초음파나노표면개질 공정변수에 따른 표면잔류응력 변화 분석

석태현,허남수 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.3

Compressive residual stresses generated on the surface by ultrasonic nanocrystal surface modification vary according to the process variables. In this study, surface compressive residual stresses were analyzed according to process variables using finite element analyses. Finite element analysis methodology was introduced. The surface compressive residual stresses according to the static load, amplitude, feed rate, and line interval were calculated through 3D finite element analyses. As the static load and amplitude increased, the magnitude and depth of the surface compressive residual stress increased. Furthermore, the feed rate and line interval were analyzed in terms of the overlapping ratio. As the feed rate and line interval increased, the overlapping ratio decreased and the magnitude of the surface compressive residual stress in each direction decreased. 초음파나노표면개질에 의한 표면 압축잔류응력의 크기와 깊이는 공정변수에 따라 변화한다. 본 논문에서는 유한요소해석을 활용하여 초음파나노표면개질 공정변수에 따른 표면 압축잔류응력의 변화를 분석하였다. 초음파나노표면개질 유한요소해석을 위한 방법론을 소개하였고 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 정하중, 진폭, 이송 속도, 줄 간격에 따른 표면 압축잔류응력을 분석하였다. 정하중과 진폭이 증가함에 따라 표면 압축잔류응력의 크기와 깊이가 증가하였다. 이송 속도와 줄 간격은 중첩비 관점으로 분석하였다. 이송 속도와 줄 간격이 증가함에 따라 중첩비가 감소하였으며 각 방향으로의 표면 압축잔류응력 크기가 감소하였다.

2個의 對稱表面龜裂의 相互干涉擧動 解析과 龜裂形狀變化 豫測 解析

崔鎔湜,金在元 成均館大學校 科學技術硏究所 1991 論文集 Vol.42 No.1

2個의 對稱表面龜裂에 대한 應力擴大係數는 아직 數式化된 形態가 存在하지 않기 때문에, 먼저 2個의 對稱表面龜裂을 갖는 PMMA 板材를 試驗片材料로 選擇하여 一定振幅 引張-引張形 疲勞試驗을 遂行한 後, 表面龜裂이 成長함에 따라 隣接한 두 龜裂의 間隔變化에 의한 干涉擧動을 解析하여, 單獨表面龜裂의 應力擴大係數에 대한 2個의 對稱表面龜裂의 應力擴大係數의 比로 定義되는 相互作用係數(Interaction Factor)를 9次 多項式으로 數式化하였다. 이때 表面龜裂의 疲勞成長擧動을 適切하게 單純化시켜서, 두 表面龜裂間에 相互干涉效果가 있는 最近點에서의 相互作用係數를 구하였는데, 이 相互作用係數는 다른 硏究者들의 解析結果와 比較되어 妥當性이 立證되었다. 單獨表面龜裂材에 대한 龜裂形狀變化 豫測 모델이 이 相互作用係數에 適用되어 2個의 對稱表面龜裂을 갖는 材料의 龜裂形狀變化를 豫測하는 節次를 設定하였다. 이 節次에 따라 2個의 對稱表面 龜裂을 갖는 PMMA 板材試驗片에 대하여 龜裂形狀變化를 豫測하여 實驗結果와 比較하였다. 2個의 對稱表面龜裂의 形狀變化 豫測節次過程에서는 두 表面龜裂間의 相互干涉效果와 合體條件 등이 單純化되어 適用되었으며, 이러한 單純한 假定에 의하여도 상당히 精密度 좋게 龜裂의 形狀變化가 豫測되었다. 또한 單獨表面龜裂의 形狀變化 豫測에서, 낮은 應力水準 즉, σ_max<0.2σ_YS의 範圍에서 龜裂形狀變化를 精密度 좋게 豫測하기 위하여 導入된 補正係數 F_s의 有效性이, 2個의 對稱表面龜裂의 形狀變化 豫測에서도 立證되었다. An analysis scheme for predicting the crack aspect pattern of materials which contain twin surface cracks was developed. Fatigue tests were performed on twin surface cracked PMMA plate specimens to obtain the interaction factor accounting for the interference effect of adjacent cracks. Here, the interaction factor is defined as the ratio of the stress intensity factor for twin surface cracks to that for a single surface crack. From the analysis of the fatigue test results, the interaction factor was presented as the ninth-order polynomial expression having a function of dimensionless crack spacing ratio. Then the polynomial expression was incorporated into the prediction program of the crack aspect pattern for twin surface cracked materials. And, the interaction effect and the coalescence condition of adjacent cracks were simplified in the newly developed prediction scheme of the crack aspect pattern. The predicted crack growth pattern using the prediction scheme was compared with test data from PMMA specimen. The predicted pattern agreed well with the test data.

