초음파 피로시험 방법 및 응용과 사례

조인식(Insik Cho),이창순(Changsoon Lee),편영식(Youngshik Pyoun),박인규(Ingyu Park),김병훈(Byounghoon Kim) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11

An ultrasonic fatigue testing device, capable of fracturing the tested materials at an ultrasonic frequency of 20 ㎑ is demonstrated. Such a testing device, operating at high frequencies, not only reduces the testing time to far less than that of conventional testing machines, but may also better simulate extremely high-frequency loading and the strong influence of strain rate on the fatigue behavior of the tested materials. This makes the development of an ultrasonic fatigue testing device for testing materials is an important endeavor. Very high cycle fatigue of Al 6061-T6 alloy was investigated using accelerated ultrasonic fatigue testing at 20 ㎑ under completely reserved loading conditions (R=-1) on a piezoelectric machine which was developed by DaeJin Science Co., Ltd. In this study, the ultrasonic fatigue tests were conducted in the range of 10?~10? fatigue fracture cycles, while testing maximum amplitude stress (S) was 117.76 ㎫ at gigacycle. Scanning electron microscopy (SEM) analyses were carried out and the results show that three crack fracture modes were observed.

초음파피로시험법을 이용한 티타튬 합금의 브레이징 접합강도 평가

안종기(Jongkee Ahn),이동엽(Dongyeop Lee),김태형(Taehyung Kim),신동익(Dongick Shin),조인식(Insik Cho),김동훈(Donghoon Kim) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

쉬라우드 임펠러(Shroud impeller) 제작시, 커버와 블레이드 접합을 위해 브레이징(Brazing) 공법을 활용중으로 브레이징공법은 450°C 이상에서 접합하고자 하는 모재(Base Metal)의 용융점(Melting Point) 이하에서 모재는 상하지 않고 용가재(Filler Metal)를 사용하여 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술을 의미한다. 일펠러로 사용되는 고온구조재료 티타늄합금에 대해 용가재는 TiCuNi 합금을 사용하였으며, 초고주기 환경에서의 피로강도를 검증하기 위해 최근 유럽과 일본을 중심으로 활발하게 연구되어지고 있는 20KHz 초음파 피로시험법을 활용하여 브레이징과 모재와의 접합피로강도 평가를 새롭게 적용하고자 하였다. 따라서 브레이징 접합 초음파피로강도시험을 위해서는 우선적으로 수십㎛의 접합층이 시험편 정중앙에 위치할 수 있도록 설계하여야 한다. 이는 초음파피로시험편은 Hourglass타입으로 최대응력진폭이 시편 정중앙에 집중되기 때문이며, 이에 맞추어 동탄성계수측정을 통한 공진시험편 설계와 정밀 가공이 이루어져야 한다. 따라서 본 논문에서는 모재부와 브레이징 접합 피로강도를 비교 평가 하고자 하였으며, 그에 따른 브레이징 공법의 신뢰성 분석 및 피로파괴 거동을 분석하고자 하였다. Shroud impeller during production, cover and into the brazing process utilizing the brazing process for bonding blade below 450℃ melting point of base metal to be joined at the base to bond two or more base by applying heat using a filler metal. Filler metal for high temperature structural materials of titanium alloy is used as a filler made of TiCuNi alloy. In order to verify the fatigue strength of the ultra-high frequency environment recently been actively studied mainly in Europe and Japan, by utilizing 20kHz ultrasonic fatigue test was to apply a new law being fatigue strength of the brazed joint and the base metal. Thus, for the brazing joint strength of the ultrasonic fatigue test should be designed to position the specimen in the center of the bonding layer. This is because the maximum stress amplitude in ultrasonic fatigue testing is in the center of the hourglass type specimen, where the dynamic elastic modulus is determined according to the resonant design and precision-machined specimens. Therefore, in this paper, the fatigue strength of base metal brazed joint was evaluated and compared. There liability analysis and fatigue fracture behavior of the brazing were analyzed accordingly.

