KR101248279B1

KR101248279B1 - 파괴인성 시험장치

Info

Publication number: KR101248279B1
Application number: KR1020100137721A
Authority: KR
Inventors: 최성대
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2013-03-27
Also published as: KR20120075844A

Abstract

본 발명은 파괴인성 시험장치에 관한 것으로, 시험편에 2축 방향의 하중을 동시에 또는 선택적으로 가하고 각 방향의 하중을 정밀하게 개별 제어하여 실제 환경과 같은 다양한 하중 조건 하에서 시험편의 파괴인성을 구할 수 있는 파괴인성 시험장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파괴인성 시험장치는, 베이스; 상기 베이스 상에 서로 직교하는 방향으로 배치된 제1고정부 및 제2고정부; 상기 베이스 상에 상기 제1고정부 및 제2고정부와 각각 대향하도록 서로 직교하는 방향으로 배치되어 서로 직교하는 두 방향의 하중을 발생시키는 제1가동부 및 제2가동부; 시험편의 적어도 일부를 잡아 구속하며 상기 제1고정부 및 제2고정부에 연결되어 시험편에 서로 직교하는 두 방향의 하중에 대한 응력이 걸리도록 하는 제1지그; 상기 제1지그와 대향하여 시험편의 다른 부분을 잡아 구속하며 상기 제1가동부 및 제2가동부에 연결되어 시험편에 서로 직교하는 두 방향의 하중을 인가하는 제2지그; 상기 제1가동부 및 제2가동부에 각각 구비되어 회전동력을 제공하는 써보모터; 상기 각 써보모터의 회전동력을 전달하여 상기 제2지그가 서로 직교하는 두 방향의 하중에 의해 이동되게 하는 동력전달수단; 및 상기 각 써보모터의 작동을 제어하여 시험편에 인가되는 하중의 방향과 크기를 조절하는 제어기를 포함하여 구성된다.

Description

파괴인성 시험장치 {FRACTURE TOUGHNESS TESTING MACHINE}

본 발명은 파괴인성 시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2방향의 하중을 선택적으로 또는 조합적으로 가하여 다양한 하중 조건에 대한 파괴인성 시험을 행할 수 있고, 제어 계통이 간단하면서도 신뢰성을 향상시킬 수 있는 파괴인성 시험장치에 관한 것이다.

파괴인성(Fracture Toughness)은 파괴역학적 인자로서 외부로부터 가해지는 하중에 대해 견딜 수 있는 저항 정도를 나타내는 재료 고유의 성질이다. 일반적으로, 재료의 실제 강도는 이론적 강도에 비해 약하기 때문에, 실제 시험을 통해 재료의 파괴인성을 측정하는 것은 구조물 해석에 있어 매우 중요하다.

통상 재료의 파괴인성은 일정 크기의 균열을 가진 시험편에 응력을 인가해 측정된 파괴응력을 이용하여 산출하게 되는데, 재료의 CT시험편(Compact Tension Specimen)을 이용한 파괴인성 시험시에 나타나는 파괴양상은 세 가지 모드(mode)로 구분할 수 있다. 도 1에 각 파괴양상 모드가 개략적으로 도시되어 있다. 도 1의 (a)는 노치 선단에서 인장력이 걸리도록 동일선상의 반대방향 힘(f)이 가해진 상태(모드 1)이고, (b)는 노치 선단에서 횡방향 전단력이 걸리도록 힘(f)이 가해진 상태(모드 2), (c)는 노치 선단에서 종방향 전단력이 걸리도록 힘(f)이 가해진 상태(모드 3)이다.

