ASTM E2546-07 에서, 계장화 압입시험 (IIT) 은 압입자로 재료를 누르면서 응력 및 변형률에 따라 재료의 물성을 측정하는 기계적 시험법입니다.
시험은 하중인가-하중제거 (loading-unloading) 사이클로 진행되며, 얻어진 하중과 변위 곡선을 분석합니다.
또한, 시험 하중, 변위의 범위 및 압입자의 종류에 제한이 없습니다.
시험 대상인 재료의 표면에 하중을 가하여, 하중-변위 (load-depth curve) 곡선을 얻을 수 있습니다.
IIT는 비파괴적인 검사로서, 100 μm 깊이 이상 압입 하는 것은 재료에 불필요한 손상을 야기시키므로 권장하지 않습니다.
압입자 아래 생성된 응력장을 바탕으로 하중인가-하중제거 (loading-unloading) 곡선을 분석하여 인장물성,
파괴 인성 같은 다양한 기계적 물성 및 잔류응력을 구할 수 있습니다. 따라서, 이 곡선은 재료의 지문과도 같습니다.
현장에서, 기존의 시험법을 사용할 수 없는 경우, 비파괴적인 시험방법인 IIT는 매우 좋은 대안이 될 수 있습니다.
또한, IIT는 기존 시험법과 데이터의 오차가 적으며, 신뢰할 수 있는 결과값을 제공합니다.
IIT를 활용하면 압입된 부분의 직접적인 기계적 반응을 확인할 수 있습니다.
이러한, 국부적인 측정법은 높은 공간 분해능을 갖기 때문에 물성 맵핑이 가능하다는 이점이 있습니다.
예를 들면, 파괴적인 방법으로 테스트 할 수 없는 열 영향부의 좁은 부위나 고르지 못한 형태를 하고있는 부위에 측정이 가능합니다.
용접소재의 용접부, 열 영향부 및 모재에 대하여, IIT는 물성을 맵핑하고 취약부위를 찾아내는데 효율적이고 효과적인 기술입니다.
ASTM E2546은 계장화 압입 시험에 대한 표준이며 계측기, 압입자 조건, 계측기 적합성 등 정보를 포함하고 있습니다.
또한, ASME 코드 섹션 IX 에서 QA-290 (코드 케이스 2703) 의 비커스 경도 시험 대안으로도 사용되고 있습니다.
마지막으로, 계장화 압입 시험은 ISO TR 29381 이름으로 ISO에 소개되기도 하였습니다.
해당 문서 내용은 IIT를 사용한 인장 물성 측정을 위주로 소개하고 있지만, 부록에서는 잔류응력 측정 또한 소개하고 있습니다.
또한, IIT를 사용한 잔류 응력 평가 알고리즘이 인정되어, ASME Code Case N-881이 승인되었으며,
최근에는 ISO/TS 19096 (Publication stage)로 채택되었습니다.
| Standardization & Code | Contents |
|---|---|
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|
KS B0950 (2002) |
| Metallic Materials - Instrumented Indentation test for Indentation Tensile Properties | |
| KS B0951 (2005) | |
| Instrumented Indentation tests on welds in steel-Measurement of residual stress on welded joints | |
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|
ISO/TR 29831 (2008) |
| Measurement of mechanical Properties by instrumented indentation test: Indentation tensile Properties | |
| ISO/TR 29831 annex (2008) | |
| Measurement of the residual stress by instrumented indentation test | |
| ISO/TS 19096(Publication stage) | |
| Evaluation of stress change using indentation force differences | |
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|
MDF A370 (2006) |
| Measurement of the mechanical properties and residual stress by instrumented indentation test | |
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|
ASME Code case 2703 (2011) |
| Instrumented Indentation testing as Alternative Hardness Test for QW-290 Temper Bead Welding | |
| Code Case N-881 (2017) | |
| Exempting SA-508 Grade 1A From PWHT Based on Measurement of Residual Stress in Class 1 applications | |
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|
ASME E2546-15 |
| Standard Practice for Instrumented Indentation Testing |
따라서 노후 설비들의 안전한 사용을 위해서는 소재 물성의 정기적인 진단을 통한 정확한 수명예측이 필요하다.
그래서 이들 노후 산업설비의 안전한 사용과 설비 관리를 위해 기존 실험실 배경의 기계적특성 평가기법 외 산업현장에서 경년열화에 따른 재질특성을
모니터링을 할 수 있는 기술을 도입하여 재질열화 및 수명예측의 데이터를 확보/수집하고 이를 통해 설비의 위험도와 검사주기를 판단하여 교체 및
보수시기를 결정짓는 시스템 보완이 시급하다. 이들 개발 소재의 산업체 활용을 위해서는 적절한 물성 평가기법의 적용을 통한 정확한 물성의 축적에
바탕한 소재 및 부품의 신뢰성 확보이다.
기존의 소재 물성평가를 위한 표준 방법인 일축인장 및 파괴역학 시험의 경우, 변형 및 파괴 거동에 대한 많은 정보를 제공하고 있지만, 벌크 형태의
표준시편이 필요하여 시편을 채취하는 과정에서 설비와 구조물의 노치에 의한 손상이 가해질 수 있어 구조물의 안전성을 오히려 해치는 결과를
초래할 수 있으며, 채취 중의 응력완화 및 손상에 의해 표준시편도 본래 현장 구조물과 다른 물성을 가질 수 있다.
또 마이크로 소재의 물성 평가에 적용하기 위한 시험 기법의 구비 요건을 살펴보면 우선 적게는 수백 Å 정도의 두께를 갖는 박막 만의 기계적 물성
평가가 가능해야 하며, 나노 상과 같은 경우에서 각 상의 기계적 물성을 파악하기 위해서는 결정립 내부를 물성 평가 영역으로 한정할 수 있어야 한다.
이들 시험법은 기존의 경도만을 구하는 경도시험과 달리 압입시험시 연속적인 변형거동을 압입하중-변위곡선으로 구하고, 이를 바탕으로 다양한
변형 및 파괴와 관련된 기계적 물성을 평가하는 방법이다. 자동화 압입시험법에서는 구형 압입시의 압입상황을 분석함으로써, 경도는 물론 일축인장
시험과 같이 항복강도, 인장강도, 가공경화지수를 포함하는 소재의 유동특성과 적절한 모델링을 바탕으로 파괴특성도 평가할 수 있다.
또한 박막 소재 및 Nanophase의 물성 평가에 일정각을 가진 뾰족한 압입자를 사용하여 경도 및 탄성계수를 평가하는 연구가 주를 이루었던 나노
압입시험법에서도 최근들어 자동화 압입시험법에서 분석된 기술을 접목함으로써 유동곡선과 같은 변형관련 고차원적인 물성을 평가하는 연구가
진행되고 있다. 그리고 이들 물성 평가기법은 압입자 크기와 형태의 변화를 통해 용접부와 같은 국소 취약부 평가나 분위기 장치의 부착을 통한 여러
열화상황에서 소재거동까지도 평가할 수 있다.