초음파피로시험법의 열영향 평가 및 반복주기 시험방법

이동엽(DongYeop Lee),오주연(JooYeon Oh),조인식(InSik Cho),김태형(TaeHyoung Kim),안종기(JongGi Ahn) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

Owing to the increasing requirements in the market, mechanical components must have also an increasing life, which involves an improvement over high cycles in the fatigue strength. In the field of power systems, an ultrasonic fatigue test system is essential to analyze the crystal structure and heat transfer coefficient of metallic materials. The fatigue fracture and temperature distribution of Al6061-T6 alloy and SAE52100 bearing steel was analyzed by measuring the elastic modulus of specimen. Temperature distribution as a function of time of the two specimens starting from 25℃ to 260℃ was confirmed at the final break. Rapidly increase in temperature to 260℃ where cause the cracks, Effective Volume and elastic resonance is expected due to the stress concentration. Period of load functions to prevent ultrasonic fatigue testing and optimization of the thermal effect was described. Brazing process is being applied for the evaluation of the fatigue strength of joints ultrasonic fatigue test method is proposed. This study is concerned with the development of a new mechanical device for ultrasonic fatigue testing (UFT) and its characterization. The newly developed UFT device was developed by Mbrosia Co., Ltd.

초음파 가속피로시험 적용 사례 및 연구 동향

조인식(In Sik Cho),신충식(Choong shig Shin),김종엽(Jong Yup Kim),전용호(Yong ho Jeon) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.6

본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 초고주기 피로시험 연구를 통하여 사이클에 따른 파단면 관찰결과 2가지 타입으로 명확히 구분되는 것을 확인할 수 있었다. 첫번째로 106사이클 범위에서 확인할 수 있는 것은 표면부에서 피로크랙 사이트가 시작된 전형적인 피로 파단면이다. 두번째는 107~109사이클에서는 확연히 다른 피로파단 양상으로, 표면으로부터 500 ㎛ 내부에서 피로크랙 사이트가 시작되어 크게 박리되어 나간 형상으로, 크랙 사이트 주변을 관찰한 결과 미세한 마이크로 크랙들이 입계파괴 양상으로 형성되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 내부 크랙 사이트 피로거동에 대한 연구결과와 본 시험에서 사용된 초음파피로시험기술의 이론 및 적용사례를 소개하고 현재 활발히 진행중인 연구동향을 밝히고자 한다. Very high cycle fatigue (VHCF) behavior of aerospace components has emerged much attention due to their long service life. In this study, a piezoelectric ultrasonic fatigue testing (UFT) system has been developed by Mbrosiatec Co., Ltd. to study the high cycle fatigue (HCF) strength of Ti-6Al-4V alloy. Hourglass-shaped specimens have been investigated in the range from 10? to 10? cycles at room temperature under completely reversed R = ?1 loading conditions,. Scanning electron microscopy (SEM) analysis revealed that failures occurred in the entire range up to the gigacycle regime, and the fractures have beenfound to be initiated from the surface, unlike in steels. However, it was found from the SEM microgprahs that microcracks transformed into intergranular fractures. Thus, it can be concluded from according to the results that this test method can be applicable to commercialized automotive and railroad parts that require high cycle fatigue strength.

초음파 피로시험법의 규격화를 위한 기술 분석

김재우(Jae Woo Kim),조다희(Da Hee Cho),장광주(Gwang Ju Jang),박중철(Joong Cheul Park),이영철(Yeong Cheol Lee),구병춘(Byeong Choon Goo),조인식(In Sik Cho) 대한기계학회 2018 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.6 No.2

초음파 피로시험은 20㎑의 진동자를 이용한 가속피로시험기술로써 본 논문에서는 초음파피로시험선진기술의 동향을 분석하기 위하여 전문학술대회인 VHCF-6, 7(Very High Cycle Fatigue)에서 발표된 논문들을 위주로 새로운 아이디어의 장치 시스템 연구자료 소개와 각각의 기술적인 장점과 단점에 대하여 제시하고자 하였으며, 다양한 소재와 시편 형상들에 대한 방법으로 동탄성계수 측정관련 기술의 필요성을 설명하고자 하였다. 또한 국내에서 자체적으로 수행된 다양한 연구결과를 토대로 초음파 피로시험의 국내 신뢰성평가 기준 공고 소개와 추후 진행 중인, 응력비 변환과 저온 분위기등 다양한 조건과 요구에 대응할 수 있는 기반기술을 소개하고자 하였다. Ultrasonic fatigue test is an accelerated fatigue test technique using a 20㎑ oscillator. In this paper, in order to analyze the trend of the advanced technology of ultrasound fatigue tester (UFT), whose detailed information can be found in the conference papers published in VHCF-6 (2011), VHCF-7 (2014) (Very High Cycle Fatigue). dynamic young`s modulus, which can be obtained from acoustic test according to the ASTM E1875 standard. is required in order to obtain the maximum stress amplitude. The purpose of this paper is to present the research results of the UFT system and its technical advantages and disadvantages. Based on the experimental results of various studies performed at different stress ratio and cryogenic temperatures, the introduction of the reliability evaluation standard of the UFT system was presented.