SA508 탄소강 및 오스테나이트 스테인리스강의 표면잔류응력에 미치는 기계가공효과

이경수(Kyoung-soo Lee),이성호(Seong-ho Lee),박치용(Chi-yong Park),양준석(Jun-seok Yang),이정근(Jeong-geun Lee),박재학(Jai-hak Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.5

원자력발전소의 이종용접부에서 일차응력부식균열이 발생하고 있으며 용접부의 잔류응력이 균열발생 및 성장에 기여할 수 있다. 용접부의 잔류응력은 기본적으로 용접에 의해 형성되지만 기계가공에 의해 표면잔류 응력상태가 변화할 수 있다. 본 논문에서는 기계가공이 원전재료인 SA508 과 오스테나이트 스테인리스강에 표면잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 SA508, TP304, F316L 재료를 연마, 연삭, 방전가공으로 가공한 후 표면에 형성되는 잔류응력을 측정하였다. 측정방법은 구멍뚫기법과 엑스선회절법을 사용하였다. 기계가공방법에 따라 각 재료에 미치는 잔류응력의 크기 및 방향, 잔류응력이 형성되는 깊이 등의 특성을 확인하였다. Primary water stress corrosion cracking has occurred in dissimilar weld areas in nuclear power plants. Residual stress is a driving force in the crack. Residual stress may be generated by weld or surface machining. Residual stress due to surface machining depends on the machining method, e.g., milling, grinding, or EDM. The stress is usually distributed on or near the surface of the material. We present the measured residual stress for machining on SA 508 and austenitic stainless steels such as TP304 and F316. The residual stress can be tensile or compressive depending on the machining method. The depth and the magnitude of the residual stress depend on the material and the machining method.

UNSM 처리한 베어링 강재의 VHCF 피로 및 파단특성

남승훈(Seung-Hoon Nahm),서민수(Min-Soo Suh),서창민(Chang-Min Suh),편영식(Young-Sik Pyun) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.6

사용된 베어링강의 UNSM처리효과와 기가사이클 설계기준에 필요한 VHCF 회전굽힘피로특성을 구하기 위한 피로시험을 거쳐 미시적인 파면해석과 EDS 분석을 통하여 표면과 내부에서 파괴되는 기구를 파괴역학적으로 연구하였다. 베어링강은 UNSM처리재와 미처리재중 경면상태의 경우는 duplex S-N 곡선이 얻어졌고, 가공상태의 경우는 표면조도가 크므로 이중 S-N곡선이 형성되지 않았다. 또 미처리재에 비해서 UNSM처리재는 표면의 나노(nano)조직화, 표면경도 상승, 표면조도 감소 및 압축잔류응력형성에 의하여 10⁶ 사이클 피로한도에서 약 28 % 정도 상승하는 경향을 나타내었다. 또 HCF(장수명피로) 범위에서는 표면을 기점으로 하는 표면결함에서 발생한 표면균열에 의해 파괴되는 형태를 취하였고, VHCF(초장수명피로, Nf >10⁶ 사이클) 범위에서는 내부에서 피로균열이 형성되는 어안균열이 주요 파괴기구로 되었다. 이 어안균열은 개재물의 흔적이 명확한 TiN개재물에서 주로 발생하였다. 개재물의 △K는 5 ㎫√m에 접근하며, 또 어안균열의 △K는 10 ㎫√m에 접근하였다. This study was to investigate the influence of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) effects on very high cycle fatigue(VHCF) strength and fracture mechanism of a bearing steel. In case of mirror finished specimens with and without UNSM treatment after machined surface, the duplex S-N curves were obtained, but in case of unpolished machined surface condition, the duplex S-N curves were not formed. The UNSM treated specimen showed a tendency to increase about 28% in the fatigue limit of 10⁶ cycles due to the refined structure to nanocrystal, the increased surface hardness, the decreased surface roughness and the increased compression residual stress. In the range of HCF, the fracture was caused by the surface crack generated by the surface defects originating from the surface. In the VHCF range, the dominant fracture mechanism was the fish-eye crack in which the internal originating fracture type was formed. The central part of the fish-eye where cracks initiated was inclusion consist of TiN. The stress intensity factor range (ΔK) of inclusions and fish-eye cracks approached 5 ㎫√m and 10 ㎫√m respectively.

