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ASTM E 647 – 08 Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates 전 승범 R&B INC.

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1. Scope 1.1 본 시험규격은 불안정성이 조절되는 Kmax근처에서의 피로균열성장속도를 결정하는데 사용한다. 결과는 Linear elasticity 이론에 의하여 정의된 균열선단에서의 Stress-intensity factor range (ΔK)로 나타낸다. 1.2 몇 개의 서로 다른 시험방법이 소개되었는데 가장 적당한 방법은 측정하고자 하는 피로균열성장속도에 따라 다르다.

1.3 본 시험 방법은 시험 중 Buckling을 일으키지 않고 탄성을 유지할 수 있는 충분한 두께를 가진다면 강도나 두께에 대한 제한은 없다.

1.4 시편에 대한 규정은 있으나 항복강도나 부가하는 하중에 따라 조절이 가능하다. 1.5 다양한 시편 및 시험조건은 Annex A1-Annex A3에 정리되었다. 이외의 시편 또한 사용되는 경우가 있는데 이런 경우에는 잘 정립된 Stress-intensity factor calibration이 필요하며 시험 중 탄성을 유지할 수 있도록 충분한 두께를 가져야 한다. .

1.6비록 ΔK를 계산하는 데 관여하지는 않지만 낮은 Stress intensity factor 및 낮은 Stress ratio의 경우 잔류응력이나 Crack closure(균열 닫힘)등이 피로균열성장속도에 큰 영향을 미칠 수도 있다.

1.7 SI unit를 표준으로 사용하며 괄호 안의 값은 단지 참고자료로서 사용한다. 1.8 본 규격은 크게 두 부분으로 나뉘어져 있는데 전반부는 피로균열진전 시험에 필요한 일반 사항을 정리하였고 뒷부분은 다양한 시편 및 시험조건에 따른 다양한 정보를 정리하였다. 부가하여 da/dN 계산하는 방법 피로균열 Opening force 결정방법, 균열 측정 방법 등을 부록으로 정리하였다.

모든 시편 중류에 따른 일반 사항 및 조건은 아래의 순서로 정리되었다. Section

Referenced Documents 2 Terminology 3 Summary of Use 4 Significance and Use 5 Apparatus 6 Specimen Configuration, Size, and Preparation 7 Procedure 8 Calculations and Interpretation of Results 9 Report 10 Precision and Bias 11 Special Requirements for Testing in Aqueous Environments Annex A4 Guidelines for Use of Compliance to Determine Crack Size Annex A5 Guidelines for Electric Potential Difference Determination of Annex A6 Crack Size Recommended Data Reduction Techniques Appendix X1 Recommended Practice for Determination of Fatigue Appendix X2 Crack Opening Force From Compliance Guidelines for Measuring the Growth Rates of Small Fatigue Cracks Appendix X3

1.9 다양한 시편형상에 따른 여러 조건은 아래와 같이 정리되었다.

The Compact Specimen Annex A1 The Middle Tension Specimen Annex A2 The Eccentrically-Loaded Single Edge Crack Tension Specimen Annex A3

1.10 본 규격은 안전에 대한 규정은 없으며 사용자가 사전에 안전에 대한 검증을 통하여 미리 안전대책을 준비하여야 한다.

2. Referenced Documents 2.1 ASTM Standards E 4 Practices for Force Verification of Testing Machines E 6 Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing E 8/E 8M Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials E 337 Test Method for Measuring Humidity with a Psychrometer (the Measurement of Wet- and Dry-Bulb

Temperatures) E 338 Test Method of Sharp-Notch Tension Testing of High-Strength Sheet Materials E 399 Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K Ic of Metallic Materials E 467 Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System E 561 Test Method for K-R Curve Determination

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E 1012 Practice for Verification of Test Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application

E 1820 Test Method for Measurement of Fracture Toughness E 1823 Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing 3. 용어 3.1 본 규격에서 사용하는 용어는 E 6, 및 E 1823에서 사용하는 용어에 준한다. 3.2 정의 3.2.1 crack size, a[L], n—균열의 주 평면에서의 측정 길이로서 응력이나 변위를 계산하는데 사용되며 종종 Crack

length 또는 Crack depth로 표현된다. 3.2.1.1 Discussion—피로시험에서 Crack length는 물리적인 Crack size이다. E1823의 Physical crack size 참조. 3.2.2 cycle—일정진폭의 하중 조건을 가지는 피로시험에서 최소하중에서 최대하중으로 다시 최소하중으로 가는 한 주기를 Cycle이라 한다.

3.2.2.1 Discussion—Spectrum loading에서는 Cycle의 정의는 Counting 방법에 따라 다르다. 3.2.2.2 Discussion—본 규격에서 N표시는 Cycle의 숫자이다. 3.2.3 fatigue-crack-growth rate, da/dN, [L]—1회의 Loading cycle당 균열진전거리 3.2.4 fatigue cycle—See cycle. 3.2.5 force cycle—See cycle. 3.2.6 force range, ΔP [F]—피로시험 중 한 Cycle내에서 최대하중과 최소하중의 차이로서 아래식으로 나타낸다. ΔP = Pmax - Pmin (1) 3.2.7 force ratio (stress ratio로 불림), R—피로시험 중 최대하중과 최소하중의 비로서 아래식으로 나타낸다. R = Pmin/Pmax. 3.2.8 maximum force, Pmax [F]—피로시험 중 한 Cycle내에서 가해지는 하중 중 최대값으로 인장의 경우 +, 압축인 경우 –로 표시한다.

3.2.9 maximum stress-intensity factor, Kmax [FL−3/2]—피로시험 중 한 Cycle내에서 최대 Stress-intensity factor를 나타내며 Pmax. 값과 연관된다.

3.2.10 minimum force, Pmin [F]— 피로시험 중 한 Cycle내에서 가해지는 하중 중 최소값으로 인장의 경우 +, 압축인 경우 –로 표시한다

3.2.11 minimum stress-intensity factor, Kmin [FL−3/2]— 피로시험 중 한 Cycle내에서 최소 Stress-intensity factor를 나타내며 R > 0인 경우 Pmin. 값과 연관된다. 단 R≤0인 경우 0으로 정한다.

3.2.12 stress cycle—See cycle in Terminology E 1823 3.2.13 stress-intensity factor, K, K1, K2, K3 [FL−3/2]— E 1823 참조 3.2.13.1 Discussion—본 시험방법에서는 Mode I에 대한 것으로 첨자 I로 표시된다. 3.2.14 stress-intensity factor range, ΔK [FL−3/2]—피로시험에서 한 Cycle 내에서의 최대 및 최소 Stress intensity

factor의 차이며 아래식으로 나타낸다. ΔK = Kmax - Kmin (2) 3.2.14.1 Discussion—하중에 관계되는 R, ΔK, 및 Kmax 아래의 상관관계를 가지게 된다.

ΔK =(1-R)Kmax for R ≥ 0 (3) ΔK =Kmax for R≤0

3.2.14.2 Discussion—실제 실험의 Stress-intensity factor의 정의는 국부적인 균열선단의 효과 즉 균열닫힘, 잔류응력, Blunting 등의 영향을 포함하지 않고 있다.

3.2.14.3 Discussion—정의에 따르면 R≤ 0의 경우 ΔK 는 Kmax으로 일정하나 R값이 음으로 커질수록 피로균열 성장속도는 증가하게 된다. da/dN 즉 균열성장속도는 ΔK의 실질적인 정의와는 관련이 없기 때문에 ΔK를 계산하는데 압축응력을 제하는 것은 재료의 성질에 영향을 미치지 않는다. 다양한 R 조건에서의 균열성장을 추측하기 위해서 수명 예측 방법론은 확실한 근거에 기초를 두어야 한다.

3.2.14.4 Discussion—또 다른 Stress-intensity factor range정의로서 R 값의 전 영역을 사용하는 것으로서 ΔKfr을 사용한다.ΔKfr= Kmax– Kmin. (이 경우 Kmin 은 R 값에 관계없이 최소 Stress-intensity factor 값이다. 10.1.13 조항의 요구조건에 더하여 이 정의를 사용한다면 시험을 위한 R 값 역시 표로 만들어져야 한다. 만일 R≤0 조건 및 R > 0 조건에서의 Data를 비교하여야 한다면 Kmax에 따른 da/dN Curve를 그리는 것이 유리하다.

3.3 Definitions of Terms Specific to This Standard: 3.3.1 applied-K curve—정해진 시편형상에 대한 파괴역학분석으로부터 얻어진 Curve (a fixed-force or fixed

displacement crack-extension-force curve) 이 곡선은 균열크기에 대한 Stress-intensity factor 및 가해지는 하중 및 변위와 관련이 있다.

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3.3.1.1 Discussion—이 분석 결과는 종종 K calibration이라고 부르며 Stress intensity factor를 위한 Handbook에 유용하게 사용된다.

3.3.2 fatigue crack growth threshold,ΔKth [FL−3/2]— da/dN 값이 영접으로 접근할 때의 ΔK값 대부분의 재료는 균열전파속도가 10−10 m/cycle. 인 ΔK 값을 ΔKth으로 규정하고 있다. ΔKth를 구하는 방법은

9.4에 정리되었다. 3.3.2.1 Discussion—그러나 이 정의는 진정한 균열성장이 정지하는 경계를 의미하는 것이 아니고 거의 경계 근처에서의 각 재료의 피로균열성장에 대한 저항력을 나타내는 실질적인 의미로서 사용된다. 따라서 실제 설계에 사용하는 경우에는 세심한 고려를 하여야 한다. (참조 5.1.5).

3.3.3 fatigue crack growth rate, da/dN 또는 Δa/ΔN, [L]—피로하중을 가할 때 1회의 Cycle 당 평균 균열전파길이 3.3.4 normalized K-gradient, C = (1/K). dK/da [L–1]—균열길이가 증가함에 따른 K값 변화량 3.3.4.1 Discussion—C 값을 일정하게 유지하는 경우에는 K값의 %변화는 균열크기 증가와 같다. Constant force ratio조건에서 Normalized K-gradient는 아래식을 만족한다.

= = = (4) 3.3.5 K-decreasing test—C 값이 음인 시험으로서 균열이 성장함에 따라 하중을 계속적으로 또는 단계적으로 줄여가는 시험이다.

3.3.6 K-increasing test—C값이 양인 시험으로서 일반적으로 Constant force amplitude를 가지는 시험조건이라면 결과적으로 K-increasing test 이다.

4. 시험방법 4.1 본 시험방법은 사전에 피로균열을 만든 Notched 시편에 반복피로하중을 가하는 시험에 대한 것이다. 균열의 크기를 피로횟수에 따라 여하한 방법으로 측정, 분석하여 균열성장속도를 탄성역학에 기초를 둔

Stress-intensity factor range, ΔK 로 나타내는 것이다. 5. Significance and Use 5.1 피로균열성장속도 da/dN 을 Crack-tip stress-intensity factor range, ΔK로 나타내는 것은 반복하중을 받는 재료의 Stable crack에 대한 저항력을 잘 나타낼 수 있다. 이 이론의 근거는 참고자료 1과 2를 참고

5.1.1불활성 분위기에서 피로균열성장속도는 우선적으로 ΔK, force ratio, R 또는 Kmax, R의 함수이다(Note 1) 그러나 온도 및 가혹한 분위기 등은 균열성장속도에 심대한 영향을 미치기 때문에 많은 경우 R값이나

Frequency, Waveform 등의 영향을 고려하여 설계Data를 위한 시험 조건을 설정하여야 한다. NOTE 1—ΔK, Kmax, 및 R 값은 서로 독립적인 값이 아니기 때문에 3개 중 2개만으로 하중조건이 결정된다. 주로

Force ratio, R값에 따른 ΔK 또는 Kmax로 표시하는 것이 관행이다. 5.1.2 da/dN을 ΔK 의 함수로 나타내는 것은 시편형상과는 관계가 없기 때문에 다른 형상의 시편 및 다른 하중조건에서 얻어진 Data와도 상호 비교 교환이 가능하여.da/dN 대 ΔK Data는 구조의 설계 및 평가에 유용하게 사용된다. 유사성을 가정한다면 서로 다른 길이를 가지는 Crack이 같은 ΔK 값을 가질 경우 Cycle 당 균열이 진전되는 양은 같을 것이다.

5.1.3 피로균열성장속도는 엄밀하게는 시편형상과 무관한 것은 아니다. 종종 두께의 영향이 나타나는데 이 영향은 다양한 조건의 영향이 섞여서 나타나기 때문에 두께 만의 영향으로 해석하기는 어렵다. 즉 시편이 두꺼워 짐에 따라 ΔK 값이 증가한다거나 감소한다거나 영향이 없다거나 하는 많은 보고서들이 발표되는데 이는 두께에 따라서 변화하는 열처리조건, 환경변화 등이 같이 혼재하기 때문이다. 예를 들어 어떤 재료들은 두께의 영향이 da/dN 대 ΔK 관계에서 소성을 일으키거나 또는 재료의 파괴인성을 나타내는 Kmax 영역인 Terminal range에서도 나타난다. (Note 2) 따라서 두께의 영향은 설계나 시험 시 면밀히 고려되어야 한다. NOTE 2—이 시험조건은 시험 시 피하여야 하며 적당한 시편 Annex에서 추천하는 시편 규격을 따라야 한다. 5.1.4 잔류응력은 피로균열성장속도에 지대한 영향을 미친다. 따라서 큰 구조물, 용접물, 단조물 등 잔류응력이 많은 모재로부터 시편을 채취하는 경우는 다양한 대책을 요한다.

5.1.5 작은 피로균열의 전파속도는 주어진 ΔK 조건에서 큰 균열의 성장속도와는 상당히 다른 양상을 보인다. 큰 균열의 Data를 사용하여 작은 균열의 성장속도를 분석하는 것은 때때로 과대평가된 수명을 예측하게 된다. 작은 균열 효과는 주변 조건에 의하여 크게 나타날 수도 있다. 균열들은 다음의 경우 작은 균열로 분류된다.

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1) 미세조직에 비하여 크기가 작을 경우 2) 국부적인 소성변형(Linear elastic fracture mechanics limitation) 의 크기에 비하여 작을 경우 3) 단순히 작을 경우 (<1 mm)

균열이 시작되고 성장하는 일반적인 피로양상을 보일 수 있을 정도로 충분히 큰 균열이 있는 재료에 대하여 본 시험방법으로 얻어진 경계영역 근처의 Data는 재료의 안정된 피로균열성장속도로 인정되어야 한다. 그러나 이를 매우 작은 균열에 적용하여 수명을 예측하는 것은 과대평가되는 경우도 있다. (5-7).

5.1.6 군열담힘(Crack closure) 현상은 피로균열성장속도에 영향을 주는 주 인자인데 특히 경계영역 근처에서 작은 Stress ratio 의 경우는 이 영향이 커진다. 이는 균열이 시작될 때의 조건이나 사전 부하 조건이 현재의 균열성장에 영향을 준다는 것을 의미한다. 이 균열닫힘 과정의 역할에 대한 이해는 작은 균열로서의 그런 현상이나 다양한 크기의 부하 조건에 따른 균열전파속도의 천이 등에 필수적이다. 균열닫힘은 균열선단에 일반적으로 가해진 하중에 따른 ΔK 값과 다른 ΔKeff을 형성하게 된다. 이는 피로균열성장속도가 ΔK, 및 R (8) 만의 함수가 아님을 의미하며 균열성장을 위한 파괴역학에 중요한 요점으로 취급되고 있다.

NOTE 3—작은 균열의 특성규명은 균열닫힘 현상에 의한 외곡이 최소화되는 높은 Stress ratio 및 경계영역에서 보다 정확하게 추정될 수 있다.

5.2 본 시험방법은 다음과 같은 목적을 가지고 있다. 5.2.1 반복하중 하에서의 부품의 수명에 대한 피로균열성장의 영향 인자를 정립하며 시험상 얻어진 Data와 기존의 Data(fracture toughness data(E399), Defect characterization data 및 Stress analysis information (9, 10).

와의 결합 등이다. NOTE 4 피로균열성장은 부하이력에 큰 영향을 받는다. 다양한 크기의 부하 시 균열성장은 일정한 부하조건 ΔK 에 비하여 촉진되거나 저하되는데 이는 Loading sequence에 영향을 받는다. 다양한 진폭의 피로문제(11)를 분석하기 위하여는 일정한 진폭의 성장속도 Data에 복잡한 여러 인자를 고려하여야만 한다.

5.2.2 재료선택 기준 및 손상평가를 위한 검사기준 정립 5.2.3 정량적으로 피로균열성장에 대한 부하, 금속학적, 제조학적, 분위기에 따른 각각의 영향 및 복합적인 영향에 대한 정립.

6. 기기 6.1 Grips and Fixtures—본 시험법에 기술된 시편에 대한 Grips 및 Fixture는 관련 시편 부록에 정리 6.2 Alignment of Grips—축 정렬은 매우 중요하다. 따라서 모든 부분의 가공은 축 정렬을 고려한 정밀가공이 필요하며 편심은 비대칭인 균열을 만들게 되어 의미 없는 Data가 된다. (참조 Sec.8.3.4, 8.8.3). 만일 비대칭적인 균열이 형성되었을 경우에는 Strain-gaged 시편을 이용하여 편심을 측정하는 것이 필요하다. E 1012는 인장 시 편심에 의한 굽힘을 측정하는 방법이다. 참고자료 (12)는 Pin load 시편의 편심에 따른 굽힘을 측정하는 자료이며 인장 압축의 부하의 경우에는 가급적 하중 축을 짧게 잡아야 편심의 영향을 줄일 수 있으며 Non-rotating joint를 사용하여 측면운동을 없애야 한다.