상기와 같이 시험편에 발생되는 응력은 힘의 방향에 따라 다양하게 발생하게 되는데, 종래의 파괴인성 시험은 시험편에 일축방향으로만 힘을 가하여 파괴인성을 측정하는 방식으로 행해졌다. 이러한 일축 시험은 시험편의 일측을 고정하고 타측에 힘을 가하여 시험편의 파괴인성을 구하는 것으로, 상기한 모드 1 또는 모드 2 각각의 거동 시험에 의한 결과만을 얻게 된다. 이에 따라, 종래에는 실제 환경에서 재료에 다양하게 적용되는 하중 조건을 만족하는 파괴인성을 구하기가 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시험편에 2축 방향의 하중을 동시에 또는 선택적으로 가하고 각 방향의 하중을 정밀하게 개별 제어하여 실제 환경과 같은 다양한 하중 조건 하에서 시험편의 파괴인성을 구할 수 있는 파괴인성 시험장치를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 베이스; 상기 베이스 상에 서로 직교하는 방향으로 배치된 제1고정부 및 제2고정부; 상기 베이스 상에 상기 제1고정부 및 제2고정부와 각각 대향하도록 서로 직교하는 방향으로 배치되어 서로 직교하는 두 방향의 하중을 발생시키는 제1가동부 및 제2가동부; 시험편의 적어도 일부를 잡아 구속하며 상기 제1고정부 및 제2고정부에 연결되어 시험편에 서로 직교하는 두 방향의 하중에 대한 응력이 걸리도록 하는 제1지그; 상기 제1지그와 대향하여 시험편의 다른 부분을 잡아 구속하며 상기 제1가동부 및 제2가동부에 연결되어 시험편에 서로 직교하는 두 방향의 하중을 인가하는 제2지그; 상기 제1가동부 및 제2가동부에 각각 구비되어 회전동력을 제공하는 써보모터; 상기 각 써보모터의 회전동력을 전달하여 상기 제2지그가 서로 직교하는 두 방향의 하중에 의해 이동되게 하는 동력전달수단; 및 상기 각 써보모터의 작동을 제어하여 시험편에 인가되는 하중의 방향과 크기를 조절하는 제어기를 포함하고,
상기 제1고정부 및 제2고정부에 각각 설치되어 시험편에 가해지는 직교하는 두 방향의 하중을 감지하는 하중센서와, 상기 제1가동부 및 제2가동부에 각각 설치되어 각 방향의 하중에 의한 변위를 감지하는 변위센서를 더 포함하며, 상기 제어기는 각 방향의 하중센서 및 변위센서의 감지신호를 수신하여 상기 각 써보모터의 작동을 제어하고, 상기 동력전달수단은 상기 써보모터에 의해 회전되는 이송스크류와, 상기 이송스크류의 회전에 따라 직선운동하여 상기 제2지그를 이동시키는 가동블록을 포함하는 파괴인성 시험장치를 제공한다.

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상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 직교하는 두 방향의 고정부와 이에 대향된 두 방향의 가동부를 통해 시험편에 2축방향으로 하중을 인가하고, 각 가동부에 구비된 써보모터의 출력을 조절하여 각 방향의 시험하중을 정밀하게 제어할 수 있도록 함으로써, 실제 환경과 유사한 다양한 조건의 시험하중을 시험편에 가하여 실제의 파괴양상에 보다 현실적으로 부합되는 파괴인성 측정이 가능하게 되어 구조물 해석 및 설계의 정확도를 높일 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 각 지그의 고정부와 가동부와 연결되는 부분에 인가되는 하중의 방향과 직교하는 방향으로 이동이 자유롭게 하는 횡이동 연결수단을 구비함으로써, 각 방향의 시험하중 간의 간섭을 방지하여 더욱 정확한 시험 결과를 얻을 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 통상의 CT시험편을 이용한 파괴인성 측정시험에서 발생되는 각 파괴양상 모드를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 파괴인성 시험장치의 일 실시예를 도시한 전체 구성도이다.
도 3은 도 2의 시험장치에서 시험기본체를 도시한 정면도이다.
도 4는 도 3의 시험기본체에서 지그를 도시한 사시도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 파괴인성 시험장치의 일 실시예를 도시한 전체 구성도이고, 도 3은 도 2에서 시험기본체를 도시한 정면도이며, 도 4는 상기 시험기본체에서 지그를 도시한 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 파괴인성 시험장치는 시험기본체(100), 제어기(191) 및 컴퓨터(193)로 이루어진다.

