열 선단 부[0100]

위에서의 응력 데이터 측정에 있어서 오류를 일으키지 않는다면, 이로부터 균열의 길이를 환원하는 과정에서 오

류는 극히 미미한 부분에 불과할 뿐이다.

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이로부터 모드Ⅰ의 임계 확대 응력을 구하는 방법은 이하와 같다. 꺾임 시험 지지구로부터 얻어진 시험편(20)에[0101]

대하여 시험편이 각각의 설정조건을 만족하는 5개 이상의 시험편(20)에 대하여 파괴 인성(KⅠC)은 수학식 6에 의

한다.

[수학식 6][0102]

[0103]

수학식 6에서 P는 시험편(20)이 파괴될 때까지의 최대 하중(N)이고, S는 지지점1(71)과 지지점2(72) 사이의 거[0104]

리, B는 시험편(20)의 두께, W는 시험편(20)의 너비이다. a는 CCD카메라(40)와 화상기록 시스템으로부터 데이터

분석을 수행하여 측정된 선 균열 길이이다.

이때 5개 이상 시험편(20)에 대하여 파괴 인성의 평균값을 구하는데 MPam0.5의 단위를 사용한다. 여기서 Y는 아[0105]

래의 수학식 7에 의하여 구한다.

[수학식 7][0106]

[0107]

두 지지점1과 지지점2 사이의 거리가 16mm인 경우 S/B는 4.0이고, 0≤a/B≤1이다.[0108]

부호의 설명

10: 압축 지그 20: 시험편[0109]

30: 앤빌 40: CCD 카메라

50: 비커스 압입 흔적 60: 놋치

71: 지지점1 72: 지지점2

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도면

도면1

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도면5

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도면6

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문서서지사항요 약대 표 도특허청구의 범위명 세 서기 술 분 야배 경 기 술발명의 내용해결하려는 과제과제의 해결 수단발명의 효과

도면의 간단한 설명발명을 실시하기 위한 구체적인 내용부호의 설명

도면도면1도면2도면3도면4도면5도면6

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