7. 시편의 형상, 크기 및 준비 7.1 Standard Specimens—본 시험에 사용되는 시편에 대한 자세한 정보는 각 시편마다 부록으로 정리되었다.

Notch 및 Precrack에 대한 사항은 Fig. 1을 참조 7.1.1 시편 채취에 따른 잔류응력을 완전히 없앤다는 것은 현실적으로 불가능하다(see 5.1.4). 따라서 균열전파에 대한 잔류응력의 영향을 최소화 하기 위한 시편의 모양과 크기의 선택에 세심한 주의를 기울여야 한다. 시편의 B/W 비를 최소로 함에 따라 균열성장에 수직한 방향의 전 두께에 대한 잔류응력을 줄일 수 있다. 시편 형상의 선택은 균열 선단의 굽음 등 da/dN 및 ΔK를 계산하는데 문제를 유발하는 오차인자를 최소화 하게 선택한다. 부가하여 시편진행방향과 평행한 잔류응력은 균열선단의 벌어짐을 촉진시키거나 지연시켜 시험오차를 유발한다. 이런 현상은 특히 깊은 Notch를 가공하는 CT 시편에서는 더 심하다. 이런 이유로서 응력을 제거하지 않은 재료의 파괴 인성을 결정할 때 추천하는 것(13)과 같이 시편의 수량과 부가적인 시험을 더 많이 준비하는 것이 유용하다. 대부분 이런 경우 잔류응력이 균열진전에 영향을 최소화 하기 위하여 대칭을 가지는 M(T)같은 시편형상을 사용한다. 상대적으로 시편이 너무 단단하여 균열이 너무 작은 경우 인장영역이나 압축영역에 완전히 위치한다면 균열선단에 작용하는 Cyclic stress ratio는 가해지는 하중으로부터 계산되는 값과 다를 것이다. 만일 잔류응력이 결과에 심각한 영향을 미친다면 이 경우 유일한 해결책은 대체할 수 있는 다른 형상의 시편이나 da/dN-ΔK 관계를 측정할 수 있는 위치의 시편을 시험할 수 밖에는 없다.

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Fig.1: Notch Details and Minimum Fatigue Pre-cracking Requirements 7.2 Specimen Size—본 시험방법에 따른 시험결과가 유효하기 위해서는 시편이 부가되는 하중 조건에서 거의 탄성 조건이어야 한다. 이 조건을 만족하는 최소 시편의 크기는 실험적인 결과에 근거를 두고 있으며 시편 Annex (10)에 정리되었다.

NOTE 5—부록에 있는 다양한 형상의 시편에 대한 크기 규정은 여러 종류의 재질에 적합하도록 분류하는데 Low-

strain hardening 재료 (σULT/σYS≤ 1.3) (14), 특정 하중비 및 온도에서의 High-strain hardening 재료 (σULT/σYS ≥1.3) (15, 16) (여기서 σULT 는 인장 강도임) 등이 제시되고 있다. 그러나 다른 하중비 및 온도에서는 부록에 제시된 요구조건이 제한적일 수도 있다. 즉 좀 더 큰 시편크기가 필요할 수도 있다(17,18). 현재까지도 이 문제에 대해서는 아직 불분명한 상태이다.

7.2.1 높은 가공경화재료들에 대한 대안적인 크기 규정은 아래와 같다. 시편의 Un-cracked ligament에 대한 규정은 σYS를 소성경화 능력을 고려한 보다 높은 Effective yield strength로 대체 함으로서 완화할 수도 있다. 이 목적으로 Effective yield strength는 Flow strength로서 아래와 같이 정의한다.

σFS = (σYS + σULT) /2 (5) 그러나 이 대안적인 시편 크기를 사용할 경우에는 어느 정도 소성변형이 일어난다는 것을 알아야 한다. 이미 거론하였듯이 어떤 조건하에서는 이 소성성분이 균열성장 속도를 두 배 이상 증가시킬 수도 있다. 비록 이런

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Data는 수명평가 및 설계에 안전성을 높여주겠지만 균열성장의 주인자인 시편두께, 하중비, 분위기 효과 등이 무의미해 질 수도 있다. 따라서 대안적인 크기의 시편을 사용하는 경우에는 Data가 항복강도 기준인지 Flow strength의 기준을 적용한 것인지를 구분하는 것이 매우 중요하다.

7.3 Notch Preparation—Electrical-discharge machining (EDM), milling, broaching, saw cutting등을 이용하여 Notch를 가공한다. 다양한 재료에 따른 피로 Crack을 촉진하기 위한 Notch 가공 공정을 아래에 추천한다.

7.3.1 Electric Discharge Machining—ρ< 0.25 mm (0.010 in.) (ρ= notch root radius), high-strength steels (σYS≥1175 MPa/170 ksi), Ti, Al 합금용

7.3.2 Mill 또는 Broach— ρ≤0.075 mm (0.003 in.), Low 또는Medium-strength steels (σYS≤1175 MPa/170 ksi), Al합금 7.3.3 Grind—ρ≤0.25 mm (0.010 in.), Low 또는 Medium strength steels. 7.3.4 Mill or Broach—ρ≤0.25 mm (0.010 in.), Al 합금 7.3.5 Saw cut—Al 합금에만 사용 7.3.6 Machined-notch 형상과 관련된 pre-crack의 규정은 Fig. 1 (see 8.3)에 정리되었다. 7.3.7 잔류응력이 있을 것이라고 추정되면(see 5.1.4), Notch 가공 전후에 국부적인 변위를 측정하여 비교 함으로서 그 영향을 추정할 수 있다 간단히 기계적인 측정도구를 사용하여 Notch 입구 양쪽의 압입자국의 변화를 측정하여 평가한다(3, 13). 제한된 Data지만 예로서 AL C(T) 폭 50-100 mm (2-4 in.) 시편의 경우 변위차이가 0.05 mm (0.002 in.)(4)이상이면 균열전파속도에 심각한 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.

8. 시험과정 8.1 시험횟수—균열성장속도가10−8 m/cycle보다 큰 경우, 한 Lot(Neighboring specimens) 안에서 주어진 ΔK 에서

da/dN 의 변동성은 대략 두 배까지도 보고되고 있다(19). 10−8 m/cycle보다 낮은 경우의 변동성은 무려 5배 또는 그 이상으로 보고되는데 이는 작은 ΔK의 변화에 대하여서도 da/dN의 예민성의 증가 때문이다. 이런 변동성은 다양한 원인으로 더욱 증가하게 되는데 미세조직의 차이, 잔류응력, 균열선단의 변형(Crack branching), 균열의 거칠음에 따른 응력, 응력의 정밀도, 환경조건, Data 처리 방법 등 다양한 조건들이 원인으로 작용한다. 이러한 변수들은 특히나 낮은 균열성장속도(da/dN < 10−8 m/cycle). 영역에서 심하게 나타난다.

Threshold stress-intensity (3.3.2 및 9.4참조)의 정의라는 관점에서 본다면 경계영역 또는 그 근처에서는 변동성은 da/dN보다는 ΔK로 나타내는 것이 보다 의미가 있을 것이다. 이런 것이 비현실적이라면 반복적인 시험이 효과적이다. K-increasing 및 K-decreasing 조건을 포함해서. da/dN 대 ΔK data를 반복적인 시험을 통하여 얻어야 한다. 시험 Data 가 많을수록 신뢰성이 증가하기 때문에 시험횟수는 Data의 최종 사용목적에 따라 결정된다.

8.2 Specimen Measurements—시편의 크기는 각 시편 Annex에 명시된 규정에 적합하여야 한다. 8.3 Fatigue Precracking – Precrack의 중요성은 적절한 크기 및 직진성(Symmetry for the M(T) specimen)을 가지는 예리한 피로균열을 만드는 것이다. 이 예리한 피로균열은 피로균열성장에 영향을 주는 Notch효과 및 균열 선단의 여러 추가적인 영향을 제거하여 다음 사항을 보증하여 준다.

8.3.1 시편의 Precrack은 시험조건과 같은 열처리조건에서 행하여야 한다. Pre-crack을 내는 시험기는 Notch 전면에 걸쳐 응력이 균일하게 분포되어야 하고 Precrack을 내는 동안 Kmax은 65%이내로 조절되어야 한다.

Precrack을 위한 하중 반복주기는 하중의 정확도를 유지할 수 있다면 어떤 주기도 사용 가능하다. 가공된 Notch와 Precrack은 Fig. 1과 같이 균열선단의 정점을 가지며 같은 면에 있어야 한다. 또한 Precrack의 최소 길이는 적어도 0.10B, h, 또는 1.0 mm (0.040 in.)중 큰 값보다 커야 한다.

8.3.2 Precrack 중 최후의 Kmax값은 초기 Kmax보다 크면 안 된다. 만일 필요하다면 초기에는 Kmax값보다 높은 하중을 사용할 수도 있다. 이런 경우 하중은 점차적으로 내려 상기 조건을 만족 시켜야 한다. 단 Pmax은 각 단계당 20% 이상 차이가 나서는 안 되며 간 단계마다 측정할만한 균열 진전이 일어나야 한다.

시험Data에서 전이효과를 피하기 위하여 적어도 균열 증가가 (3/π) (K’max/σYS)2 이상이 되도록 Force range를 가한다. 여기서 K’

max은 바로 전 하중 단계의 마지막 Kmax값이다. 만일 균열을 만드는 동안 Pmin/Pmax값이 시험 시 사용하는 값과 다를 경우 8.5.1에 기술한 주의 사항을 참고하여야 한다.

K-decreasing 시험과정은 8.3.2의 주의 사항에도 불구하고 사전하중 이력은 경계영역 근처에서의 균열 성장속도에 영향을 미친다. 따라서 가능하다면 낮은 응력계수의 조건에서 피로균열을 시작하는 것이 좋다. 10−8 m/cycle 보다 낮은 Precracking 속도를 추천하고 있다. Precacking 하중과 같거나 적은 압축하중은 Precracking을 촉진할 수 있고 K-decreasing 시험 방법의 경우 다음 단계의 균열성장속도에 영향을 주는 효과를 감소시킬 수 있다.

8.3.4 균열길이는 시편 양면에서 측정하는데 측정 정밀도는 0.10 mm (0.004 in.) 또는 0.002W 중 큰 값을 따른다. 시편 폭이 W> 127 mm (5 in.)의 경우는 0.25 mm (0.01 in.)까지 측정한다. 만일 양면의 균열 차이가 0.25B보다 크다면 Pre-cracking 과정이 적당하지 않으며 다음 시험 결과가 유효하지 않게 된다. M(T) 시편의 경우 시편의

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중앙선에서부터 측정되는 두 균열(각 균열은 양면의 측정값의 평균값)의 차이는 0.025W보다 작아야 한다. 만일 차이가 허용값보다 크게 되면 다음 시험이 유효하지 않다. 상기 조건을 만족하지 못하다면 Loading alignment, Notch 가공상태 및 잔류응력 등 재료에 관련된 문제 등을 점검하여야 한다.

8.4 시험기—피로시험기는 시편의 Notch 전면에 대하여 대칭적인 하중 분포를 가져야 한다. 8.4.1 E 4 및 E 467에 따라 교정하여야 한다. ΔP 및 Pmax을 62 % 이내로 조절하며 시험한다. 8.4.2 총 반복횟수를 측정하는 데는 정밀한 Digital 장비를 사용한다. 시계 또한 Counter의 보조장비로서 사용한다.

Multiplication factors (예로, 310 or 3100)는 균열속도가 10−5 m/cycle보다 빨라지면 사용하면 안 된다. 이는 균열성장속도를 결정하는데 심각한 오차를 유발하기 때문이다.

8.5 da/dN > 10−8 m/cycle보다 큰 Constant-Force-Amplitude 시험과정—본 시험과정은 균열전파속도가 10−8 m/cycle 이상에 적합하다. 그러나 균열전파속도가 10−8 m/cycle 이하에서는 Pre cracking 조건 (see 8.3.3)때문에 사실상 시험이 매우 어렵다. 따라서 10−8 m/cycle 속도 이하에서는 8.6에 기술한 K-decreasing 시험방법이 적합하다. Constant-force-amplitude 방법을 사용하는 경우에는 확정된 부하조건(Stress ratio 및 Frequency)에서 Constant force range (ΔP)에서 시험하는 것이 유리하다. 그러나 이런 방법은 시편의 수량이 적은 경우 다양한 정보를 얻기에는 적합하지 않다. 시험 중 하중 변수가 변하는 경우에는 몇 가지 전이현상으로부터(20) 중대한 문제점들이 발생한다. K-increasing 시험 중에는 이런 전이현상을 최소화 하거나 배제하게 위하여 다음 과정을 필히 준수하여야 한다.

8.5.1 만일 Force range가 증가하는 방향으로 변한다면 Overload 효과로 인한 균열성장속도의 저하를 방지하기 위하여 Pmax 값이 감소하기보다는 증가하는 방향으로 되어야 한다. (Pmax의 증가에 따른 균열성장속도의 증가보다 지연이 주 효과가 된다) 전이성장속도는 Pmin 또는 R값의 변화에 기인한다고 알려져 있다. 균열성장속도의 평형값을 결정하기 위해서는 각 하중 변화에 따라 충분한 길이의 균열이 성장되어야 한다. 이 균열성장의 양은 하중의 크기 및 재료에 따라 결정된다. 10 % 또는 그 미만이 이런 전이성장속도를 최소화 할 수 있다.

8.5.2 환경 효과가 존재한다면 하중 Level의 변화, 시험주기, 또는 파형 등이 전이성장속도에 영향을 준다. 따라서 성장속도의 평형값을 얻기 위해서는 하중 변수의 변화 사이에 충분한 길이의 균열성장이 필요하다.

8.5.3 전이성장속도는 하중조건의 변화 없이도 일어날 수 있는데 이는 긴 시간의 시험 동안 시험에 문제가 일어나는 경우이다. 예로서 시험 중 중간에 잠시 시험이 멈출 수도 있는데 만일 성장속도가 문제이전의 성장속도 보다 작아지면 이 Data는 의미가 없으므로 버려야 한다.

8.6 da/dN < 10−8 m/cycle 조건에서 K-Decreasing시험— 이 과정은 Precrack 과정의 마지막 조건보다 같거나 큰 조건의 ΔK 및 Kmax수준에서 시작한다. 순차적으로 균열이 성장됨에 따라 원하는 균열성장속도나 또는 가장 적은 ΔK 에 도달할 때까지 힘을 줄여나간다. 이 시험은 K-increasing 조건에서 얻은 Data와 비교 가능한 Data를 얻기 위한 일정 하중 한계에 도달할 때까지 계속한다. 이 K-decreasing 시험은 피로균열성장속도가 10−8 m/cycle 이상에서는 추천하지 않는데 이유는 이런 조건의 ΔK에서는 사전 하중 이력이 경계영역근처에서의 균열성장속도에 영향을 미치기 때문이다.

NOTE 6—ASTM Subcommittee E08.06은 경계영역 및 그 근처에서의 피로균열성장속도를 결정하기 위한 과정을 조사하기 위하여 Task group (E08.06.06)을 출범시켰다. 이 위원회의 성과는 본 규격에서 거론된 시험과정에도 영향을 주었으며 최근 연구결과는 어떤 특정 조건에서 하중감소 과정을 이용한 시험 결과를 보고하고 있는데 Non-steady-state conditions, Specimen width effects (21), Specimen-type effects (22)및 Non-conservative growth rates 등이다.

8.6.1 K-decreasing 시험 시 Fig. 2에서 보듯이 선택한 균열크기 간격에 따라 하중을 감소시킨다. 또 다른 방법으로는 Computer를 사용하여 하중을 연속적으로 감소시키는 방법도 있다. (23)

8.6.2 균열크기가 증가함에 따른 하중감소 속도는 다음 항을 만족시킬 정도로 충분하여야 한다. 1) 응력확산계수의 감소에 따른 이상Data 및 수반되는 전이성장속도를 배제하고 2) 대략 균열성장속도를 Log scale로 등분한 간격으로 5개의 da/dN, ΔK data points를 얻어야 한다. 상기 필요조건은 Normalized K-gradient, C = 1/K·dK/da 값을 대수적으로 −0.08 mm−1 (−2 in.−1) 보다 크거나 같은 값으로 제한 함으로서 만족시킬 수 있다. 즉

C= () () > −0.08 mm -1(−2in.-1 ) (6) 하중이 연속적으로 감소할 때는 C에 대한 조건은 Fig. 2에 표시된 Nominal K-gradient에 상응한다. NOTE 7—수용할만한 C 값은 하중비, 시험재료 및 시험환경에 따라 변한다. 위에서 나타낸 값보다 큰 C 값이 몇 몇 Steel 및 Al합금에 대하여 대기 중 시험실에서 다양한 하중비 조건에서 Decreasing K 시험에 사용 가능하다고 보고되고 있다(14, 23).

8.6.3 만일 Normalized K-gradient C 값이 8.6.2에서 거론된 값보다 작다면 이 과정은 관심 있는 가장 작은 균열성장속도까지 Decreasing K 방법으로 시험한 후 Constant ΔP (8.5항에 따라 수행) 조건으로 K-increasing 시험하여야 한다. 주어진 시험조건에서 K-increasing 및 K-decreasing 조건에서의 시험 Data가 유사하다면 같은 조건

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에서의 반복되는 시험에서는 K-increasing 시험을 생략할 수 있다 NOTE 8—C 값에 관계없이 새로운 재료의 첫 번 시험은 K-decreasing에 이은 K-increasing data를 얻는 방법이 좋다.