상기 시험기본체(100)는 시험편(10)에 다양한 조건으로 2축방향 또는 1축방향의 하중을 가하고 시험편의 파괴과정에서 발생되는 부하와 변형을 검출하는 것으로, 도 3 및 도 4를 함께 참조하여 설명하면, 본체프레임(101)과, 이 본체프레임(101)의 상부에 세워 설치된 판형의 베이스(102)와, 각각 상기 베이스(102)의 정면부 상측과 좌측에 베이스(102)의 중앙부를 향해 서로 직교하는 방향으로 설치된 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)와, 각각 상기 베이스(102)의 정면부 하측과 우측에 베이스(102)의 중앙부를 향해 서로 직교하는 방향으로 설치된 제1가동부(130) 및 제2가동부(140)와, 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)에 체결된 제1지그(150)와, 상기 제1가동부(130)와 제2가동부(140)에 체결된 제2지그(160)와, 상기 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)에 각각 설치된 수직 하중센서(195) 및 수평 하중센서(196)와, 상기 제1가동부(130) 및 제2가동부(140)에 각각 설치된 수직 변위센서(197) 및 수평 변위센서(198)로 이루어진다.

상기 제1지그(150)는 내측에 시험편(10)을 잡는 클램핑돌부(151)가 하향하도록 구비되고 볼트 등의 체결수단에 의해 서로 분리 가능하게 결합된 한 쌍의 판형 클램프(152)와, 이 클램프(152)의 상측과 좌측 부분을 각각 수직 및 수평방향으로 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)에 연결시키는 수직 고정블록(153) 및 수직 연결블록(155), 수평 고정블록(154) 및 수평 연결블록(156)으로 이루어진다. 상기 수직 고정블록(153)과 수직 연결블록(155), 수평 고정블록(154)과 수평 연결블록(156)은 서로 결합된 상태에서 각각에 수직 및 수평 방향으로 시험하중이 가해질 때 각 방향의 하중이 서로 간섭되지 않고 시험편(10)에 전달될 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 상기 수직 및 수평 고정블록(153, 154)에는 각각에 가해지는 시험하중과 직교하는 방향으로 가이드홈(153a, 154a)이 형성되고, 상기 수직 및 수평 연결블록(155, 156)에는 상기 가이드홈(153a, 154a)에 이동 가능하게 삽입 결합되는 가이드돌부(155a, 156a)가 구비된다.

상기 제2지그(160)는 전술한 제1지그(150)와 동일한 구조로 이루어지되, 그 설치방향만 다르게 장착된다. 즉, 제2지그(160)는 클램핑돌부(161)가 상향되도록 클램프(162)가 배치되고, 이 클램프(162)의 하측이 수직 고정블록(163) 및 수직 연결블록(165)을 통해 상기 제1가동부(130)에 연결되고, 우측이 수평 고정블록(164) 및 수평 연결블록(166)에 의해 제2가동부(140)에 연결되며, 각 고정블록(163, 164)과 연결블록(165, 166)은 가이드홈(163a, 164a) 및 가이드돌부(165a, 166a)에 의해 하중방향에 대하여 횡방향으로 슬라이드 가능하게 결합된다.

상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)는 도시된 바와 같이 동일한 구조로 이루어지되, 설치 위치와 방향만 다르게 된 것으로, 각각 상기 제1지그(150)의 수직 및 수평 고정블록(153, 154)과 볼트 등의 체결수단을 매개로 결합되어 각 고정블록을 고정시킨다.

상기 제1가동부(130)와 제2가동부(140) 역시 서로 동일한 구조로 이루어지되, 설치 위치와 방향만 다르게 배치된다. 제1가동부(130)는 축받이(131)에 의해 수직 배치된 상태로 회전 가능하게 설치된 수직 이송스크류(132)와, 이 수직 이송스크류(132)의 나사부에 결합되어 수직 이송스크류(132)의 회전에 따라 상하로 이동하는 수직 가동블록(133)과, 상기 이송스크류(132)의 회전에 의해 수직 가동블록(133)이 직선운동되게 하는 안내수단과, 상기 수직 이송스크류(132)를 회전시키는 수직하중 써보모터(134)로 이루어진다. 이와 동일하게, 상기 제2가동부(140)는 수평하중 써보모터(144)에 의한 수평 이송스크류(142)의 회전에 따라 수평 가동블록(143)이 좌우로 이동하도록 구성된다. 이 제1 및 제2가동부(130, 140)의 수직 및 수평 가동블록(133, 143)에 상기 제2지그(160)의 수직 및 수평 고정블록(163, 164)이 각각 체결되어 각 가동블록의 이동에 따라 시험편(10)에 각각 수직 및 수평방향 시험하중이 가해지게 된다.