초음파 피로시험편 결정법의 연구동향

명노준(No-Jun Myeong),한승욱(Seung-Wook Han),박정훈(Jung-Hoon Park),최낙삼(Nak-Sam Choi) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.8

본 논문에서는 초고주기피로영역(VHCF)에 대한 가속시험 방법인 초음파 피로시험을 소개하고 이와 관련된 이론을 검토하였다. 초음파피로시험은 20 kHz 영역에서 시험편의 공진을 이용하므로 동탄성계수와 파장을 고려하여 시험편의 길이와 형상을 설계하여야 한다. 공진시험을 통하여 20 kHz 에 맞는 파장을 구하고 시험편의 길이와 동탄성계수를 계산한다. 이렇게 계산된 시험편의 형상과 시험시 형성되는 변위값을 측정하여 응력을 구한다. 초음파 피로시험결과는 기존의 피로시험법에 따른 결과와 비교되어 주파수 및 시험편 형상의 효과가 검증되어야 한다. An accelerated ultrasonic fatigue test(UFT) has been used for analyzing very high cycle fatigue(VHCF, Nf >10?). This study reviews how the test specimen is to be determined. We focus on UFT using a resonance of 20 kHz. The specimen geometry is determined by selecting test materials by using a dynamic Young’s modulus and wavelength of 20 kHz. The dynamic Young’s modulus is calculated at the resonant frequency. Through a resonant vibration test at 20 kHz, the length of the specimen is calculated. By determining the shape of the specimen, the stress during the UFT is calculated. The UFT results should be comparable at the test frequency and the specimen geometry obtained by the conventional fatigue tests.

초음파 피로시험시 시험편의 유한요소 동적 해석

명노준(No-Jun Myeong),최낙삼(Nak-Sam Choi),권현화(Hena Kwon) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.7

본 논문에서는 초고주기피로영역의 가속시험 방법인 초음파 피로시험에 대해 20 kHz 근처에서 시험편 게이지부의 동적거동을 유한요소해석으로 검토하였다. 실제 실험에서 시험편에 작용하는 응력은 시험편의 형상과 변위를 통해 식으로 계산되는데 여기서 가정하는 시험편의 형상과 실제 시험편의 형상에 차이가 발생한다. 실험으로 구해진 응력과 유한요소 동적 해석의 결과를 비교하고 형상차이에 따른 응력분포를 확인하였다. 또한, 이론적으로 생각하는 초음파 피로시험기의 동적 거동을 가시적으로 확인하여 초음파 피로시험의 정확성을 확보하였다. An accelerated ultrasonic fatigue test (UFT) was used for analyzing very high cycle fatigue (VHCF, Nf > 107) behaviors of a specimen with a test resonance of 20 kHz. Using the finite element method (FEM), the dynamic behaviors of the specimen was studied by calculating the stresses along its gauge portion, with displacement. The shape of gauge portion profile was assumed to be a hyperbolic according to the stress equation of the UFT. However, as the specimen used in the test had a circular arc profile, the FEM was used for studying the local stresses for two cases of the gauge profile. The results were compared with those obtain from the stress equation of the UFT. The dynamic behavior of the gauge portion could be understood for further comparison with the actual results.

초음파 피로시험법을 이용한 엔지니어링 플라스틱(Polyoxymethylen ; POM)의 내구성 평가

조인식(In Sik Cho),황정호(Jung Ho Hwang),오주연(Joo Yeon Oh),김현창(Hyun Chang Kim),오세훈(Sae Hoon Oh),이창순(Chang Soon Lee),박인규(In Gyu Park) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.8

엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastic ; EP)에 대한 내구성 평가를 위해 현재 새롭게 국내에서 개발한 초음파 피로시험법을 이용하여 EP 중에서도 결정화 속도가 빠르고 결정화도가 높은 범용 POM(Polyoxymethylene) 소재에 대한 초음파 가속피로시험 거동을 평가하고자 하였다. 이에 본 연구에서 사용된 POM 소재의 밀도는 1.37 g/㎤, 동탄성계수는 3.49 GPa 로 측정되었으며, 초음파피로시험 20kHz, 응력비 R= -1 의 판상시편 두께 (4t, 7t, 10t)에 따른 피로수명평가 결과 전체 응력진폭 5.0~6.0MPa 부위에서 피로한도를 확인하였다. 피로시험 후 파단 면을 관찰한 결과 7t, 10t 두께 시편의 크랙 시작위치에서 미소 공동들이 서로 연결된 형태의 잔금(crazing) 균열현상으로 파단된 dimple 구조형상을 전자현미경을 통해 확인할 수 있었다. In this study, a newly developed ultrasonic fatigue test was performed for durability assessment of polyoxymethylene engineering plastic, which has a high crystallization rate and degree of crystallization. Fatigue strength of POM (polyoxymethylene) was performed on a piezoelectric UFT developed by Mbrosia Co., Ltd(1), operating at a high frequency of 20 kHz. The test results showed a fatigue limit of 5.0~6.0 MPa under fatigue testing at R = -1, 20kHz; and, electron microscopy revealed the size effect by risk volume and fractured dimple structure after the coalescence of micro-voids through the crazing effect, which occurs during the failure of a polymer.

소성가공에 따른 STS 304L재의 초음파피로시험시 작은 표면균열의 거동에 관한 파괴역학적 연구

심현보(Hyun-Bo Shim),서창민(Chang-Min Suh),백운봉(Un-Bong Baek),조인식(In-Sik Cho) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.9

평활재상의 초음파피로시험(UFT, ultrasonic fatigue test)에서 많은 작은 표면균열을 스케치기법으로 도시하여 표면균열의 발생, 성장 및 합체의 거동을 정량적인 자료를 획득하였고, 이것을 파괴역학적으로 분석, 해석하도록 노력하였다. 이 연구결과 UFT피로시험의 평활재상에서는 평균결정입경보다 크고 작은 많은 표면균열이 발생, 성장, 합체하고 주균열에 의하여 수명이 좌우됨을 알았다. 3가지 두께가 다른 시험편의 작은 표면균열의 db/dN-△Kb의 깊이성장특성을 정리하였다. 여기서 응력의존성은 없었고, 다른 연구결과와 비교하면 낮은 △Kb 값과 높은 균열성장속도를 가졌다. UFT피로시험에서 얻어진 많은 작은 표면균열은 불규칙적으로 분포하며, 이 작은 표면균열이 발생, 성장, 합체하면서 파단되는 현상은 RFT(회전굽힘피로시험)의 연구결과와도 부분적으로 유사하였다. In the UFT fatigue test of a smooth specimen, many small surface cracks were sketched, and quantitative data on the initiation, growth and coalescence behavior of the surface cracks were obtained and fracture mechanically analyzed. As a result of this study, it was found that many surface cracks larger or smaller than the average grain size are initiated, grown and coalesced in the smooth specimen of the UFT fatigue test, so that the fatigue life depends on the major cracks. The depth growth characteristics of db/dN- △Kb of small surface cracks of the specimens with three different thicknesses were analyzed. There was no stress dependence demonstrated in the current study, and it showed a low ΔKb value and a high crack growth rate compared with other studies. Many small surface cracks obtained in the UFT fatigue test are distributed irregularly, and the phenomenon that these small surface cracks initiate, grow and coalesce is similar to the results of rotational bending fatigue test(RFT).

VHCF Characteristics of UNSM treated A7075-T651 Aluminum Alloy under Rotary Bending and Ultrasonic Fatigue Testing M/C

Chang-Min Suh(서창민),Seung-Hoon Nahm(남승훈),Min-Soo Suh(서민수),Young-sik Pyun(편영식) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.4

The fatigue characteristics of A7075-T651 aluminum alloy were studied and compared with surface treatments of UNSM (Ultrasonic Nano-Crystal Surface Modification) technology. Fatigue characteristics of those are unearthed by using various fatigue testing machines of followings; the ultrasonic fatigue testing machine (UFT, 20KHz), and the rotary bending fatigue testing machines (RFT, 53Hz) with a single-spindle (simple beam type) and a multi-spindles (Cantilever type). The fatigue strength of a Cantilever type rotary bending fatigue testing machines and a simple beam Ohno type rotary bending fatigue testing machine showed the same fatigue properties. The improvement of fatigue life was confirmed for rotary bending fatigue testing machines with the specimens treated under UNSM-30N. However, the effect of surface modification as fatigue life improvement of UNSM-50N and - 60N has decreased rather than UNSM-30N. The fatigue strength of ultrasonic fatigue test (UFT, 20KHz) is lower than that of rotary bending fatigue testing (RFT, 53Hz).