8.6.4 K-decreasing 시험(8.7.1 예외 사항 참조)시에는 Force ratio, R, 및 C는 일정하게 유지하는 것을 추천한다.

FIG. 2 Typical K Decreasing Test by Stepped Force Shedding 8.6.5 Constant-C 조건 시험에서의 K 와 균열크기 및 하중과 균열크기 의 관계는 아래와 같다. 8.6.5.1 ΔK = ΔKoexp[C (a − ao)], 여기서 ΔKo는 시험시작에서의 초기 ΔK값이고 ao는 관련된 균열크기이다. 5.1.1

(Note 1)및 3.2.14의 정의에 따라 위 관계식은 Kmax 및 Kmin에도 적용된다. 8.6.5.2 본 시험방법에 사용하는 표준시편에 대한 응력이력은 관련된 시편부록에서 얻을 수 있다. 8.6.6 Fig. 2와 같이 단계적인 하중을 사용하는 경우에는 각 단계의 Pmax값이 이전단계 값에 비하여 10% 이상 차이가 나면 안 된다. 최대하중을 Pmax1에서 낮은 하중인 Pmax2로 조절하여 최소균열성장은 0.50 mm (0.02 in.)를 추천하고 있다.

8.6.7 연속적인 하중변화를 사용하는 경우에는 When employing continuous shedding of force, the requirement of 8.6.6의 조건은 무시된다. 연속적인 하중 변화 조건은 (Pmax1 − Pmax2)/Pmax1 ≤0.02이다.

8.7 Alternative K-control test procedures—원칙적으로 시편의 형상과 관계없는 K-gradient에서의 da/dN, ΔK data를 얻는 것이 바람직하다(24) 일정진폭의 하중조건에서 이 K-gradient 보다 높은 조건에서의 시험은, 큰 a/W값에서 원치 않는 너무 가파른 K-gradient를 일으키지 않으면서도, 작은 값의 a/W에 대하여 가파른 Gradient가 가능하다. 일정한 양의 K gradient parameter, C(8.6.2 참조)를 사용하여 적당한 K gradient에서 Data를 얻는다는 것은 여러 가지 장점이 있는데, 시간절약, Δa Increment를 사용하지 않아도 da/dN-ΔK data의 적절한 분포, 하중의 증가 없이 넓은 영역의 Data 취득 가능, 시편 형상에 관계없는 K-gradient 등이다.

8.7.1 일정한 R 상태에서 보다 일정한 Kmax 또는 Kmean상태에서 ΔK 가 변하는 것이 일반적이다. 시험 Data의 응용은 어떤 적당한 Mode의 K control을 선택하는가에 대한 것이 필수적으로 고려되어야 한다. 예로서 경계영역에서 좀더 보수적인 추정은 이 방법을 이용하여 얻을 수 있다. 이 과정은 효과적으로 높은 Stress ratio에서 경계영역 data를 측정한다.

8.8 균열크기의 측정—시각적인 방법이나 또는 다른 방법으로 Cycle의 함수로 균열의 크기를 측정하여야 하는데 측정분해능은 0.1mm 또는 0.002W중 큰 값을 따른다. 시각적인 측정을 위해서는 시편의 시험영역을 Polishing하고 균열선단에 간접적인 조명을 사용한다. 시험 전 균열성장이 예상되는 방향에 상대표시를 하는 것을 추천한다. 균열크기는 낮은 배율의(20 to 50배) Traveling microscope를 사용한다. Traveling microscope의 돌발적인 움직임에 따른 오차를 없애기 위하여 Reference mark를 사용한다. 만일 정밀한. Photographic grids 나

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polyester scale을 시편에 붙인다면 균열크기는 원하는 분해능을 가지는 확대경을 이용하여 직접적으로 측정이 가능하다. 측정은 가급적 시험에 간섭을 주어서는 안 된다.

NOTE 9—균열을 측정하기 위하여 반복하중을 멈추어야 하는데 이때에는 시편에 심각한 손상을 주지 않도록 세심한 주의가 필요하다. 예로서 Creep 이라던가 전이균열전파 (정 하중에서 균열이 전파) 등이 일어나면 안 된다. 정지시간은 최소화하여 최대 10분을 넘기면 안되고 만일 균열 선단의 분해능을 위하여 정하중을 가할 시는 매우 주의하여 하중을 가하여야 한다. 정하중은 고온 및 부식분위기 등에서 피로하중의 평균하중을 일반적으로 사용한다. 그러나 어떤 경우에도 최대피로하중 보다 크면 안 된다.

8.8.1 da/dN data들이 각 상당하는 Δ K 에 대하여 등 간격이 되는 간격으로 균열길이를 측정한다. 추천하는 측정간격은 각 시편 부록에 정리되었다.

8.8.1.1 최소 0.25 mm (0.01 in.)의 Δa 를 추천한다. 그러나 그 이하의 경우도 발생한다. 5개의 da/dN, ΔK data points가 경계영역(see 9.4 3)에서 필요한 Threshold 시험이 이런 경우인데 어떤 경우에도 최소 Δa는 균열측정 정밀도의 10배 이상이어야 한다.

NOTE 10—균열크기 측정의 정밀도는 반복적인 균열크기의 측정의 평균값에 대한 표준 편차로 나타낸다. 8.8.2 균열크기는 8.8.3에서 규정한 균열 대칭성을 확인하기 위하여 시편의 양면에서 측정하여야 한다. 측정한 값의 평균값은(C(T)시편의 경우는 2개, M(T) 시편의 경우는 4개)모든 균열성장속도 및 K 값의 계산에 사용한다. 만일 균열길이 측정이 모든 균열크기 간격에서 양면에서 측정된 것이 아니라면 양면에서 측정한 간격을 필히 보고서에 기입한다. 만일 사전 시험을 통하여 특정한 시편형상, 특정 재료, 특정시험기 및 성장속도에서 균열의 대칭성이 일관되게 규정에 적합하다면, 한 면만의 균열크기 측정이 허용된다.

8.8.3 시험 중 어느 점에서도 균열이 대칭면에서 0.1W또는 그 이상의 길이에서 ±20° 이상 벗어난다면 이 시험방법(25)에 따른 Data는 유효성을 상실한다. 차이가 ±10 및 ±20° 사이는 기록을 하여야 한다. (Fig.3참조).

또한 양쪽 균열크기 차이가 0.25B보다 큰 경우 유효성이 없게 된다. 추가적인 유효성 조건은 각 시편부록에 정리되었다.

NOTE 11—Out-of-plane cracking에 대한 규정은 결정립이 큰 재료나 단결정 재료에서 자주 지켜지지 않고 있다. 이 경우 이방성 때문인데 K를 계산하는 데는 Mixed-mode stress analyses가 필요하게 된다. (예로 Ref. (26)참조).

NOTE 12—균열선단이 갈라지는 현상이 발생하면 기록을 하여야 한다. 이 특성은 ΔK 계산과는 관련이 없다. 결과로서 Crack 의 갈라짐이나 두 갈래로 나뉘는 것은 피로균열성장속도 측정에서의 오차의 원인이 될 수도 있다.

Valid if ϕ ≤ 10o Report if ≤ ϕ ≤ 20o

Invalid if ϕ ≥ 20o for L≥0.1 W FIG. 3 Out-of-Plane Cracking Limits 8.8.3.1 만일 비시각적인 방법으로 균열크기를 측정하는 경우 비대칭적이나 경사진 균열이 발생한다면 이 부분에 대하여서는 8.8.3 요구조항을 만족시키는지를 확인하기 위하여 시각적인 방법으로 검증하여야 한다.

9. 결과의 계산 및 해석 9.1 Crack Curvature Correction – 시험이 완료되면 주로 두 부분(예로서 Precrack부분 및 최종 피로균열크기)의 파단면 검사 및 전 두께에 걸친 균열 선단의 곡률반경(Crack tunneling이라 칭함)을 결정한다. 만일 균열윤곽이 보인다면 E 399방법에 따라 3점에서 평균 균열크기를 측정한다. 전 두께를 통한 평균 균열길이와 시험 동안 기록된 균열길이(예로서 시각적인 방법으로 측정하였다면 시편 양면의 균열크기의 평균값이다) 차이가 Crack

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curvature correction이다. 9.1.1 만일 Crack curvature correction 결과가 어떤 균열크기에서도 계산되는 Stress-intensity factor에 5% 이상 차이가 난다면 시험 Data를 분석하는데 보정을 하여야 한다.

9.1.2만일 Crack curvature correction 양이 균열 크기에 따라 증가하거나 감소한다면 Data point 사이에서는 Linear interpolation 방법을 사용한다. 이 선향보정은 최소0.25W 또는 B 중 큰 값 이상 떨어진 두 개의 균열로부터 결정한다. 균열 크기에 따라 균열 Curvature에 특별한 경향의 변화가 없는 경우에는 균열 Contour 측정값의 평균으로부터 구한 일정한 보정값을 사용한다.

9.1.3시각적인 방법 이외의 방법으로 균열을 관찰할 경우에는 Crack curvature correction은 일반적으로 사용된 기술의 교정에 관련된다. 그러나 보정값의 크기가 대부분 시편 두께 의존성이 있으므로 사전 보정 과정 역시 필요할 것이다.

9.2 균열성장속도의 결정- 피로균열성장속도는 균열크기와 경과 Cycle수에 따라 결정된다. 추천되는 방법은 Appendix X1에 정리한 Secant 또는 Incremental polynomial 방법이다. 두 방법 모두 K-increasing, constant ΔP 시험에는 적합하다. Fig.2와 같이 하중이 점진적으로 줄어드는 K-decreasing 시험에는 Secant 방법이 추천된다. 균열성장속도의 결정은 하중단계를 포함한 균열 전파 증분 내에서 하여야 한다. 자동으로 각 주기마다 연속적으로 K가 변하는 경우에는 Incremental polynomial 방법이 적용된다.

NOTE 13—두 가지 추천 방법은 N data에 대하여 같은 평균 da/dN을 계산한다고 알려져 있다. 그러나 Secant 방법은 Incremental polynomial 방법에 비하여 종종 da/dN에서 더 큰 분산을 나타내고 있다. 이유는 후자의 경우 수학적으로 Data를 “ smooths” (19, 27)하게 만들기 때문이다. 이 두 가지 방법에 의하여 얻어지는 변동성의 차이는 고려되어야 하며 특히 설계에 da/dN 대 ΔK data 를 사용할 경우에는 필히 고려되어야 한다.

9.3 Stress-Intensity Factor Range, ΔK의 결정 – 주어진 균열성장속도에 상응하는 Stress-intensity range를 계산하기 위해서는 부록에 기술된 각시편의 적절한 균열크기를 사용한다.

9.4 Fatigue Crack Growth Threshold의 결정 – 아래과정으로 피로균열전파에서 3.3.2에 정의한 Threshold stress-intensity factor range , ΔKth 를 결정한다.

9.4.1 10−9 및 10−10 m/cycle 사이의 속도에서 적절한 간격을 가지는 최소 다섯 개의 da/dN, ΔK data point를 사용하여 log da/dN 대 log ΔK의 Linear regression으로부터 가장 적합한 직선을 결정한다.

Fitting 영역을 da/dN 구간으로서 결정하는 것은 이 직선을 결정하는데 있어 log ΔK 역시 변수가 된다. NOTE 14—Ref (28)에 9.4.1의 Linear regression 방법의 한계를 기술하였으며 대안적으로 사용하는 Nonlinear 방법과 그 장점 역시 Ref (28)에 정리하였다.

9.4.2 상기 Fitting line을 이용하여 10−10 m/cycle 속도에 상응하는 ΔK 값을 계산한다. 이 ΔK값이 본 시험방법의 실제적인 정의에 따라 ΔKth로서 정의된다.

NOTE 15—더 낮은 da/dN data가 얻어진 경우에는 위 과정은 가장 작은 값의 Data에 사용된다. 이 대안적인 Fit 영역은 10.1.12에 따라 필히 규정되어야 한다.

10. 보고서 10.1 보고서에는 아래 사항이 포함되어야 한다. 10.1.1 두께, B, 폭, W,를 포함한 시편의 형태. 만일 M(T) 시편인 경우거나 본 시험 방법에 없는 시편의 경우에는 시편의 형상을 기술.

10.1.2 시험기 및 균열길이를 측정하는 장비 및 정밀도 기술 10.1.3 열처리, 화학성분, 기계적인 성질(적어도 E 8/E 8M 시험 방법에 따라 측정한 연신률 및 단면수축률, 0.2 %

offset yield strength를 포함)을 포함한 재료의 특성 기술 및 제품의 형태 및 크기(예로서 sheet, plate 및forging 등) 역시 기술되어야 한다. 가능하다면 응력제거 방법도 기술한다. 열적인 방법에는 시간, 온도 및 분위기 등이 기술되어야 하며 비열적인 방법의 경우에는 정확한 하중 및 주기가 기술되어야 한다.

10.1.4 E 399시험 방법에 주어진 Code에 따라 균열평면방향을 표시한다. 부가하여 시편을 모재에서 채취한 경우에는 모재에서의 위치를 명시한다.

10.1.5 피로Precracking으로부터의 마지막 ΔK, R 및 균열크기. 만일 Precrack 하중이 단계적으로 줄어드는 경우에는 그 과정을 기술하여야 하고 마지막 하중 단계에서의 균열성장 양을 기술하여야 한다.

10.1.6 ΔP, R, Cyclic frequency, 및 Cyclic waveform 등을 포함한 시험하중 변수 10.1.7 온도, 화학조성, 액체의 경우 pH, 압력(Gas 및 진공) 등을 포함한 주위 환경변수. 대기 중에서 시험하는 경우에는 Method E 337에 의하여 측정된 상대습도도 기술하고 건조 Argon 등 불활성 분위기에서 시험하는 경우에는 시험환경(일반적으로 이는 Gas 공급장치에서의 잔류 불순물의 분석값과는 차이가 있다.)에서 추정되는 잔류 수분이나 산소농도도 기술한다. 상기한 모든 환경변수의 표준값 및 시험 중 변하는 최대폭을 기술한다. 또한 시편과 Chamber 또는 환경System 사이의 화학적 및 전기화학적 작용을 방지하기 위하여 Chamber내에서 사용한 재료에 대하여서도 기술하여야 한다.

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10.1.8 N에 따른 da/dN 환산, Crack curvature의 보정 및 보정값 등을 포함한 Data 처리 방법 10.1.9 탄성거동을 위한 시편의 K-calibration 및 크기기준 (본 시험규격에서 거론되지 않은 시편) 10.1.10 ΔK의 함수로서 da/dN을 Plot하여야 한다. (ΔK는 가로좌표 da/dN 는 세로좌표로 표시하는 것을 권고한다.)

Log-log 좌표가 일반적으로 사용된다. 적절한 Data의 비교를 위하여 ΔK-log cycles크기는 da/dN-log cycles 보다 2~3배 정도 크게 잡는다) 시편 부록에서 규정한 시편 크기 조건을 충족시키지 못하는 모든 data는 표시를 하여야 하며 시편의 크기를 결정하는데 사용한 하중이 σYS인지 σFS인지를 기술한다.

NOTE 16—σFS 의 정의는 7.2.1 참고 10.1.11 비 정상적인 Data에 관련되어 나타나는 모든 현상(예로 시험중단에 따른 변화라던가 하중변수의 변화 등) 10.1.12 K-decreasing시험의 경우 C, K, a의 초기값을 기술하며. K-decreasing data가 K-increasing data에 의해 검증되었는지를 기술한다. 경계영역에서의 성장속도의 경우에는ΔKth를 기술하는데 이 ΔKth는 9.4의 Fitted line 공식을 사용하여 얻는다. 또한 9.4의 정의와 상이한 ΔKth를 구하는 여타 과정도 기술한다. 또한 9.4 정의를 사용하여 ΔKth를 구하기 위해서 사용한 가장 낮은 성장속도를 기술한다. 이 값들은 ΔKth (x)로서 기술하기를 권장하는데.x는 앞서 기술하였던 가장 낮은 성장속도로서 m/cycle 단위이다.

10.1.13. a, N, ΔK, da/dN, 시험용도, 10.1.3, 10.1.6, 및 10.1.7의 시험변수 등은 각 시험마다 도표로서 정리되어야 한다 또한 시편 규정을 만족하지 못하는 시편으로부터 얻은 모든 Data는 표식을 하여야 하며 시편크기 결정에 σYS 또는 σFS 중 어떤 값을 사용하였는지를 기술하여야 한다.

11. 정밀도 및 오차 11.1 정밀도—da/dN 대 ΔK의 정밀도는 균열측정 및 하중부하의 오차와 더불어 재료고유의 불균일성의 함수이다. 8.4.1항의 하중 정밀도는 최근의 Closed-loop electro-hydraulic 시험장비를 이용하면 쉽게 얻을 수 있다. ±2 % 이내의 ΔK 오차는 경계영역에서 주어진 ΔK값에서 da/dN의 오차로는 ±4 % ~±10 % 정도이다. 그러나 일반적으로 균열크기측정에서의 오차가 da/dN의 주 오차를 유발한다. 이 오차는 N대 da/dN으로 변환하는 분석과정의 오차 및 재료 고유의 불균일성에 기인하는 오차와 섞여있기 때문에 균열크기 측정오차를 독립적으로 분리하기는 어렵다. 그럼에도 da/dN의 전체적인 변동성은 균열크기측정 간격에 의존성을 가진다. (27,29) 더욱이 측정간격은 측정 오차(또는 정밀도)에 비하여 큰 값을 가져야 하고 시편의 K- gradient에 비하여서는 작아야 한다는 사실 때문에, 적정한 균열측정간격이 존재한다. 이러한 고려사항들은 각 시편부록에 적정한 측정간격에 대한 기본적인 사항을 정하게 되었다. 균열측정정밀도에 대한 권고사항 들이 명시되며. 적용하는 측정기술에 따라 실험적으로 측정횟수가 결정되어야 한다.