상기 써보모터(134, 144)는 각각 상기 제어기(191)에 연결되어 제어기(191)의 출력신호에 따라 개별적으로 작동이 제어되고, 이를 통해 제1지그(150)와 제2지그(160)의 사이에 물린 시험편(10)에 수직 및 수평방향으로 요구되는 시험하중이 작용되도록 한다.

상기 하중센서(195, 196)는 각각 상기 제어기(191)에 연결되고, 시험편(10)에 가해지는 수직방향 하중 및 수평방향 하중을 감지하여 이 신호를 제어기(191)에 전달한다.

상기 변위센서(197, 198) 역시 각각 상기 제어기(191)에 연결되어 시험편(10)에 발생된 수직방향 변형 및 수평방향 변형을 감지하고 이 신호를 제어기(191)에 전달한다.

상기 제어기(191)는 컴퓨터(193)와 연결되어 컴퓨터(193)로부터 전달된 하중의 크기와 방향 등의 시험조건에 따라 상기 써보모터(134, 144)의 작동을 제어하고, 상기 하중센서(195, 196)와 변위센서(197, 198)로부터 입력된 감지신호를 컴퓨터(193)에 전달하여 시험 진행상태 및 결과를 표시할 수 있게 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 파괴인성 시험장치는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 시험편(10)을 제1 및 제2지그(150, 160)에 물려 파괴인성을 측정한다. 상기 시험편(10)은 도 3에 도시된 바와 같은 통상의 CT시험편(10')을 사용할 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 같은 전용의 시험편(10)을 사용할 수도 있다. 이 전용의 시험편(10)은 수직방향 상하 및 수평방향 좌우로 네 개의 고정돌부(11)가 형성되고 중심부 둘레의 각 고정돌부(11) 사이에 원형요홈(12)이 형성되어 통상의 CT시험편(10') 보다 약간 큰 형태를 갖는다.

상기 전용의 시험편(10)을 사용할 경우, 상측과 좌측의 고정돌부(11)는 제1지그(150)의 클램프(151)에 물리고, 하측과 우측의 고정돌부(11)는 제2지그(160)의 클램프(162)에 물린다. 상대적으로 크기가 작은 통상의 CT시험편(10')을 사용할 경우에는 노치가 측방을 향하도록 배치하여 상부는 제1지그(150)의 클램핑돌부(151)에 물리고 하부는 제2지그(160)의 클램핑돌부(161)에 물릴 수 있다.

상기와 같이 시험편(10)의 고정이 완료되면, 컴퓨터(193)를 통해 시험조건 등을 입력하고 시작신호를 입력하면 상기 제어기(191)에 의한 피드백 제어를 통해 각 써보모터(134, 144)가 셋팅된 하중조건에 따라 작동된다. 써보모터(134, 144)의 작동에 의해 각 이송스크류(132, 142)가 회전되면, 양측 가동블록(133, 143)이 각각 수직방향 및 수평방향으로 이동하면서 고정블록(163, 164)과 연결블록(165, 166)을 통해 시험편(10)에 각 방향으로 하중을 가하게 되고, 이 하중에 의해 시험편(10)의 소정 위치와 방향으로 파단이 발생하게 된다.

이때, 각 하중센서(195, 196)에 의해 감지된 수직 및 수평방향의 하중과 각 변위센서(197, 198)에 의해 감지된 수직 및 수평방향의 변형이 제어기(191)를 통해 컴퓨터(193)로 전달되고, 그 결과가 컴퓨터(193)에 의해 산출되어 디스플레이된다.

이와 같이, 상기 수직 및 수평하중 써보모터(134, 144)가 제어기(191)에 의해 독립적으로 피드백 제어되므로, 수직 및 수평방향 하중이 자유롭고 정확하게 조절될 수 있다. 즉, 다양한 크기와 방향을 갖는 2축방향 하중을 요구 시험조건에 따라 정밀하게 조절하여 시험편(10)에 인가할 수 있고, 필요에 따라 1축방향 하중만을 인가할 수도 있다. 따라서, 실제 환경과 유사한 다양한 양상의 파괴양상을 분석할 수 있고, 다양한 조건하에서의 파괴인성을 구할 수 있게 된다.