완전접촉 경계면 위의 박막유동 특성을 이용한 고점도 전단유동에 따른 표면응력 감소 설계

박부성(Boo Seong Park),김보흥(Bo Hung Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.12

회전원판 위 표면에 작용하는 유동 전단응력은 표면마모를 발생시키는 주원인이다. 유체는 원심력에 의해 가장자리까지 자유표면을 갖는 박막유동으로 전달된다. 표면마모는 받음각 또는 곡률에 따른 전단응력 정도에 비례하여 차이를 보이게 된다. 전산해석을 통한 속도분포 기울기로 받음각에 기준한 곡률의 전단응력비를 비교하였다. 곡률반경 변화에 따른 전단유동의 응력감소를 모델링하여 표면마모를 효율적으로 줄일 수 있는 최적구간을 결정하는 것이 본 연구의 주제이며, 이 연구결과는 회전무화나 박막코팅과 같은 박막유동을 활용하는 기구의 최적설계에 적용될 수 있다. The shear stress on a surface due to the thin film fluid flow is an important issue. In case of a rotating disk, the fluid is delivered to the edge of the disk by centrifugal force, which acts as a body force on the fluid. Wear of a surface is affected by the shear stress acting on the surface and curvature. In this study, we utilize computational fluid dynamics software to model the ratio of curvature and local shear stress on solid surfaces. The key goal of the study is to determine an optimized curvature for the thin film fluid flow on a solid surface in order to minimize the local shear stress affecting the wear of this surface. Our results on the effects of curvature will be utilized for the design of devices that utilize thin film fluid flow on a solid surface, such as rotating-disk spray systems and thin film coating.

고탄소강 다단 신선 와이어의 표면 온도 상승에 의한 축방향 잔류응력 예측

김대운(Dae Woon Kim),이상곤(Sang Kon Lee),김병민(Byung Min Kim),정진영(Jin Young Jung),반덕영(Deok Young Ban) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.10

최근 와이어의 생산성 및 고강도화를 위한 고탄소강의 고속신선으로 인해 와이어 표면의 급격한 온도상승으로 잔류응력이 크게 증가하는 문제점이 발생되고 있다. 와이어의 다단 신선 공정시에는 소성변형과 마찰열에 의하여 와이어 내부의 온도가 더욱 크게 상승하게 된다. 특히, 고속 신선의 경우 마찰에 의한 온도구배가 더욱 크게 되어 와이어 표면층에 축방향 인장 잔류응력을 과도하게 발생시킨다. 따라서, 본 연구에서는 먼저 표면 온도 상승과 축방향 잔류응력과의 관계를 규명한 다음에 와이어의 평형온도 예측 모델을 제안하고, 이를 토대로 표면 온도 상승에 의한 축방향 잔류응력 예측식을 개발하였다. 고탄소강(0.82%C)소재의 다단신선 실험을 통해 얻어진 시편에 대하여 X 선 회절을 이용하여 잔류응력을 측정하여 제안된 예측식을 검증하였다. In recent times, due to wire drawing of high carbon steel at a high speed to ensure a high productivity and high strength, axial residual stress are generated because of rapid increase in surface temperature. In the process, the temperatures of the wires increased because of the deformation of the wires and the friction between the die and wire. In particular, in the case of the wire drawing at a high speed, friction leads to a large temperature gradient so that considerable axial residual stress is generated on the surface. In this study, the relationship between axial residual stress and increase in the surface temperature was investigated, and a prediction model of uniform temperature was proposed. Then, a prediction model for residual stress was developed. The proposed model was verified by measuring the residual stress by X-ray diffraction on drawn wires.

초음파 피닝한 STS316L 강에서 균열형상비가 다른 표면균열의 무해화

남기우(Ki-Woo Nam),김민헌(Min-Heon Kim),구경희(Kyoung-Hee Gu),박치영(Chi-Young Park) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.8

표면균열이 있는 Ni 12% STS316L 강의 인장피로한도에 대한 초음파 피닝(UP)의 효과를 연구하였다. 표면균열이 a/c=1.0 및 0.4인 시험편에 UP를 수행하였다. 여기서 a는 균열 깊이(a=0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 ㎜)이고, c는 균열 표면의 절반이다. 인장 피로 시험은 응력비 R=0.1에서 수행하였다. 그 결과 0.3 ㎜ 이하의 균열이 있는 UP 시험편의 피로한도는 UP 평활시험편의 피로한도와 거의 비슷하였다. 따라서 무해화할 수 있는 다양한 형상비를 가진 균열의 최대 깊이는 재료의 하한계응력확대계수보다 작다. 추정값은 실험값과 잘 일치하였다. 추정 방법에 따라 무해화 균열 평가선도를 제안하였다. The effect of ultrasonic peening (UP) on tension fatigue limit of Ni 12% STS316L steel with a surface crack was investigated. UP was conducted on the specimens with a surface crack of aspect ratio, a/c=1.0 and 0.4, where a denotes the crack depth (a=0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 ㎜), and c denotes the half-length of surface crack. Tension fatigue tests were conducted under stress ratio, R=0.1. The result showed that the fatigue limit of the UP specimens having the crack below 0.3 ㎜ in depth was almost same as that of the UP smooth specimens. Thus, the maximum depth of crack with various aspect ratios that can be rendered harmless was less than threshold stress intensity factor of the material. The estimated values were in good agreement with experimental values. According to the estimation method, a harmless crack assessment diagram was proposed.