11.1.1 위에서 논한 변동성은 일반적으로 각 원인에 따라 분리하기는 어렵지만 총 14개의 실험실이 참여한Interlaboratory test program(19) 6의 결과로부터 ΔK에 대한 da/dN 의 전체 변동성을 측정하는 것은 가능하다. 매우 높은 균질도를 가지는 10 Ni steel 로부터 얻은 이 Data들은 실험실간 da/dN의 평균값에 대한 재현성은 ±27 %, 범위는 ±13 ~ ±50 %를 나타내었으며 실험실간 반복성은 약 ±32 %이었다. 표준 오차는 ±2 의 잔류 표준 편차를 가지고 있다. 본 통계처리에 있어 Precrack의 부적절성과 하중 교정상의 오차로 인하여 두 실험실의 비 정상적인 Data는 배제하였다. 매우 균일한 재료를 본 시험에 사용하였기 때문에 da/dN의 변동성은 첫 번째로 균열측정 상의 오차로부터 발생하는 것으로 평가된다.

11.1.2 경계영역에서 ΔKth의 변동성의 측정은 15실험실이 참가한 Interlaboratory test program(30)7 의 결과이다. 균일한 2219 T851 Al 합금으로부터 얻은 이 Data 들은 ΔKth에 대하여 실험실간 재현성 63 %, 실험실간 반복성 69%를 보여주고 있다. 이 관찰은 경계영역근처에서 유효한 Data를 제시한 11개 실험실의 Data에 기반을 두고 있다. ΔK에 대한 da/dN의 예민성 때문에 경계영역근처에서의 성장속도는 종종 자리수가 다른 결과가 보고되기도 한다(30)6

11.1.3 설계나 신뢰성평가의 목적, 재료의 고유성질 등이 종종 da/dN의 기본적인 차이의 원인이 된다는 것을 인지하는 것은 매우 중요하다. 주어진 재료에 대한 차이는 화학적 성분의 불균일성, 미세조직 등이 원인이다. 같은 원인이 재료의 공정과정에서도 일어나며 이는 Lot 사이의 차이로 나타난다. 재료 고유의 차이를 평가하는 것은 통계적으로 계획된 시험에 의해서만이 가능하다. 위에서 거론한 재료 차이에 대한 영향을 최소화하기 위하여 선택된 10 Ni steel 및 2219–T851 Al에 대한 실험실 간의 시험결과는 측정의 정밀도를 평가하는데 유효하지만 이 Data를 일반화하여 다른 재료에 대하여는 적용할 수는 없다.

11.2 Bias—어떤 재료에 대해서도 da/dN 대 ΔK 값의 표준 자료는 허용되지 않으므로 Data에 대한 오차 역시 의미가 없다.

12. Keywords 12.1 constant amplitude; crack size; fatigue crack growth rate; stress intensity factor range

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ANNEXES (Mandatory Information) A1. THE COMPACT SPECIMEN A1.1 서론 A1.1.1 Compact specimen, C(T),는 Single edge-notch 시편으로 인장하중을 가한다. A1.1.2 C(T) 시편은 여타 시편 형상에 비하여 다양한 장점을 가지고 있는데 그 중 대표적인 장점은 최소한의 재료를 사용하여 균열성장거동을 평가할 수 있다는 점이다.

A1.1.3 C(T) 시편의 경우는 인장/압축 시 균열선단에서 부하에 따른 불확실성이 유발되기 때문에 인장압축을 권장하지 않는다.

A1.1.4 C(T) 시편은 Whisker-type의 불연속 강화재료나 본질적으로 이방성을 가지는 재료에는 적용하지 않는다. 이런 재료는 M(T) 나 ESE(T) 시편을 사용한다8

A1.2 시편 A1.2.1 표준 C(T) 시편의 형상은 Fig. A1.1과 같다. A1.2.2 두께, B, 폭, W,은 Buckling 및 Through-thickness crack-curvature 를 고려하여 아래의 한계값 내에서 독립적으로 변할 수 있다.

A1.2.2.1 시편 두께는 W/20≤B≤W/4의 조건을 가진다. W/4보다 큰 시편을 사용할 수도 있는데 W/2까지를 포함하여 이런 시편으로부터 얻은 Data는 본문의 9.1에 거론한 Crack curvature 보정을 요한다.

NOTE 1—Dimensions are in milli-metres (inches). NOTE 2—A-surfaces shall be perpendicular and parallel as applicable to within ±0.002 W, TIR. NOTE 3—The intersection of the tips of the machined notch (an) with the specimen faces shall be equally distant

from the top and bottom edges of the specimen to within 0.005 W. NOTE 4—Surface finish, including holes, shall be 0.8 (32) or better.

Fig.A1.1: Standard Compact C(T) Specimen for Fatigue Crack Growth Rate Testing A1.2.3 C(T)시편(Fig. A1.1)에서 균열크기 a는 Load line으로부터 측정한다. A1.2.4 C(T)시편에서 Notch는 적어도 0.2W 이상 가공하여 Loading-pin holes의 위치나 크기에 따른 작은 변화에도 K-calibration이 영향을 받지 않도록 한다.

A1.2.5 Notch 및 Precracking에 대한 자세한 사항은 647본문의 Fig. 1에 정리되었다. A1.2.6 시편크기-본 시험방법에 따른 시험결과가 유효하기 위해서는 가해지는 전 하중범위에서 시편이 탄성 거동을 하여야 한다. 이 조건을 만족하는 최소시편크기는 우선적으로 시험 결과에 근거하여 시편형상을 규정하였다(10).

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A1.2.6.1 C(T) 시편의 경우 조건

(W-a) ≥ (π)(K /σ)2 (A1.1)

where: (W – a) = specimen’s un cracked ligament (Fig. A1.1), σYS = 0.2 % offset yield strength NOTE A1.1—High-strain hardening 재료는 E 647본문 Note 5 참조 A1.3 기기 A1.3.1 C(T) 시편용 Grips 및 Fixtures —Clevis & pin assembly (Fig. A1.2)가 시편 양단에 사용된다. 이 Clevis & pin

grip은 부하 시 In-plane rotation이 가능하다. A1.3.1.1 Clevis 및 Loading pin의 재질과 치수는 (Fig. A1.2)과 같으며 이를 시편의 폭,W,과 두께,B,로 나타내기 때문에 한계값 내에서는 상호 독립적으로 변할 수 있다.

A1.3.1.2 Fig.A1.2에 나타낸 Pin 과 Hole의 여유는 시편과 Pin의 회전에 따른 힘과 변위의 비직진성 거동을 감소하도록 설계되었다(31). 비교적 낮은 항복강도를 가지는 재질에 대하여 이런 규정을 사용하는 경우에는 시편 Hole에 소성변형이 생기는 경우도 있다. 유사하게 고강도 재료나 Clevis 폭이 1.05B보다 큰 경우에는 단단한 Loading pin (즉, >0.225W)이 필요하기도 하다. 이런 경우 Flat bottom clevis hole 이나 Bearing이 Fig. A1.3에 나타낸 바와 같은 적당한 Loading pins (D = 0.24W) 과 같이 사용된다. 고점도의 그리스 등은 하중 대 변위 거동에 Hysteresis를 유발하므로 사용하지 않는다.

A1.3.1.3 1000-MPa (150-ksi) 정도의 항복강도를 가지는 재료, 예로서 AISI 4340 steel등이 Clevis 및 Pin 재질로서, 적당한 강도와 Galling 및 피로에 저항성을 가진다.

A1.4 Procedure A1.4.1 ΔK 에 대하여 da/dN 분포가 등분되도록 균열길이를 주기적으로 측정한다. C(T) 시편의 경우 추천하는 측정주기는 아래와 같다. Δa ≤ 0.04W for 0.25≤ a/W ≤ 0.40 (A1.2) Δa ≤ 0.02W for 0.40≤ a/W ≤ 0.60 Δa ≤ 0.01W for a/W ≥ 0.60 만일 균열길이를 시각적으로 측정한다면 두 개의 평균값을 사용하여야 하며 K값은 A1.5.1.1을 참조하여 계산하고 균열 형상에 대한 규정은 8.4.3을 참조한다. 균열의 Out-of-plane 은 8.8.3의 한계를 참조한다.

NOTE—Dimensions are in millimeters (inches). A-surfaces shall be perpendicular and parallel as applicable to within ±0.05 mm (0.002 in.) TIR. Surface finish of holes and loading pins shall be 0.8 (32) or better.

Fig.A1.2: Clevis and Pin Assembly for Gripping C(T) Specimens

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NOTE 1—Pin diameter = 0.24 W − 0.005 W. NOTE 2—Flat bottom hole is a modified Test Method E 399 design. NOTE 3—Corners of clevis may be removed if necessary to accommodate clip gage. A—surfaces must be flat, in-line, and perpendicular, as applicable, to within 0.05 mm.

Fig.A1.3: Two Suggested Clevis Designs for C(T) Specimen Testing

NOTE 1—Because of space requirements for the bearings, this grip is not practicable for small specimens. A—surfaces must be flat, in-line, and perpendicular, as applicable, to within 0.05 mm.

Fig.A1.3: (continued) A1.5 결과의 계산 및 해석 A1.5.1 Stress-Intensity Factor Range, ΔK 결정-Use E647 9.1 및 부록 X1의 균열크기를 사용하여 아래식으로 부터 주어진 균열성장속도에 해당하는 Stress-intensity range를 구한다.

A1.5.1.1 C(T) 시편의 ΔK 는 아래의 식에 따라 구한다. ΔK = √ ()()/(0.886+ 4.64α − 13.31αα + 14.72α −5.6α) (A1.3) α = a/W: expression valid for a/W ≥ 0.2 (32, 33)

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NOTE A1.2—윗 식은 재료가 완전한 탄성체이고 등방성을 가지며 균일하다는 가정에서이다. NOTE A1.3—상기 사용상의 정의는 ΔK 값을 계산하는데 잔류응력이나 균열닫힘 등의 영향을 고려하지 않았다. 하중 대 COD값의 Graph는 이런 영향을 측정하는데 도움을 준다(3)

A1.5.1.2 A1.2.6 시편크기에 대한 Compliance A1.5.2 Compliance에 의한 균열크기의 결정—The crack size of a C(T)시편의 균열크기는 Annex A5의 Compliance

procedures에 의해서 결정될 수도 있다. A1.5.2.1 C(T) 시편의 특정한 측정위치에 대한 이론적인 Compliance expression은 Fig. A1.4에 나타내었다(34).

Rotation coefficients를 사용하면 추가적인 측정위치들이 가능하다. 이 식은 Plane stress 조건을 위한 것이다. 왜냐하면 이 응력상태는 균열선단에서 떨어진 상태에서 측정하는 것이므로 균열선단에서의 국부적인 응력상태는 고려하지 않기 때문이다.

NOTE A1.4—폭이W = 40 mm인 CT 시편의 경우, Fig. A1.4에서처럼 4개의 gage를 부착하고 ±10 volt Range에서 50 μm/volt로 교정하면 충분한 분해능을 가질 수 있다.

A1.5.2.2 C(T)시편 등과 같이 시편에 굽힘력을 가하게 되는 Gripping은 Compliance reading에 영향을 줄 수도 있다. Fig. A1.3과 같이 Flat bottom holes 이나 Needle bearings을 통하여 시편에 하중을 가하는 것은 이런 문제점을 피해가기 위해서 이다.

A1.5.3 Annex A6에 정리한 Electric potential difference (EPD) 방법을 이용하여 CT 시편에서의 균열크기를 결정할 수 있다.

A1.5.3.1 C(T) Geometry Voltage 대 균열크기의 관계—한 예로서 Eq.A1.4에 CT시편에서 Voltage와 균열크기와의 관계를 나타내었다. 이식은 Hicks & Pickard 가 Finite element analysis를 통하여 만들었고 a/W비가 0.24~0.7사이의 시편에 대하여 시험적으로 검증되었다(35). 이 식은 두 개의 국제적인 실험실 교류의 산물이다. (36, 37).

V/Vr = Ao + A1(a/W)+A2(a/W)2 + A3(a/W)3 (A1.4) for 0.24 ≤ a/W ≤ 0.7 where: V = the measured EPD voltage, Vr = the reference crack voltage corresponding to a/W =0.241, a = the crack size (as defined in Test Method E 647), W = the specimen width, Ao = 0.5766, A1 = 1.9169, A2 = –1.0712, A3 = 1.6898 또는 역으로 a/W = Bo + B1(V/Vr) +B2(V/Vr)2 + B3(V/Vr)3 (A1.5) for 0.24 ≤ a/W ≤0.7 where: Bo = –0.5051, B1 = 0.8857, B2 = –0.1398, B3 = 0.0002398.

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Meas. Location X/W C0 C1 C2 C3 C4 C5 C(T) Specimen VX1 −0.345 1.0012 −4.9165 23.057 −323.91 1798.3 −3513.2 V0 −0.250 1.0010 −4.6695 18.460 −236.82 1214.9 −2143.6 V1 −0.1576 1.0008 −4.4473 15.400 −180.55 870.92 −1411.3 VLL 0 1.0002 −4.0632 11.242 −106.04 464.33 −650.68 a = a/W = C0 + C1uX + C2uX

2 + C3uX3 + C4uX

4 + C5uX5

ux = {[ ] + 1}-1 0.2 ≤ a/W≤ 0.975 Fig.A1.4: Normalized Crack Size as a Function of Plane Stress Elastic Compliance for C(T) Specimens (58). A1.5.3.2 Fig.A1.5에 C(T) 시편의 형상 및 상기 방법을 위한 결선 위치를 나타내었다. 이 결선 위치는 민감도와 재현성을 감안하여 결정되었으며 이 관계는 그림에서 보여주는 결선 위치에서만 유효하다. 만일 다른 결선 위치를 사용한다면 상기의 관계식은 더 이상 유효하지 않고 새로운 관계식을 개발하여야 한다.

A1.5.3.3 첫 번째 공식은 각 a/W에 관계되는 전압 V로부터 Vr을 계산하는데 사용한다. 이런 방법으로 Vr 을 계산하는 것은 각 시편마다의 결선위치의 작은 오차, 적용하는 전류의 작은 변화, 시편의 크기측정 오차 등에 따라 선형적으로 변하게 된다. 계산된 Vr은 두 번째 공식을 사용하여 모든 전압값 V에 대한 균열크기를 결정하는데 사용한다.

Fig.A1.5: C(T) Geometry and Electric Potential Wire Placement Locations for Eq. A1.4 (67) A2. THE MIDDLE TENSION SPECIMEN A2.1 서론 A2.1.1 Middle tension, M(T), 시편은 인장/인장 이나 인장/압축력을 가할 수 있는 Center crack 시편이다. A2.1.2 M(T) 시편의 장점은 양이나 음의 Force ratios (R)을 사용하여 피로시험을 할 수 있다는 것이다. A2.1.3 경계구역에서(10–8 m/cycle이하), M(T)시편을 사용하여 R≥0인 조건에서는 균열조건을 만족하기가 어려우므로 C(T) 나 ESE(T) 시편이 대안적으로 사용된다.

A2.2 시편의 형상, 크기 및 준비 A2.2.1 M(T) 시편의 일반적인 형상은 Fig. A2.1과 같다 그러나 자세한 형상은 A2.3에서 설명한 바와 같이

Gripping 방법에 따라 좌우된다. A2.2.2 M(T) 시편의 경우 두께, B, 폭, W, 은 Buckling 및 Through-thickness crack-curvature를 고려하여 아래의 한계값 내에서 독립적으로 변할 수 있다.

A2.2.2.1 M(T) 시편의 경우 두께는 W/8≤B≤W/4 의 범위를 가진다. 과도한 측면 굽힘이나 Buckling을 방지하기 위한 최소 두께는 시편의 Gage length, Grip alignment 및 Stress ratio, R 등에 민감하게 좌우된다. 특정한 시편 형상 및 하중 조건에서 굽힘 Strain은 공칭 Strain의 5%를 넘어서는 안 된다.

A2.2.3. Fig.A2.1의 M(T)시편에서 a는 Central crack에서 수직 이등분선으로부터 측정한 균열크기이다.

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NOTE 1—Dimensions are in millimetres (inches). NOTE 2—The machined notch (2an) shall be centered to within ±0.001 W. NOTE 3—For specimens with W > 75 mm (3 in.) a multiple pin gripping arrangement is recommended, similar to

that described in Practice 561. NOTE 4—Surface finish, including holes, shall be 0.8 (32) or better.

Fig.A2.1: Standard Middle-Tension M(T) Specimen for Fatigue Crack Growth Rate Testing when W≤75 mm (3 in.) A2.2.3.1 가공된 Notch, 2an은 시편의 중앙선에 대하여 ± 0.001W 이내로 중앙에 위치하여야 한다. 가공된 Notch의 길이는 실질적인 가공 공정상 결정될 것이며 K-calibration에서 제약을 받지 않는다.

A2.2.4 정확한 균열크기를 결정하기 위해서는 M(T) 시편의 경우 균열성장을 측정하기 위한 방법으로서 Compliance 방법을 사용할 경우 2an은 적어도 0.2W 보다는 커야 한다.

A2.2.5 Notch 및precracking에 대한 자세한 사항은 E647의 Fig.1과 같다. A2.2.6 시편크기- 본 시험방법에 따른 시험결과가 유효하기 위해서는 가해지는 전 하중범위에서 시편이 탄성거동을 하여야 한다. 이 조건을 만족하는 최소시편크기는 시험결과에 근거하여 시편형상을 규정하였다(10).