한편, 전술한 실시예에서는 상기 제1 및 제2고정부(110, 120)와 제1 및 제2가동부(130, 140)를 각각 제1지그(150) 및 제2지그(160)와 연결시키되 각 연결부를 통해 작용되는 각 방향의 하중에 대해 횡방향으로 제1지그(150)와 제2지그(160)가 이동 가능하게 하는 연결수단으로서, 상기 고정블록(153, 154, 163, 164)과 연결블록(155, 156, 165, 166)에 서로 슬라이드 결합되는 가이드홈(153a, 154a, 163a, 164a)과 가이드돌부(155a, 156a, 165a, 166a)가 형성된 것을 예시하였으나, 이것으로 한정되는 것은 아니며, 이 연결수단은 직교하는 두 방향 중 한 방향으로는 상대운동이 불가하고 다른 방향으로는 상대운동이 가능하도록 두 부재를 체결하는 다양한 통상의 기계적 연결구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 써보모터(134, 144)의 회전력을 전달하여 제2지그(160)를 각 방향으로 직선운동시키는 동력전달수단은 전술한 스크류를 이용한 구조 외에도 웜이나 랙과 같은 기어, 타이밍벨트, 체인 등을 이용한 다양한 동력전달 구조로 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 시험편 100 : 시험기본체
102 : 베이스 110 : 제1고정부
120 : 제2고정부 130 : 제1가동부
140 : 제2가동부 150 : 제1지그
153, 154, 163, 164 : 고정블록
155, 156, 165, 166 : 연결블록
160 : 제2지그 134, 144 : 써보모터
191 : 제어기 193 : 컴퓨터
195, 196 : 하중센서 197, 198 : 변위센서

Claims

베이스(102);
상기 베이스(102) 상에 서로 직교하는 방향으로 배치된 제1고정부(110) 및 제2고정부(120);
상기 베이스(102) 상에 상기 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)와 각각 대향하도록 서로 직교하는 방향으로 배치되어 서로 직교하는 두 방향의 하중을 발생시키는 제1가동부(130) 및 제2가동부(140);
시험편(10)의 적어도 일부를 잡아 구속하며 상기 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)에 연결되어 시험편(10)에 서로 직교하는 두 방향의 하중에 대한 응력이 걸리도록 하는 제1지그(150);
상기 제1지그(150)와 대향하여 시험편(10)의 다른 부분을 잡아 구속하며 상기 제1가동부(130) 및 제2가동부(140)에 연결되어 시험편(10)에 서로 직교하는 두 방향의 하중을 인가하는 제2지그(160);
상기 제1가동부(130) 및 제2가동부(140)에 각각 구비되어 회전동력을 제공하는 써보모터(134, 144);
상기 각 써보모터(134, 144)의 회전동력을 전달하여 상기 제2지그(160)가 서로 직교하는 두 방향의 하중에 의해 이동되게 하는 동력전달수단; 및
상기 각 써보모터(134, 144)의 작동을 제어하여 시험편(10)에 인가되는 하중의 방향과 크기를 조절하는 제어기(191)를 포함하고,
상기 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)에 각각 설치되어 시험편(10)에 가해지는 직교하는 두 방향의 하중을 감지하는 하중센서(195,196)와, 상기 제1가동부(130) 및 제2가동부(140)에 각각 설치되어 각 방향의 하중에 의한 변위를 감지하는 변위센서(197,198)를 더 포함하며, 상기 제어기(191)는 각 방향의 하중센서(195,196) 및 변위센서(197,198)의 감지신호를 수신하여 상기 각 써보모터(134, 144)의 작동을 제어하며,
상기 동력전달수단은 상기 써보모터(134, 144)에 의해 회전되는 이송스크류(132, 142)와, 상기 이송스크류(132, 142)의 회전에 따라 직선운동하여 상기 제2지그(160)를 이동시키는 가동블록(133, 143)을 포함하는 파괴인성 시험장치.
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