복수 표면균열을 갖는 304 스테인리스강의 균열닫힘현상에 관한 연구

徐仁輔,黃南性 영남이공대학 1997 論文集 Vol.26 No.-

Fatigue growth of surface cracks can not be adequately predicted solely by stress intensity factor due to crack closure. In this study, the crack closure has investigated during the fatigue tests by using the subtraction circuit. On the basis of the reduced displacement and Iced curve, the effective stress intensity factor ratio, U has obtained. Therefore, the effective stress intensity factor range, ΔK_(eff) has calculated by the multiplication of U and ΔK. The effective stress intensity factor range, ΔK_(eff) can be used to predict the correct life prediction. The importance of this study lies in verifying the existence of crack closure especially in the multi-surface cracks and the close cracks have correlations with each other and the near crack has a great effective stress intensity factor ratio, U.

표면균열 무해화 기술을 이용한 STS316L 강의 피로특성에 대한 신뢰성 향상

박치영(Chi-Young Park),구경희(Kyoung-Hee Gu),남기우(Ki-Woo Nam) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.9

균열은 강 구조물의 성능 및 신뢰성을 저하시키므로, 많은 연구자는 구조물의 안전 및 유지 관리를 위하여 균열 문제를 해결하려고 노력하고 있다. 최근, 피닝에 의한 압축 잔류 응력의 영향으로 피로 한도를 낮추는 표면균열을 무해화하는 기술이 개발되고 있다. 이 기술을 표면균열 무해화 기술이라 한다. 본 연구에서는 표면균열 무해화 기술로 Ni 12% STS316 강의 신뢰성 향상에 기여하기 위해 연구를 수행하였다. 초음파 피닝(UP: ultrasonic peening)에 의한 무해화 가능 균열 깊이(ahlm)는 압축 잔류응력의 영향이 크다. ahlm은 하한계응력확대계수(ΔKth(l) )와 균열 형상비(As)가 커짐에 따라서 크다. 큰 잔류응력에서 균열은 진전하지 않고 무해화되었다. 또한 가정한 안전율(N)에서의 최대균열 깊이(acrN), ahlm 및 비파괴검사로 검출 가능한 균열 깊이(aNDI)의 관계를 비교하였다. Cracks degrade the performance and reliability of steel structures; hence, researchers are extensively investigating solutions to the crack problem to ensure safety and easy maintenance of structures. A new technique has been developed in this work to render surface cracks harmless, which also reduces the fatigue limit by the influences of compressive residual stress caused by peening; this technique is referred to as surface crack non-damaging technology. This study aims to contribute toward reliability improvement of the of Ni 12% STS316 steel via the surface crack nondamaging technology. The crack depth (ahlm) that could be rendered harmless by ultrasonic peening (UP) was largely dependent on the compressive residual stress. Further, ahlm increased as the crack aspect ratio (As) and threshold stress intensity factor (ΔKth(l)) increase. At large residual stress, the crack did not propagate and were rendered harmless. The relationship between ahlm, aNDI (the crack depth that can detected by nondestructive inspection), and acrN (the maximum crack depth in the assumed safety factor) were compared.

일차수응력부식균열(PWSCC) 및 염화이온부식균열(CISCC) 저감용 표면개질기술 적용을 위한 코드케이스 개발

조성우,편영식,Nick Mohr,Jon Tatman,John Broussard,Jean Collin,이원근,오은종,장동현,구경회,황성식,최선웅,홍현욱 한국압력기기공학회 2019 한국압력기기공학회 논문집 Vol.15 No.1

In nuclear power plant operation and spent fuel canisters, it is necessary to provide a sound technical basis for the safety and security of long-term operation and storage respectively. Recently, the peening technology is being discussed and the technology will be adopted to ASME Section III, Division 1, Subsection NX (2019 Edition). The peening is prohibited in current edition, but it will be approved in 2019 Edition and adopted. However, Surface stress improvement techniques such as the peening is used to mitigate SCC susceptible in operating nuclear plants. Although the peening will be approved to ASME CODE, there are no performance criteria listed in the 2019 edition. The Korean International Working Group (KIWG) formed a new Task Group named “Advanced Surface Stress Improved Technology”. The task group will develop a CODE CASE to address PWSCC(Primary Water Stress Corrosion Cracking) and CISCC(Chloride Induced Stress Corrosion Cracking) for new ASME Section III components. TG-ASSIT was started to make peening performance criteria for ASME Section III (new fabrication) applications. The objective of TG-ASSIT is to gain consensus among the relevant Code groups that requirements/mitigation have been met.