A2.2.6.1 M(T) 시편의 조건 (W-2a) ≥ 1.25Pmax/(BσYS) (A2.1) (W – 2a) = specimen’s uncracked ligament (Fig. 2), B = specimen thickness σYS = 0.2 % offset yield strength (시험과 같은 온도) NOTE A2.1—For high-strain hardening materials, see Note 5 of the main body of E 647. A2.3 기기 A2.3.1 M(T)시편의 Grips 및Fixtures- M(T)시편에 사용하는 Grips 및 Fixture는 시편폭, W, (Fig. A2.1) 및 부하조건

(즉 인장/인장 인지 또는 인장/압축인지)에 따른다. 최소 Gage length는 Gripping 방법에 따라 결정되는데 시험 중 Gage length 전 영역에 균일한 응력이 작용하도록 결정된다. 박막시험을 위해서는 시편의 Buckling을 최소화 하기 위하여 지지판( Constraining plate)이 필요할 수도 있다.(E 561 for recommendations on buckling constraints 참조)

A2.3.1.1 W ≤ 75 mm (3 in.)의 시편에 인장/인장의 시험에는 Gripping 방법으로 Clevis 및 Single pin이 적당하며 Gage length(즉 loading pin 사이의 거리) 는 적어도 3W는 되어야 한다(Fig. A2.1). 이를 위하여 Pin과 시편 사이에 Brass를 사용하거나 Pin을 윤활하여 시편의 Loading hole에서 Fretting-fatigue cracks이 발생하지

않도록 한다. Pinhole에서의 균열을 방지하기 위하여 시편에 보강판을 붙이거나(E338참조) “Dog bone”모양의 시편을 설계하기도 한다. 어느 경우에나 평행부 길이는 적어도 1.7W 이상이어야 한다.

A2.3.1.2 시편 폭W ≥ 75 mm (3 in.)에 인장/인장 하중이 걸리는 경우 Multiple bolts를 가지는 Clevis가 추천된다 (E 561참조). 이 경우 하중은 좀더 균일하게 전달된다. 따라서 시편의 최소 평행부 길이는 1.5W까지 줄일 수 있다.

A2.3.1.3 M(T) 시편은 위에서 기술한 Grip대신 다른 형태의 Clamping device 사용도 가능하다. 이런 종류의 Gripping은 인장/압축 조건에 필요하다. Fig.A2.2에 나타낸 특별한 Bolt 및 Keyway를 사용한 예는 Gage length( Clamping 사이의 총 자유길이)가 2L이다. 또한 다양한 유압 및 기계식 Wedge grip의 사용이 가능하다. A2.5.1.1의 K-expression이 유효한 시편의 최소 Gage length는 2.0W이다 (38)

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A2.4 시험과정 A2.4.1 Fatigue Precracking—M(T)시편에서 Precracking의 중요성은 적당한 크기의 날카롭고 곧은 대칭성을 가지는 피로균열을 만드는 것이다.

A2.4.1.1 A2.5.1.1에 기술한 K를 사용하는 경우, 본 규격의 8.3.4에 나열한 조건 이외에 양쪽에서의 균열크기의 차이는 0.025W를 넘어서는 안 된다. 이때 각 면에서의 균열크기는 양면의 균열크기의 평균값을 사용한다.

A2.4.2 da/dN data가 ΔK에 대하여 거의 같은 간격으로 분포하는 간격으로 균열길이를 측정한다. M(T) 시편의 경우, 추천하는 측정간격은 아래와 같다.

Δa ≤ 0.03W for 2a/W <0.60 (A.2.2) Δa ≤ 0.02W for 2a/W >0.60 A2.5.1.1에 명시된 K값을 사용할 경우, 균열크기를 시각적으로 측정한다면 M(T) 시편의 경우에는 측정하는 4개의 표면 균열 크기의 평균을 모든 균열성장 속도 및 K값을 구하는데 사용한다.

A2.4.3 주 규격의 8.8.3에 명시된 조건에 더하여 A2.5.1.1의 K를 사용하는 경우, 시편의 중앙선으로부터 구한 두 개의 균열크기(각 균열은 양면의 균열크기의 평균)의 차이가 0.025W보다 큰 경우의 Data는 유효하지 않다.

A2.5 결과의 계산 및 해석 A2.5.1 아래의 수식에 따라 주어진 균열성장속도에 상응하는 9.1 및 Appendix X1에 따른 균열길이를 이용하여

Stress-Intensity Factor Range, ΔK를 결정한다. A2.5.1.1 M(T)시편의 경우 주 규격의 3.2의 정의에 따른 ΔK를 계산한다. 즉 ΔP = Pmax –Pmin for R> 0 (A2.3) ΔP = Pmax for R≤0 (27) 식으로부터

ΔK = sec πα (A2.4)

where α = 2a/W Fig.A2.1의 Pin-loaded 시편에서 2a/W ≤ 0.9인 경우, 이 식은 2% 이내의 오차를 가진다. A2.3.1.3 및 Fig. A2.2에 거론하였던 Clamping grip의 경우 2a/W ≤ 0.8 조건에서 K는 1%이내의 오차를 가진다.

NOTE A2.2—윗 식은 재료가 탄성체이고 등방성이며 균일하다는 가정에서이다. NOTE A2.3—상기 실질적인 정의는 ΔK값을 구하는데 잔류응력이나 균열닫힘 등의 효과는 고려하지 않은 상태이다. 하중 대 COD 값의 Graph는 잔류응력 및 균열닫힘을 검출하고 보정하는데 유용하다(3)

A2.5.1.2 A2.2.6의 시편크기 조건을 확인한다. A2.5.2 Compliance를 이용한 균열크기의 결정- M(T)시편의 균열크기는 Annex A5의 명시된 Compliance procedure에 의하여 결정할 수도 있다.

A2.5.2.1 M(T)시편의 중앙선에서 측정하는 Compliance의 식은 Fig. A2.3에 나타내었다(39). 이 식은 균열선단에서 상당히 먼 곳의 응력상태를 측정하므로 균열선단의 국부적인 응력상태를 고려하지 않은 Plane stress 조건이다.

NOTE A2.4—W = 80 mm 및 2y/W ≤0.4의 조건을 가지는 M(T)시편은 같은 Range에 대하여 15 μm/V 정도의 감도를 요구한다. 비 시각적인 방법으로 균열크기를 측정하는 경우 높은 강성 때문에 좀더 세밀한 분해능을 요구한다. M(T)시편 Compliance readings 역시 일반적으로 수용할 수 있는 작은 굽힘 때문에 복잡해진다.

A2.5.3 Electric Potential Difference (EPD)에 의한 균열크기 결정—Annex A6에 정리한 Electric potential difference (EPD) 방법으로 균열크기를 결정할 수도 있다.

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Fig.A2.2: Example of Bolt and Keyway Assembly for Gripping 100-mm (4-in.) wide M(T) Specimen TABLE A2.2: Table of Dimensions mm in A 326 12 27/32 B 104 4 3/32 C 19 3/4 D 76 3 E 38 1 1/2A F 12 15/32 G 19 3/4 H 38 1 1/2 J 76 3 2L 200 8 W 100 4

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Middle-Tension, M(T) Specimen a = crack length, B = specimen thickness, W = specimen width, C = v/P = compliance, E = Young’s modulus, y = half gage length, h = 2y/W = non dimensional gage length 2a/W = 1.06905x + 0.588106x2 − 1.01885x3 + 0.361691x4 where:

X = 1- ()(. NOTE 1—윗 조건은 (1) 0 ≤2y/W ≤1.0, 및 (2) 0≤2a/W≤1.0. 조건에서 의미를 가지며 c1, c2, c3 는 부하 조건에 따라 결정되며 아래에 3가지 예를 들었다.

Fig.A2.3: Plane Stress Compliance Expression for the M(T) Specimen (39). A2.5.3.1 M(T)시편형상에 따른 전압 대 균열크기의 관계-무한길이를 가지는 M(T)시편의 전압 대 균열크기의 배타적인 관계는 아래와 같다(40). 이 관계식은 단지 다음 조건에서만 유효하다. 즉 전류밀도가 균열평면에서 멀리 떨어진 시편의 단면적에서 균일하고 전압을 균열평면의 중앙에서 측정한다는 조건이다. Fig. A2.4는 M(T)시편의 형상과 Wire 장착 위치를 보여주고 있다. 표준 M(T)시편에서 균일한 전류밀도는 균열 면에서부터 시편 폭 길이의 3배 정도 떨어진 곳에서 전류를 가하면 쉽게 얻을 수 있다. 더 짧은 전류 Lead spacing 역시 균일한 전류밀도를 위하여 사용하기도 한다. 다른 방법으로 균열길이를 결정할 때는 교정된 ao 및 Vo가 균열길이와 그에 상관된 전압이 된다. 균열선단의 굴곡이 심하지 않을 경우에는 광학적으로 표면의 균열길이를 측정하여 균열길이,ao 를 결정한다. 실시간으로 균열길이를 측정할 필요가 없는 경우에는 파괴 시험 후 파단면으로부터 균열길이 ao.를 결정한다.

a = COS–1 ( π ) π π (A2.5)

for 0 ≤ 2a/W ≤ 1 a = the crack size (as defined in Test Method E 647), ar = the reference crack size from some other method, W = the specimen width, V = the measured EPD voltage, Vr = the measured voltage corresponding to ar, and

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Yo = the voltage measurement lead spacing from the crack plane.

Fig.A2.3: (continued)

FIG.A2.4: M(T)Geometry and Electric Potential Wire Displacement Locations for Eq. A2.5 (40) A3. THE ECCENTRICALLY-LOADED SINGLE EDGE CRACK TENSION SPECIMEN A3.1 서론 A3.1.1 편심으로 하중을 받는 Single edge crack tension specimen ESE(T)은 C(T)시편과 유사하며 인장/인장 부하

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조건에 사용한다(41-43). A3.1.2 표준ESE(T)시편 역시 다른 시편에 비하여 아래와 같은 장점이 있다. A3.1.2.1 확장설계는 Compact CT시편에 비하여 작업자에게 추가적인 작업공간을 줄 수 있다. 이 형상은 다양한 변위Gage 및 Environmental cells을 장착할 수 있다(44).

A3.1.2.2 이 시편형상은 Middle-crack tension M(T)과 같은 시편에 비하여 낮은 하중으로 균열선단에 동등한 Stress-intensity factor를 가할 수 있고 가혹한 부식 환경에서도 판재의 조기 파단의 가능성을 줄일 수 있다.

A3.1.2.3 T-stress (균열면과 평행한 응력)를 줄일 수 있고 균열파단 경로가 CT시편에 비하여 더 self-similar 하다(45).

A3.1.2.4 자동으로 관통균열크기를 측정하는 일반적인 방법을 사용할 수 있다. A3.2 시편 A3.2.1 ESE(T) 시편의 일반적인 형상은 Fig. A3.1과 같다. A3.2.2 ESE(T) 시편의 두께는 W/20 ≤ B ≤W/4 정도를 권장한다. A3.2.3 시편크기—본 시험방법으로 유효한 결과를 얻기 위한 모든 부하조건에서 탄성거동을 하여야 한다. ESE(T) 시편은 아래 조건을 만족하여야 한다.

(W-a) ≥ (4/π)(Kmax/σYS)2 (A3.1) where: (W – a) = Fig. A3.1에서 보듯이 Crack이 나지 않은 부분 σYS = 시험온도에서의 0.2 % offset yield strength NOTE A3.1—높은 가공경화 재료의 경우는 E 647의 Note 5를 참고한다. A3.3 기기 A3.3.1 CT 시편에 사용하는 인장시험용 Clevis 및 변위 Gage가 적합하다. NOTE A3.2—Clevis pin의 크기는 0.175W (+0.000, −0.025W)이다.

NOTE 1—Dimensions are in millimeters (inches). NOTE 2—A-surfaces perpendicular and parallel (as applicable) to within ±0.002W, TIR NOTE 3—Intersection of the machined notch with the specimen face shall be equi-distant from top and bottom of

the specimen to within 0.005W. NOTE 4—Surface finish, including holes, shall be 0.8(32) or better.

Fig.A3.1: Standard Eccentrically-Loaded Single Edge Crack Tension Specimen. A3.4 시험절차 A3.4.1 측정-Fig. A3.1에 나타낸 바와 같이 시편의 앞면으로부터 폭 W와 균열길이 a를 측정한다. A3.4.2 ESE(T) 시편의 시험—모든 시험과정은 CT시편과 동일하다.

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A3.5 계산 A3.5.1 Stress-Intensity Factor Range, ΔK의 결정- ESE(T)시편의 경우 ΔK 계산은 다음과 같다(42). ΔK = [ΔP/(B√W)]F (A3.2) F= α1/2[1.4+ α] [1- α]-3/2 G (A3.3) G= 3.97 -10.88 α + 26.25 α2- 38.9α3+30.15α4 - 9.27α5 (A3.4) α = a/W for 0< α <1 A3.5.2 Compliance에 의한 균열크기의 결정—A5에 정리한Compliance 방법을 이용하여 ESE(T)시편의 앞면 및 뒷면에서 균열크기를 결정할 수 있다.

A3.5.2.1 Front-face compliance—다음 식은 전면에서 측정한 변위(v)로부터 균열길이를 구하는 식이다. V0항은 Fig. A3.1의 전면 Knife edge에서 측정된 변위이다(42, 46).

a/W = Mo + M1U + M2U2 + M3U3 + M4U4 + M5U5 (A3.5) 윗식에서 U = [(EBv0/P)1/2 +1]-1 M0 = 1.00132 M1= -3.58451 M2= 6.599541 M3= -19.22577 M4= 41.54678 M5=-31.75871 For 0.1≤ a/W ≤0.84 Normalized compliance를 균열크기의 함수로 나타내면 아래 식과 같다. EBv0/P = [15.52a/W – 26.38(a/W)2 + 49.7(a/W)3 -40.74(a/W)4 + 14.44(a/W)5] / [1-a/w]2 (A3.6) For 0≤ a/W ≤1 A3.5.2.2 Back-face compliance—다음 식은 뒷면의 Strain을 측정하여 균열길이를 구하는 식이다. 여기서 ε 은 Fig.

X2.1의 표준 CT시편과 유사하게 균열면을 따라 측정한 Back-face strain이다. a/W = N0 + N1(log A)+ N2(log A)2+ N3(log A)3 + N4(log A)4 (A3.7) where: A = −(ε/P)BWE N0 = 0.09889 N1 = 0.41967 N2 = 0.06751 N3 = −0.07018 N4 = 0.01082 for 0.1 ≤a/W ≤0.84. A3.5.3 전위차를 이용한 균열크기 결정 - ESE(T)시편의 균열길이는 Annex A6의 전위차(EPD)를 이용하여 결정할 수도 있다. 균열크기는 Johnson’s equation (40, 47)을 이용하여 결정한다. 전위를 측정하는 대표적인 위치는 Fig. A1의 C(T)시편부록의 내용과 유사하다.

NOTE A3.3— 무한 폭은 가진 시편이 미세한 얇은 중앙 Slot을 가지는 경우의 Johnson equation은 MT시편에 잘 맞는 결과를 보여주고 있다. 이를 ESE(T) 시편에도 적용하는데 그러나 이 경우에는 필히 실험적인 증명을 거쳐야 한다.

A4. 액상에서의 시험 시 요구되는 특별 사항 A4.1 서론 A4.1.1 금속재료의 액상분위기에서의 균열성장속도는 기계적, 금속학적, 전기화학적 변수에 따라 매우 심하게 변한다. 따라서 시험조건에 특정변수의 영향을 정확하게 반영하는 것이 필수적이다. 시험방법은 시험대상이 되는 현상을 억제하거나 촉진하지 않는 평형균열성장속도를 나타낼 수 있는 방법을 선택하여야 한다. 모든 Data는 유효한 조건에서 실험실간 비교되어야 하며 재료특성이나 평가를 위하여 제공되어야 한다.

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A4.2 범위 A4.2.1 이 부록은 본 시험방법을 이용하여 온도, 압력, 분위기 등의 조건에서 균열성장속도를 결정하는 방법에 대한 것이다.

A4.3 참고규격 A4.3.1 ASTM Standards3: D 1129 Terminology Relating to Water E 742 Definitions of Terms Relating to Fluid Aqueous and Chemical Environmentally Affected Fatigue Testing G 1 Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens G 3 Practice for Conventions Applicable to Electrochemical Measurements in Corrosion Testing G 5 Reference Test Method for Making Potentiostatic and Potentiodynamic Anodic Polarization Measurements G 15 Terminology Relating to Corrosion and Corrosion Testing A4.4 용어 A4.4.1 본 부록에서 사용하는 용어는 본 규격의 용어에서 정의되었고 특별히 액상에서 사용하는 용어는 D 1129 ,

G 15 및 E 742를 참고한다. A4.5 Significance and Use A4.5.1 액상에서 피로균열성장속도는 다양한 변수의 복합적인 함수로 나타난다. 여기에는 하중이력, Stress-

intensity range, Force ratio, Cyclic frequency, 하중파형, 시편두께, 균열크기 및 형태, 전해액의 종류와 농도, 노출시간, 유속, 온도, 산도, 산소농도 및 전위 등 매우 다양하다. 각 변수에 대한 자료는 참고자료(48-55)에 정리되었다.

A4.5.2 액상분위기에서 피로균열성장 시험을 하는 경우는 균열성장속도를 촉진하거나 지연시키는 다양한 부식환경에 노출되게 된다(56) (57). 액체분위기에서 사용목적에 부합하는 금속재료의 피로균열성장속도에 대한 Data를 얻기 위해서는 신중한 선택과 관찰 및 기계적, 화학적, 전기화학적 시험 변수의 조절이 필요하다. 예로 실험실 내에서 10Hz로 실험한 Data를 실제현장의 0.1 Hz의 경우에 적용할 수는 없다.

A4.5.3 액체분위기 상태에서 피로균열이 성장하는 경우에는 기계적 및 화학적인 복합적인 원인에 의한 것이다. 화학적인 원동력은 균열크기, 모양, 균열 벌어짐의 각도 등에 따라 변한다. 따라서 액체분위기에서의 균열성장 속도는 da/dN 대 ΔK로 나타낼 경우 일반적이지 않다(55).

A4.6 기기 A4.6.1 Environmental chamber는 균열진전이 일어나는 시편 전체가 완전히 장착되는 구조이어야 한다. 시험용액을 보충하거나 또는 첨가하기 위한 순환장치가 필요하다. Chamber나 순환장치는 가급적 비금속 재질을 사용한다. Chamber는 또한 시편과 Grip 사이의 이종금속 사이의 Galvanic 접촉을 방지하도록 설계되어야 한다. 순환장치가 사용되는 경우에는 Chamber크기가 충분히 커야 하며 균열성장이 일어나는 시편부분에 충분히 용액이 흐르도록 입구와 출구의 위치가 선정되어야 한다. 순환장치는 부식물질을 제거하기 위하여 연속적으로 걸러지고 보충하는 기능이 있어야 한다. 만일 흐름이 없는 용액이 필요한 경우는 예외이다.

A4.7 시험과정 A4.7.1 시편준비- G1 규정에 따라 시편은 Precrack 전에 세척하여야 한다. A4.7.2 Specimen Precracking- 초기 Precracking은 대기 중에서 시험조건과 다른 반복하중을 가하여도 관계가 없으나 마지막 1mm는 액체 중에서 시험조건과 같은 조건으로 만들어야 한다.

A4.7.3 시험과정—액체분위기에서의 피로균열성장속도시험은 균열선단의 금속표면을 포함한 국부적인 부식효과를 측정 평가하는 시험이다. 따라서 분식분위기가 물리적으로 균열선단영역까지 가능하여야 하며 시간의존성인 부식과정이 충분히 진행되어야 한다. 만일 시험 전구간에 걸쳐 시험조건이 균열선단에서 국부적인 부식을 촉진하거나 유지하지를 못하는 경우에는 이런 비평형조건이 da/dN 대 ΔK data에 영향을 미친다. 따라서 시험은 전이적이거나 비평형조건의 효과가 없거나 최소화 된 상태에서 수행되어야 한다. 비평형상태나 전이효과는, 기계적인 균열유발요인에 수반되는 변화와 직접적인 연관이 없는, da/dN 값에서의 시간에 따른 변화로서 정의된다(20).

A4.7.3.1 시편은 Precracking이나 균열성장속도를 측정하기 전에는 충분한 시간 동안 완전히 시험액체 내에 충분히 담가야 한다. 최소 24시간을 추천한다.

A4.7.3.2 시험도중 시험이 중단되는 잠시 동안도 시편은 시험용액에 완전히 잠겨있어야 한다. 만일 시편이 잠시라도 시험용액에서 제거되었다면 다시 시험 시작 후 균열길이가 1.0mm이상 성장하기 전에는 Data를 측정하지 않는다.

A4.7.3.3 부식증거를 측정하기 위하여 시험도중 주기적으로 시편을 시각적으로 검사한다. 균열선단영역에 쌓이는 부식물들은 제거하여야 한다. 시편의 균열선단영역은 시각적으로 균열크기나 균열선단의 형태를 파악하기 위하여 주기적으로 세척을 하여야 한다. 완전한 피로시험은 시편이 파단될 때까지 하중을 가하고 시험 후의 시각적인 검사(파단면 검사)까지가 추천된다.

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A4.7.3.4 평형적인 da/dN 대 ΔK data에 영향을 주는 환경적으로 영향을 받는 현상의 증거를 위해서는 시험을 주의 깊게 관찰하여야 한다. 액체분위기의 존재는 금속재료의 피로균열성장시험에서 환경적으로 유발되는 많은 현상을 발생시킨다. 일반적인 예가 da/dN 대 ΔK data의 전이변화이다. 이 변화는 반복하중, 균열성장의 촉진 및 지연, 균열억제, 균열 Branching, 균열선단의 곡선화 또는 불균일성, 면외균열, 균열 내에 쌓이는 부식물의 변화 및 방해에 관련이 있다.

A4.7.3.5 액체 내에서의 평형피로균열성장속도는 반복주기나 반복하중파형 또는 양자에 매우 크게 영향을 받는다. 이런 효과에 대한 지식은 시험인자를 선택하는데 매우 중요하다. 특정 주파수나 특정파형 또는 양자 모두가 금속재료의 피로균열성장속도에 액체분위기의 영향을 억제한다는 것은 매우 중요하다. 이러한 효과는 일반적으로 하중주기의 Rise time과 관련이 있다, (49),(51). 강이나 고강도의 Al 합금의 경우 액체 내에서의 균열성장속도는 Rise time에 따라 직접적으로 변하는 경향이 있다. 그러나 Kmax < KIscc,의 조건에서 고강도 Ti 합금의 경우에는 예외의 경우도 보고되고 있다(52).

A4.7.3.6 만일 특정시험에서 da/ dN 대 ΔK data에 심각한 전이 현상이 나타난다면 재시험이 요구된다. 그러나 명백한 전이현상을 평가하는 경우에는 8.6.2에 권고한 방법에 따른 Data 감소에 사용하는 균열크기측정 간격의 결정에 매우 세심한 주의를 요한다. Data를 줄이기 위한 부적절한 Δa 값의 선택은 da/dN 대 ΔK Data의 전이량을 매우 크게 증가시킨다.

A4.7.4 균열크기 측정-액체가 담긴 Chamber의 경우 균열크기를 시작적으로 측정한다는 것은 매우 어렵기 때문에 비시각적인 방법으로 균열길이를 측정한다(58-60). 그러나 시험 Data의 유효성에 영향을 주는 인자인 균열형태, 균열 Branching, 면외균열 등을 관찰하기 위한 부수적인 방법으로 균열선단의 광학적인 관찰법을 추천한다. 시험 후 파단면 검사는 시험 중 측정된 균열길이 교정에 필요한 유용한 기준자료를 얻을 수 있다. 만일 비시각적인 Potential drop방법을 사용한다면 da/dN 대 ΔK data에 전기화학적 영향이 없다는 것을 확인하여야 한다. 액체에서의 전기화학적인 효과는 시간적으로 어느 정도 유지가 된다면 균열성장을 촉진시키거나 저하시킨다(50),(57)

A4.7.5분위기 관찰 및 조절 - 액체에서 균열성장속도시험의 결과에 대한 환경적인 변수의 영향은 매우 크다. 따라서 환경조건의 관찰 및 조절이 필요하다.

A4.7.5.1 시험은 사용하지 않은 용액으로 시작하고 기화성 용액은 최소한 매 24시간 마다 보충하여야 하며 최소 일주일 간격으로 완전히 폐기하고 새로운 용액으로 대체하여야 한다.

A4.7.5.2 용액의 온도 및 시편의 부식전위는 시험 중 매 8시간 보다 적지 않은 간격으로 측정한다. 전위는 G3 및 G5에 따라 측정한다. 또한 같은 주기로 pH, 전도도, 용존산소농도 등도 측정하여 기록한다. 용액의 온도도 역시 조절한다.

A4.8 보고서 A4.8.1 11장에서 거론한 조건 이외에 아래의 사항이 보고서에 포함되어야 한다. A4.8.2 환경 Chamber에 대한 사항 및 환경변수를 관찰하고 조절하기 위한 모든 장비를 기술한다. A4.8.3 환경변수를 아래와 같이 기술한다. 용액의 화학성분 및 자세한 응용, 용액분위기의 관찰 및 조절방법, 분위기 관찰 Data, 즉 시험기간 동안의 pH, 전위, 또는 온도, 환경변수에 따른 경향 및 전이 상태 등

A4.8.4 균열크기, 시간, 누적Cycle에 따라 나타나는 모든 하중변화나 이상현상을 기록하는 것은 매우 중요하다. 이상현상의 관찰을 위하여 모든 Data는 세심하게 분석하여 모든 이상거동을 기술하고 관련된 시험Event에 연관하여 기술한다.

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A5. COMPLIANCE를 이용한 균열크기 결정 GUIDELINES A5.1 균열크기 관찰을 위하여 Compliance 방법이 피로균열성장시험에 사용된다(23, 24). 이를 위하여 빠른 속도의 Digital DAQ system이 사용되나 저속으로 하중과 변위 Graph를 그리는 System도 사용한다. Data 취득속도 및 하중의 주기에 따라 하중취득기간 동안 주기를 낮출 수도 있다.

A5.2 Compliance (탄성계수 및 시편두께에 대하여 표준화한 하중 변위 곡선의 기울기 값의 역수)와 균열크기와의 관계는 표준규격의 시편으로부터 분석적으로 유도되었다(34). 이러한 관계는 일반적으로 단위가 없는 Compliance, EvB P (또는ECB 여기서 C 는 v / P )와 표준화한 균열크기, a/W로 나타낸다. 여기서 E는 탄성계수, v 는 측정점 간의 거리, B는 시편두께, P는 하중, a는 균열길이, W는 시편폭이다. 모든 Compliance-균열크기 관계는 수행한 시험에서의 측정위치에서만 적용 가능하다. 수학적으로 유도된 Compliance 관계식에서 실험적으로 특정 시편에 대한 Compliance curve를 구하는 것이 가능하다. 이런 Curve들은 변위 측정에 제한이 없으므로 관심대상 Strain을 포함할 수 있다.

A5.3 본 규격에서 정리한 피로균열성장속도시험을 위한 시편은 Compact, C(T), Middle tension, M(T), 및 Eccentrically-loaded single edge crack tension, ESE(T) 시편 등이다. 각 시편의 이론적인 Compliance 식은 각 관련 시편부록에 정리되었다.

A5.4 변위측정기기를 선택하고, 설치위치 및 설치방법은 시험조건 즉 주기, 분위기, 응력비, 온도 등에 따라 결정된다. 측정기기는 측정 전범위에 걸쳐 직진성을 가져야 하고 충분한 분해능과 응답속도을 가져야 한다. 이는 E 1820 및 E 399의 부록을 참고한다. 시편이 작을수록 높은 분해능이 필요하다. 설치위치는 정확하고 재현성이 있어야 하고 피로시험 중 마모가 일어나서는 안 된다.

A5.5 CT나 ESET 시편 등과 같이 굽힘응력을 유발하는 시편장착의 경우 Compliance 값에 영향을 주는 것으로 보고되고 있다. 이런 현상을 피하기 위해서는 각 시편의 부록에 정리하였듯이 Flat bottom hole이나 Needle bearing을 이용하여 하중을 부가하여야 한다.

A5.6 피로시험 시 하중과 변위곡선은 일반적으로 직진성을 나타내지 않는다. 아래 부분은 비직진성을 보이고 윗부분은 직진성을 나타내는 것이 일반적이다. Compliance는 하중/변위 관계 중 직진성을 가지는 윗부분에 직선을 그어 계산한다.

NOTE A5.1—Digital data acquisition system을 이용하는 경우에는 성장속도가 비교적 낮은 연이은 몇 개 Cycle에서 Data를 얻는 것이 허용된다. Data를 받아들이는 몇 Cycle 동안에 표준 균열크기, a/W의 변화는 0.001 (Δa/W ≤ 0.001)보다 작아야 한다.

NOTE A5.2—경계균열성장속도에서는 Curve의 윗부분에서의 Compliance 방법은 사용상의 제약이 있다. NOTE A5.3—하중을 가할 때의 Data 및 제거할 때의 Data에 Fitting하는 것이 일반적이다. NOTE A5.4—하중이 바뀌는 최종점에서는 Rounding이 일어나므로 이 부분의 Data를 제거하는 것이 필요할 수도 있다. 낮은 주기에서는 거의 대부분 일어난다.

A5.7 시험시작 전이나 시험 후에 적어도 한번은 시각적으로 균열길이를 측정하여야 한다. 이 시각적인 측정값은 본 규격에서 정리한 결과의 계산 및 해석방법을 이용하여 얻은 균열 Curvature를 보상해 주어야 한다. Compliance 균열크기와 기계적으로 측정한 균열크기의 차이는 모든 Compliance 균열크기를 보정하는데 사용하여야 한다. 이는 대부분 E8의 Effective modulus of elasticity 계산으로 수행되며 이를 모든 균열크기계산을 보정하기 위한 Compliance 식에 사용한다. 만일 Effective modulus of elasticity가 일반적인 탄성계수와 10% 이상 차이가 난다면 시험기가 적절하게 설치된 상태가 아니며 Data 역시 유효성을 상실한다.

NOTE A5.5—일반적으로 E ≤ E’ ≤ E/(1 − μ2) 이며 여기서 μ는 Poisson’s ratio이다. E’는 E에 비례한다고 생각되어 E’ =γE의 관계식을 가진다. 여기서 γ 는 보전계수로서 시험 시 측정하거나 조절할 수 없는 인자이다.

NOTE A5.6—처음 시험에는 주기적으로 광학적인 방법으로 균열길이를 측정하여 본 방법이나 다른 비시각적인 방법으로 구한 균열길이와 비교하는 것이 바람직하다.

A6. GUIDELINES FOR ELECTRIC POTENTIAL DIFFERENCE DETERMINATION OF CRACK SIZE A6.1 응용—균열의 크기를 측정하기 위한 한가지 방법으로서 Electric potential difference (EPD)방법을 사용하는데 전도체인 경우 다양한 분위기에서 적용이 가능하다. 부도체의 경우에도 도체 Foil또는 Film을 단단히 붙여 마치 복제 시편처럼 사용하여 균열의 크기를 측정한다. 이 방법은 Film복제가 실제 시편에서의 균열전파와 같고 Film이 재료의 균열전파에 문제를 일으키지 않는다면 적용 가능하다. 이 Film 복제방법은 도전체 시편에서도 사용이 가능하다.

A6.1.1 본 난에서 거론한 시험과정은 시편형상 및 전위를 위한 2차원적 Model을 위한 것이다. A6.2 원리—전위를 측정하여 균열길이를 결정하는 방법은 균열을 가지고 있는 시편에 전류를 흘리면 전기장이 시편의 형상 및 균열의 크기와 관계가 있다는 원리에 기본을 두고 있다. 일정전류 조건에서 균열면에서의 전위나 전압의 저하는 균열길이가 증가할수록 커진다. 이 전압차이는 이론적 또는 실험적인 보정관계를 통하여 균열길이와 관계를 가진다.

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A6.3 Basic Methods—직류를 이용한 방법(DC)과 교류를 이용한 방법(AC)이 균열길이를 측정하는 방법으로 사용된다(61-68). 통상적으로 많이 사용하는 DC방법으로는 일정한 전류를 시편에 걸어 시편전체두께에 2차원적으로 일정한 전류장을 만든다. AC방법은 일정한 진폭의(Normally sinusoidal) 전류를 시편에 통하여 균열선단에서 전압강하를 일으킨다. 상대적으로 낮은 주파수 대역에서는(일반적으로 100Hz미만) DC 경우와 같이 전류장은 2차원적이다. 그러나 높은 주파수의 경우에는 두께에 따라 균일하지 않은 전류 분포를 나타내며 그 정도는 AC주파수와 시편재료의 투자율에 따른다. 이런 현상은 “Skin effect” 라 부르며 전류가 가능하면 재료의 표면으로 흐르려는 특성 때문에 나타난다. 특별히 강자성체에서는 이 Skin effect가 100Hz 보다 낮은 주파수에서도 심각하게 나타난다(64, 65). 따라서 AC 방법은 두 그룹으로 나뉘는데 하나는 Skin effect가 무시할만한 수준이 낮은 주파수 영역과 Skin effect를 고려해야만 하는 높은 주파수 영역이다.

A6.3.1 산화분위기에서 시험 시 많은 재료들은 새로운 파단면이 생성되는 즉시 산화막이 생성되어 두쪽 사이에 절연층이 생긴다. 이런 경우에는 피로균열이 완전히 끝날 때(균열진전이 없다는 가정)까지 전압강하는 항상 일정하게 유지된다. 비산화성 분위기나 파단면 닫힘이 강한 경우에는 절연층이 생성되지 않을 수도 있다. 이런 경우 최소 시험하중보다 높은 하중에서도 파단면이 통전되는 현상이 일어날 수도 있어 물리적인 균열크기를 낮게 추정하게 한다(69, 70). 통전을 일으키는 하중이 최대시험하중에 도달하는 경계영역에서의 시험에서 이 효과는 특별히 고려되어야 한다.

A6.3.2 시험전체과정 동안 전기적인 통전이 일어나지 않는다면 전압측정은 가능한 최대하중에서 측정한다. 가장 높은 하중에서 신호감소 없이 전압을 측정하기 위하여서는 AC또는 DC 전압측정장비의 주파수 반응능력에 따라 전압을 측정할 때는 주파수를 낮추거나 심지어는 시험을 정지시킬 수도 있다. 최대하중에서 전압을 측정하여도 통전이 없다고 할 수는 없다. 통전오차는, 최대하중에서도 파단면 사이에 기계적으로 하중은 전달되지 않더라도 전기적인 접촉이 있는 경우, 존재할 수 있다. 파단면의 통전효과는 시험 후 파면의 균열크기를 측정하는 방법으로 고려되어야 한다. 한 가지 방법은 전위측정 및 파면분석으로부터 구한 초기 및 최후 균열크기를 일치시키는 절편과 비례계수를 정하는 방법이다. 간단한 선형보간법(Linear interpolation) 을 이용하여 a/W의 함수인 비례계수를 사용하여 중간 전위값들에 해당하는 균열크기를 보정한다. 이 방법은 일정 Stress intensity 시험과 같이 균열크기를 기기 Control인자로서 사용하는 경우에는 적당하지 못하다. 이런 경우 균열크기측정오차는 가해주는 하중과 원하는 Control 하중 사이에서 수용할 수 없는 정도의 하중차이가 일어날 수 있다.

A6.3.3 탄성 및 소성변형은 기본적으로 재료의 저항에 영향을 주며 특히 AC 전위차 측정방법에서는 투자율에 영향을 준다(71). E 647시험방법 및 적은 변형 하에서 피로균열성장의 Stress intensity의 중요한 오차원인이므로, 사용자는 균열크기를 계산하는데 관련되는 오차의 중요성을 평가하고 표면통전없이 일정한 균열크기를 위한 전위의 하중의존성을 기술하여야 한다. 통전오차를 보상하는 방법은 일반적으로 전기적 및 자기적 성질에 대한 변형효과를 설명할 것이다.

A6.3.4 시편과 측정기기가 바뀌면 측정되는 전압도 바뀌게 된다. 에로 시편의 온도가 1°C 변하면 재료의 저항값 변동에 따라 EPD에서 수μV의 변화가 수반된다. 또한 특정 재료들은 고온에서 시간의존성인 전도도의 변화를 보인다(69). 증폭기의 증폭율 및 전압계의 교정에서의 변수 또한 측정 전압의 비례 Scaling에 영향을 준다. 이런 요인들을 보상하기 위하여 전압측정은 기준위치에서 측정한 추가적인 전압측정값으로 표준화한다. 기준위치는 같은 환경의 시험중인 시편 또는 다른 시편을 사용하며 시험시편과 같은 전류발생기를 사용한다. 만일 기준측정을 시험시편에서 직접 측정한다면 측정위치는 기준전압이 균열크기에 영향을 받지 않는 위치로 선정되어야 한다. 모든 재료 및 기기의 변수는 기준측정에도 포함되기 때문에 표준화 과정은 이런 변수에 따른 오차를 제거할 수 있다. 기준전압측정의 사용은 균열크기의 분해능을 크게 향상시킨다.

A6.3.5 DC 전류방법—DC방법은 Fig. A6.1에서와 같이 대부분의 실험실에서 일반적인 측정기기를 사용하여 이미 잘 정립된 방법이다. 출력전압은 일반적인 시편크기, 재료, 전류크기 5~50A에 대하여 0.1~50.0mV 정도이다. 이런 작은 출력을 정밀하게 측정(± 0.1 %)하여야 정확한 균열크기를 얻을 수 있다. 충분한 측정전압의 분해능을 얻기 위하여 전기적인 Noise와 Drift를 제거하는데 특별한 주의를 요한다(A6.11참조). 일반적으로 측정장치의 반응시간과 측정전압의 분해능 사이의 적정한 수준으로 결정된다(A6.5참조).

A6.3.5.1 DC방법은 시편의 전류장에 의한 DC전위뿐만이 아니라 열전효과에 의한 전위에 대해서도 민감하다(72) 이 열전전압은 총 전압의 상당한 부분을 차지하고 있다. 따라서 열전효과는 입력전류가 없는 경우에도 상존하기 때문에 전류입력상태에서 측정한 전압으로부터 전류가 단락된 상태에서 측정한 전압을 감하여 확인할 수 있다. 열전효과를 보정하는 다른 방법은 전류 방향을 반대로 하여 측정하는 방법이다. 수정된 EPD 측정값은 각 전류방향에서 측정된 전위차의 반값과 같다(73).

A6.3.6 AC 전류방법—낮거나 높은 주파수대의 AC 방법은 공히 Fig. A6.2 (64)에 설명한 기기를 요한다. AC용 장비는 DC에 비하여 좀 더 특별하다(A6.5.2참조). 같은 입력전압에 대하여 AC는 DC에 비하여 균열크기 분해능이 좋다(61). 이 원인의 일부는 이미 설명하였던 Skin effect에 따라 두 방법에 사용하는 증폭기 및 Filtering 기술이 서로 다른 요인에 기인한다. AC 방법은 열전효과에 영향을 받지 않는다.

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Fig.A6.1: Schematic Diagram of the DC Potential System

Fig.A6.2: Schematic Diagram of the AC Potential System (59) A6.3.6.1 저주파 AC Current Method—저주파 AC 방법은 앞에서 설명하였듯이 여기전류를 발생하고 출력전압을 측정하는데 사용하는 기기에의 차이를 제외하고는 DC방법과 유사하다. 이 방법에서의 한가지 문제라면 하중주파수가 AC전위 주파수보다 여러 배인 경우 파단면 통전효과에 의하여 원하지 않는 신호가 발생할 수 있다.

A6.3.6.2 고주파 AC Current Method—저주파 AC 방법에 비하여 최대의 장점은 같은 입력전류에 비하여 균열크기에 대한 분해능이 크다는 것이다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 시편의 두께를 현저하게 줄일 수 있는 Skin effect 때문이며 (66) 출력은 시편의 두께에 반비례하기 때문이다.

A6.3.6.3 Skin effect가 주가 되는 고주파에서는 표면에 가까운 균열크기가 측정되게 된다. 만일 균열선단의 곡률이 크다면 필히 고려하여야 한다. 고주파에서 나타나는 다른 영향은 Lead wire의 Induction 및 capacitance, 시편장착, 균열자체 등이다. 이들은 심각할 수도 있어 세심하게 주의하지 않으면 균열크기와 출력전압 사이의 관계식을 정하는데 어려움을 줄 수도 있다(A6.11.1참조).

A6.4 전류발생장치—일정 전류발생자치를 사용하는데 단시간 및 장기간 안정성을 가져야 한다. 필요한 안정성은 전압측정장치의 분해능 및 원하는 균열크기의 분해능과 관련된다(A6.5참조). 적당한 조건으로서, 전원의 상대적인 안정성은 전압측정장치의 분해능과 같아야 한다. 전압측정장치가 시편 출력전압(전기적인 Noise, 비직진성 등의 내재적 오류 포함)의 1/103까지 측정할 수 있다면 전원 역시 같은 수준의 안정성을 가져야 한다.

A6.4.1 AC방법에서, 전류는 기준입력전류에 비례하여 증폭기를 이용하여 만들어진다. 독립적인 전류발생기 대신

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증폭기의 사용은 전압측정회로에 Lock-in detection의 사용이 가능하다(A6.5.2참조). 증폭기는 적당하게 높은 입력 Impedance (>10 kV)을 가져야 하고 앞으로 기술할 내용과 같은 안정성을 가지는 출력 전류를 만들어야 한다.

A6.5 전압측정장치-전압측정장치는 충분한 분해능, 정학도, 안정성을 가져야 한다. 다음에 각 Potential drop방법에 사용하는 장비에 대하여 정리하였다.

A6.5.1 DC 전압측정장치—DC방법은 작은 DC전압(0.05~0.5 μV) 변화를 측정할 수 있어야 하며 AC RMS에 대하여 DC신호의 비교적 낮은 Noise 비를 가져야 한다. 전압을 측정하는 방법은 매우 다양하지만 일반적으로 Amplifier/autographic recorder, Amplifier/microcomputer analog to digital converter 및 Digital voltmeter /microcomputer 등의 세 방법을 사용한다.

A6.5.1.1 Autographic recorder는 적당한 감도를 가지는 것으로 평가되며 시편으로부터 직접 출력전압을 기록하는데 사용된다. 기록 전에 시편으로부터 출력된 전압을 증폭하기 위하여 Preamp.를 사용할 수도 있다.

다음 일반적인 방법은 시편의 출력전압을 Computer및 A/D converter에 사용하기 위한 수준으로 증폭시키기 위하여 Preamp.를 사용하고 Digital 신호로 전환하는 방법이다. 셋째 방법은 Digital 출력을 내는 Digital 전압계를 사용하는 방법이다. 이방법의 최대 장점은 예민한 Analog 회로가 모두 하나의 장비에 포함된다는 것이다. 만일 파면의 통전현상이 발생한다면 전압측정장비의 응답속도는 EPD값의 변화를 부가되는 하중의 함수에 따라 분별할 수 있을 정도로 충분하여야 한다.

A6.5.2 AC 전압측정장치—낮은 주파수AC 및 높은 주파수AC system 공히 Fig. A6.2의 비슷한 전압측정장치를 사용한다. 전압측정장치 및 전류증폭기(A6.4참조)는 Lock-in amplifier와 연결된다. 이 특별한 증폭기는 전류증폭기를 위한 기준출력신호를 만들고 기준신호의 주파수와 위상을 갖지 않은 모든 입력신호를 식별할 수 있다. 따라서 전류증폭기의 출력결과로서 나오는 신호만이 측정을 위하여 증폭될 수 있다. 이 방법은 원하는 AC전압만을 매우 낮은 Noise 수준으로 증폭할 수 있으며 탁월한 Noise제거가 가능하다(64).

단 이 방법은 열전효과에 의하여 생성될 수도 있는 DC 전압에는 민감하지 않다. A6.5.3 AC system을 위한 기기 선정에는, 각 전자부품은 설계 시 적정 주파수대역이 있으므로 입출력 단자의 적절한 Impedance를 맞추어야 한다. 또한 주파수 응답성 역시 확인하여야 한다.

A6.6 균열크기 대 전위차 관계 –전위차 대 균열크기의 상관관계는 각 시편의 형상에 따른 독자적인 관계식을 가지는데 M(T)시편(40), Part-

through surface crack시편(74, 75) 등이 있고 다른 시편 형상에 대한 관계식도 수식적으로 도출되었다(35, 76 and 77). 이런 관계식은 일반적으로 A6.1과 같이 표준화전압(V/Vr) 및 기준균열크기(ar)로 나타난다.

a = f(V/Vr , ar) (A6.1)

where: V = the measured voltage Vr = a reference crack voltage a = crack size ar = a reference crack or notch size associated with Vr.

균열크기가 시편의 폭 W와 같은 In-plane 특성의 크기로 표준화 된 경우에는 다른 식도 사용 가능하다. 이런 형식으로 된 경우는, 시편의 두께, 크기, 부하전류 및 재료에 무관하게 결과를 얻을 수 있다.

A6.6.1분석적인 방법으로 도출된 식 대신 실험적인 결과로부터 도출된 식을 사용할 수도 있다. 이런 실험적인 관계식은 시편형상이 복잡한 경우나 전압측정점의 위치가 바뀌어야 하는 경우에는 유리할 수도 있다. 분석적이건 실험적이건 어떤 경우에라도 다른 균열길이를 측정하는 방법을 사용하여 필요한 균열크기 범위 내에서 검증하여야 한다. 이런 측정은 보고되어야 하며 이 결과는 Eq A6.1 등의 식으로부터 추론된 균열길이를 보정하는데 사용된다.

A6.6.2 전압측정용 전선배치는 균열길이변화에 민감한 위치와 시편과 시편에서 발생하는 작은 위치변화에 따른 오차로부터 자유로운 위치 사이의 타협점으로 결정된다. 균열선단이나 Notch끝(균열이 없는 시편의 경우)부분은 균열크기의 변화에 매우 민감하다. 그러나 균열선단 부분의 전기장은 매우 불균일하다. 따라서 각 시편마다 약간씩 다른 전위측정위치변화에 따라 같은 균열길이에 대한 전압측정값의 차이도 커진다(76). 대부분의 경우 균열크기변화에 대한 민감도가 커질수록 전선 위치에 따른 민감도도 커진다.

A6.7 시편형상— 본 규격에서 정리한 피로균열성장속도시험에 사용하는 시편은 Compact, C(T), Eccentrically-loaded single edge crack tension, ESE(T), Middle tension, M(T) 등이며 각 부록에 DC 조건에서 얻은 식을 정리하였다. 기준균열크기로서 무딘 Notch를 사용하는 경우는 균열측정오차가 발생할 수도 있다(40, 78).

A6.7.1 시험 중 한 두 번 이상 광학적인 방법과 같은 다른 방식으로 시편표면의 균열길이를 측정하여야 한다. 이 값들은 각 시험과정을 평가 비교하는데 사용되어야 한다. 이는 특별히 균열길이(Stress Intensity 등)로부터

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유도된 인자를 Control하는 경우에는 매우 중요하다. 만일 시험 중 광학적 측정을 하지 못한 경우에는 최종 균열크기를 초기균열 시작점에 따라 EPM으로부터 구한 균열크기와 비교하여야 한다 만일 광학적인 측정값과 EPD로 구한 균열크기 사이에 차이가 있다면 앞서 본문의 Calculation and Interpretation of Results 에서 설명한 균열굴곡보정과 같은 방법으로 선형보상계수를 사용하여 시험 후 EPD 균열크기 값을 보정해 주어야 한다 (A6.3참조).

A6.7.2 사용된 EPD 대 균열크기 식에 관계없이 기준Probe의 사용은 권장된다(A6.3참조). 이 기준 Probe는 시험시편 또는 동일한 조건에서의 다른 시편의 균열성장에 의하여 영향을 받지 않는 위치에 설치되어야 한다. 또한 Probe를 통한 전압은 균열을 통하여 측정되는 전압수준이나 그 이상으로 크기가 커야 한다. 이런 기준 probe를 사용하는 경우 균열길이를 결정하기 위한 EPD측정은 Vref/Vref0비로 나뉘어진다.

여기서 Vref = the reference probe voltage measured at the same time as the EPD crack voltage is measured Vref0 = the initial reference probe voltage. A6.7.3 본 시편부록에 정리된 균열크기를 결정하는 식을 사용하는 경우, 측정되는 전위는 단지 저항에 따른 전위만을 반영한다는 가정 하에서 유도된 식이므로 AC potential systems에서 이 식을 사용하는 경우에는 매우 조심하여야 할 부분이 있다. 균열에 따라 측정되는 EPD전압은 저항에 관련한 전압부분과 반응에 관련한 전압부분이 같이 측정된다. 높은 전도도를 가지는 재료가 높은 AC주파수를 사용하는 경우 주파수 반응부분이 전압측정의 상당부분을 차지하게 되어 기존의 식을 단순하게 사용하면 오차가 커지게 된다. 시험조건이 이런 경우에는 반응부분이 커지므로 새로운 관계식을 특정시험 및 시편에 맞추어 실험적으로 만들어야 한다.

A6.8 Gripping Considerations—전위차 방법으로 균열길이를 결정하는 방법은 전압을 측정할 때 시편에 정격전류를 걸어야 한다. 전압을 측정하는 동안 기기로 전류가 통전하면 안 된다. 대부분의 경우 기기 및 Grip의 저항은 시편에 비하여 매우 크다. 그러나 어떤 경우에는 기기로 전류가 일부분 흐를 수도 있다. 이런 경우 추가적으로 시편과 기기 사이의 절연이 필요할 수도 있다. 전위차방법을 이용하는 사용자는 시편이 장착되지 않은 상태에서 Grip 사이의 저항이 시편접점양단사이의 저항보다 수Order 정도 더 크다는 것을 확인하여야 한다. 시험 동안 시편저항은 관련된 균열크기범위에 대하여 결정되어야 한다. 일반적인 시험을 위해서는 기기저항을 시편저항으로 나눈 저항비 값은 적어도 104 또는 그 이상이 되어야 한다. 절연되지 않은(Ground처리가 안된) 출력을 내는 전원공급장치를 사용하는 경우에는 특별히 기기와 시편 사이의 절연이 중요하다. 이런 종류의 전원공급장치를 사용하는 경우에는 시편양단을 기기와 절연되도록 처리하여야 한다.

A6.8.1 Pin을 통하여 전류를 시편에 공급하는 경우에는 Pin과 시편 사이의 양호한 전기적 접촉이 되도록 주의하여야 한다. 부하 Cycle 동안 정격전류 공급장치는 일반적으로 Pin/Specimen/Grip사이 저항의 작은 변화는 보완할 수 있으나 산화나 또 다른 원인으로 인한 전류의 변화나 불규칙한 전류수준에는 대처할 수 없다. Pin 과 시편 사이의 불량한 접촉은 또 다른 전류흐름 및 Shunting 오차를 유발한다.

A6.9 Wire 선택 및 설치- 전류입력과 전압측정을 위한 전선의 신중한 선택과 설치는 전위차 방법에서 발생하는 많은 문제들을 피할 수 있다. 특히 고온 등의 열악한 환경에서는 기계적 강도, 녹는점, 내산화성 등이 고려되어야 한다. 열악한 환경은 부식에 따른 문제를 방지하기 위하여 특별한 재질의 전선이나 피복 또는 두 조건 모두 요구될 수도 있다.

A6.9.1 전류입력선—전류입력선의 선택은 전류전송능력 및 장착의 용이성(용접성, Connector compatibility)에 따른다. 입력선은 시험조건에서 충분히 전류를 전송할 수 있어야 하고 기계적으로 고정하거나 시편에 용접 또는 Gripping장치 등을 사용한다.

A6.9.2 전압측정선—전압측정선은 기본적으로 시편의 정확한 위치에 장착하고 피로시험 시 떨어지지 않게 가능한 응력을 작게 하기 위하여 가늘어야 한다. 이론상으로 전압측정 단자선은 시편에 단단하게 용접되어 반복성 있고 일관성 있는 접점을 유지하여야 한다. 또한 용접성이 나쁜 재질(예로 특정 Al 합금 등)들은 기계적인 고정구를 이용하여 장착하게 되는데 이 경우에는 고정구의 크기가 측정점에 어떤 영향을 주는 지가 고려하여야 한다. 전압단자선은 일정하지 않은 균열선단의 평균값을 반영하기 위하여 각 시편 부록에 나타냈듯이 Notch나 피로균열의 대각선 방향으로 장착되어야 한다.

A6.10 전위측정System의 분해능- 전위차측정의 유효분해능은 다음의 요소, 전압계 분해능(또는 증폭기 gain또는 둘다), 전류크기, 시편형상, 전압측정 및 입력전류단자위치, 재료의 전기전도도에 따라 결정된다. 여기서 유효분해능이란 기록계의 단순분해능이 아니라 균열크기를 측정하는데 있어서 최소로 감지할 수 있는 변화량을 뜻한다. 일반적인 시험실에서의 시편인 경우 5~50A의 전류를 직접 시편에 가하고 전압의 분해능이 대략 ±0.1 μV 또는 Vr 의 ±0.1 %인 경우 균열크기의 분해능은 시편폭, W의 0.1%보다 양호하다(균열크기 분해능은 8.8에 따른다) Al, Cu처럼 전기전도도가 좋은 재료 및 낮은 전류 등은 분해능을 저하시키는 반면 낮은 전기전도도를 가지는 Ti, Ni 등에서는 0.01% 수준의 높은 분해능을 나타낸다. 정해진 시편형상, 재료, 측정장비에 따른 균열크기의 분해능은 분석되고 보고 되어야한다.

NOTE A6.1—아래는 DC 10A의 전류를 표준 CT 시편에 가했을 경우의 전압크기의 예이다.

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Material Approximate EPD

Measured at 10A Approximate Change in Crack Size for 1 μV Change in EPD

Aluminum 0.1 mV 300 μm Steel 0.6 mV 50 μm Titanium 3.5 mV 9 μm

Based on a/W = 0.22, B = 7.7 mm, and W = 50 mm. A6.11전압측정오차감소기술- DC 및 AC 공히 매우 낮은 수준의 신호를 측정하여야 하기 때문에 측정정밀도를 향상시키기 위하여 몇 단계를 거쳐야 한다.

A6.11.1 유도기전력(Induced EMF) – 전압측정선은 가급적 짧아야 하며 자기장의 변화에 따라 유도되는 Stray voltage를 줄이기 위하여 가급적 꼬아져야 한다. 기기주변의 자기장 속에서 선이 움직임에 따라 유도되는 Stray voltage를 줄이기 위하여 단단하게 고정하는 것이 필요하다. 또한 측정선을 가급적 강자장을 형성하는 Motor나 정류기 근처에는 설치하지 않는 것이 바람직하다.

A6.11.1.1 AC systems에서는 전류선을 전위유발인자로부터 떨어뜨려 놓아야 한다. 만일 Shield된 전압선을 사용한다면 한쪽 끝을 접지시켜야 한다.

A6.11.2 접지 – 모든 장비는 적절한 접지를 하여야 한다. 이는 부식피로에 관계되는 전기화학적장비에 DC 방법을 사용할 경우 특히 주의를 요한다.

A6.11.3 Thermal Effects - DC system에서는 열기전력(Thermal emf) 측정과 보정이 중요하다. 최소한의 연결로 열전효과(A6.3.5.1참조)를 줄여 일정한 온도를 유지하여야 한다.

A6.11.3.1 모든 장비와 시편은 시험 중 일정한 온도를 유지하여야 한다. 일반적으로 적당한 보온장비는 일정한 온도를 유지하는 것에 도움을 준다.

A6.11.3.2 DC system에서의 어떤 전압계는 내부에 자동으로 열전효과를 보상한다. 이런 장비는 외부 조건을 조절하기가 불가능한 실험실의 경우 매우 유용하다.

A6.11.4 입력전류크기의 선택 – 전류크기의 선택은 매우 중요하다. 너무 적으면 출력이 너무 작아 측정이 어렵고 너무 크면 시편이 가열된다(66).

A6.11.4.1 이런 문제를 최소화하기 위하여 전류밀도를 원하는 균열크기분해능이 가능한 최소값으로 유지하는 것이다. 최대전류는 시편의 온도를 측정하여 원하는 시간 동안 원하는 온도를 유지할 수 있는 최대 전류를 측정하여 결정한다. 대류에 의한 시편온도를 유지하는 기능이 없는 진공에서의 시험에서는 특별히 주의를 요한다.

A6.11.5 DC 전압안정화 시간 – 전압측정 전 충분한 안정화 시간이 필요하다. 대부분의 Solid-state 전원장치는 1~2초 후면 안정화되나 각 시편마다 실제 시험을 통하여 검증하여야 한다.

A6.12 예방책—가해진 전류가 균열선단의 손상이나 균열전달속도에 영향을 주지 않는다는 것을 검증하는 것은 매우 중요하다. 예로 피로균열시험에서 용액으로의 누설전류는 전기화학적 반응속도에 영향을 주고 균열에 영향을 준다. 이는 전도도가 가장 좋은 전해액(예로 NaCl 등)에 비해서도 금속의 전도도가 월등히 높으므로 실질적인 문제가 되지 않는다. (79).

A6.12.1 균열선단에서의 큰 소성변형은 균열진전 없이 저항을 증가시키므로 측정전위를 증가시킨다(65). 그러나 이 오차는 소성변형량이 E 647방법의 소성기준에 비해서 월등히 큰 경우에도 미미한 것으로 보고되고 있다(62).

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APPENDIXES (비규정 정보) X1. RECOMMENDED DATA REDUCTION TECHNIQUES X1.1 Secant Method X1.1.1 균열성장속도를 계산하기 위한 Secant 나 Point to point 방법은 a와 N Curve에서 Data의 두 점 사이의 기울기를 계산하는 것을 포함한다. 이는 일반적으로 아래식과 같이 표현한다.

(da/dN)a = (ai+1 – ai) / (Ni+1 1-Ni) (X1.1) 계산된 da/dN는 ai+1 − ai 사이의 평균값으로, 평균균열크기, ā = ½(ai+1 + ai)는 ΔK를 계산하는데 사용한다. X1.2 점증적다항식 방법(Incremental Polynomial Method) X1.2.1 이 방법은 2차 함수로 da/dN을 계산하는 방법으로 연속된 2n + 1의 Data set를 사용한다. 여기서 n은 1, 2,

3, 또는 4이다. 이 식의 아래와 같다.

âi = b0 + b1 +b2 (X1.2)

where: -1 ≤ ≤ +1 (X1.3)

b0, b1, b2 는 균열길이 ai−n ≤ a ≤ ai+n. 사이에서 최소자승법(균열길이의 측정값과 Fitting에 따른 계산값 차이의 제곱분이 최소)에 의하여 구한 Regression parameter이다. âi 값은 Ni횟수에서 Fitting에 의한 균열크기이다. 변수 C1 = 1⁄2(Ni−n + Ni+n), C2 = 1⁄2 (Ni+n − Ni−n)는 회기변수를 결정하는데 수리적인 어려움을 없애기 위하여 입력 Data의 Scaling으로 사용한다. Ni 에서의 균열성장속도는 위의 2차 식을 미분하여 얻어지며 아래와 같다.

(da/dN)âi = (b1)/(C2) + 2b2(Ni - C1)/C2

2 (X1.4) da/dN에 연관된 ΔK 값은 Fitted 균열크기와 관련 Ni.를 이용하여 계산한다. X1.2.2 이 방법 중 n = 3, 즉7 개의 연속적인 Data를 이용한 기본적인 Computer program은 Table X1.1 (Eq

X1.1참조)에 나타내었다. 이 Program은 C(T) 및 M(T) 시편의 K-calibrations 을 사용하였다. X1.2.3 이 Program의 결과는 Table X1.2에 나타내었다. 시편, 하중조건 및 분위기에 대한 정보는 기본Data 및 처리된 Data 와 함께 정리된다. A(Meas.) 및 A(Reg.) 는 각각 측정 및 식(Eq X1.2)으로부터 구한 균열크기이다. 이 식의 적합도는 Multiple correlation coefficient에 의하여 결정된다(MCC = 1 완벽한 Fitting). ΔK 및 da/dN는 입력변수에 따라 같은 단위로서 주어진다. 시편크기조건을 만족하지 못하는 da/dN값은 Table X1.2의 나머지 15개 Data와 같이 별표 및 주석으로 표시하여 나타낸다.

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TABLE X1.1 BASIC Computer Program for Data Reduction by the Seven Point Incremental Polynomial Technique

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X2. COMPLIANCE로부터 피로균열열림힘을 결정하는 추천 방법 X2.1 서론 X2.1.1 Crack closure라는 용어는 반복하중 주기 중 하중이 줄어드는 과정에서 피로균열의 파단면이 서로 접촉하고 균열을 통하여 하중이 전파되는 현상을 의미한다. 많은 재료에서 반복하중의 최소하중보다 보다 큰 하중에서 Crack closure가 일어난다. 심지어 인장하중에서도 나타난다. 최소하중에서 다시 하중을 가할 경우 균열이 완전히 벌어지려면 어느 정도의 추가 인장하중이 필요하게 된다. 따라서 Crack closure는 균열선단 근처에서는 일반적인 ΔK가 아닌 ΔKeff라는 값을 도입하여 사용하도록 만들었다. 따라서 Crack closure효과의 크기에 대한 정보는 관측되는 균열성장의 거동을 이해하고 해석하는데 필수적인 요소가 되었다. ΔKeff 값의 추정은 실험적으로 균열이 벌어지는 최소하중에 의하여 얻을 수 있다(Opening force, Po)만일 Po > Pmin라면 Force range (ΔP = Pmax − Pmin)대신 Effective force range (ΔPeff = Pmax − Po)를 사용한다.

X2.1.2 Opening force를 결정하기 위하여 여러 실험 방법이 사용되는데, Ultrasonics, Potential drop, Eddy current, Acoustic emission, High magnification photography, 연신률 또는 변위 대 하중(Compliance)측정 등이다. .

실험상의 용이성으로 대부분 Compliance 방법이 주로 사용된다.

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X2.2 Scope X2.2.1 본 부록은 일정진폭이나 또는 천천히 변하는 Force ratio 조건(일정 Force ratio에서 경계조건 시험에서의 하중변화와 유사하게)에서 본 시험규격에 명시된 시편에 피로균열 Opening force을 결정하는 시험을 정리하였다.

X2.3 용어 X2.3.1 본 부록에서 사용하는 용어의 정의를 본란에 정리하였다. 본 부록에 사용된 다른 용어들은 규격의 본문에서 정의되었다.

X2.3.2 정의 X2.3.2.1 crack closure—피로균열의 파단면이 피로하중주기에서 하중이 줄어드는 부분에서 서로 접촉하여 하중이 균열을 통하여 전달되는 현상

X2.3.2.2 effective force range, ΔPeff[F]—피로 시 균열이 벌어진 동안의 하중의 증가분으로 아래식으로 나타낸다. ΔPeff = Pmax - Po if Po .> Pmin (X2.1) ΔPeff = ΔP = Pmax - Pmin if Po < or = Pmin (X2.2) X2.3.2.3 effective stress intensity factor range, ΔKeff[FL−3/2]—피로시험에서 Stress intensity factor range는 Effective

force range, ΔPeff를 이용하여 계산한다. X2.3.2.4 opening force, Po [F]—피로시험에서 하중을 증가시킬 때 균열선단이 벌어지는 최소하중 X2.4 Significance and Use X2.4.1 본 부록에서 거론한 ΔKeff를 추정할 수 있는 Crack opening force를 결정하는 방법은 다양한 재료의 균열성장에 따른 Crack closure의 효과를 평가하고 비교하는데 유용하게 사용된다. 이 방법은 균열성장에 관여하는 ΔK의 정확한 비율이나 균열선단의 모든 점에서의 Opening force를 정의하지는 못하지만 Crack closure의 주된 효과를 추정할 수 있는 잘 정의된 시험방법으로 사용할 수 있다.

X2.4.2 이 방법으로 측정된 Opening force는 다른 시험방법이나 다른 근거로부터 얻은 Crack closure정보를 평가하는 기준자료나 참고자료로 사용할 수 있다.

X2.5 Compliance를 이용한 Opening force 결정배경 X2.5.1 Compliance를 이용한 Opening force의 결정은. 균열을 가지는 시편에 균열이 완전히 벌어질 때까지 하중을 가할 때, Compliance (Strain 또는 변위 대 하중 곡선)는 특정값을 가지고 기본적으로 균열선단에서 매우 큰 소성변형을 일으킬 때까지 하중을 가해도 일정한 값을 유지한다는 관찰에 근거를 두고 있다.

최대하중으로부터 하중이 감소할 때도 Compliance값은 최대하중 도달 전에 일어난 큰 소성변형에 관계없이 균열이 최대로 벌어졌을 때의 측정값을 가진다. 개념적으로 실험목적은 매우 간단하다. 즉 하중/변위곡선이나 하중/연신율 곡선에서 직선인 점의 하중(인장시험에서의 비례한계)을 결정하는 것이다. 그러나 실제적으로는 Compliance가 Open crack 값으로 접근함에 따라 조금씩 변하고 비직선성, 다양한 변수 또는 Noise 등으로 인하여 이 점을 결정하는 것은 매우 어렵다 측정System의 비직진성이나 Noise는 Opening force를 추정하는데 주요변수가 된다.

X2.5.2 측정장치의 Noise나 비직진성으로 인한 Opening force에서의 분산을 줄이는 방법은 Opening force를 Fully open value(즉 하중 변위곡선이 직선이 되는 점)에서 구한 Compliance에서의 하중이 아니라 Fully open crack 보다 약간 낮은 값으로 Offset된 Compliance 에 대응하는 하중으로 정의하는 것이다. Data의 산포는 하중Curve에서 직선부분이 시작되는 곳에 가까운 지점보다 더 낮은 하중의 변화에 따른 Compliance가 바뀌는 지점에 상응하는 Offset compliance 값 때문에 줄어들 것이다. 물론 이런 Offset compliance 방법은 균열이 완전히 열린 상태의 힘보다는 낮게 결정된다. 결국 적당한 Compliance의 선택 기준은 Data 산포의 정도와 균열이 완전히 벌어질 때의 하중과의 차이 사이에서의 적당한 타협점을 결정하는 것이다. 참고문헌 80 참조

X2.6 기기 X2.6.1 시험과정은 Strain이나 변위를 측정하는 시편에 부착할 Sensor가 필요하고 Load cell 및

Strain/Displacement sensor로부터 Data를 받는 Digital data acquisition system 및 처리기능이 필요하다. X2.6.2 일반적으로 Strain/displacement transducers 및 다른 실험장비는 균열크기를 결정하기 위하여

Compliance를 사용하는 부록 A5에 규정한 것과 동일하다. 그러나 Compliance를 사용하여 Opening force를 측정하는 데는 좋은 직진성과 낮은 Noise 수준의 Strain/displacement data는 특별히 중요하다. 따라서 Data의 취사선택 기준은 X2.8에 기술하였다.

X2.6.3 Strain 또는 displacement를 측정하는 위치는 Crack tip근처나 Tip으로부터 약간 떨어진 곳이 될 수도 있다. 그러나 본 부록에서는 Data의 산포도가 적은 약간 떨어진 곳에서 측정하는 것을 추천하다. C(T) 및 ESE(T)시편에서 추천되는 측정은 (1)균열Mouse의 변위, (2) 배면의 중간 위치에서의 Strain이다. M(T)시편의 경우는 길이방향의 중심선에서의 변위를 측정한다(Fig. X2.1참조)

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X2.7 추천되는 시험절차—Compliance Offset 방법을 이용한 Opening Force의 결정 X2.7.1 이 방법을 이용한 배경은 참고문헌 (80) 및 (81)을 참고한다. 하중에 대한 Strain이나 변위로부터 Opening

force를 결정하는 각 단계에 대한 절차는 다음과 같다.

Fig.X2.1: Recommended Displacement and Strain Measurement Locations for Determination of Fatigue Crack

Opening Load on C(T) and M(T) Specimens X2.7.1.1 하중Cycle 전 영역의 하중 및 Strain 또는 변위 Data를 구한다. Data 취득속도는 하중Cycle 전 영역의 2% 이내의 간격으로 하중 및 Strain data를 받아야 한다. 즉 한 Cycle당 50개 이상의 Data 쌍이 필요하다. (다른 Loading wave의 경우에는 그에 따라 2%이내의 간격을 유지할 수 있는 다른 최소 Sampling rate가 필요)

X2.7.1.2 하중을 제거할 때는 최대 하중보다 약간 낮은(단 최대하중의 90%보다는 큰) 하중에서 최소자승법을 이용하여 대략 전 영역의 25%정도를 포함하는 영역에서 기울기를 그린다. 이 직선의 기울기는 완전히 균열이 벌어진 형상에서의 Compliance로 가정된다.

NOTE X2.1 경고: 높은 Opening force를 보이는 몇몇 재료 및 부하조건에서는 이 가정이 틀릴 수도 있다. 실질적으로 Opening force가 Fitted force range내에 있는 경우 계산된 Open-crack compliance 및 Opening force 는 매우 낮을 것이다. X2.7.1.6의 시험과정은 Open-crack compliance 가정에 대한 타당성을 검증하는 과정을 제시하고 있다.

NOTE X2.2—경고: Compliance offset을 계산하기 위한 적절한 한계를 선택하는 데는 주의를 요한다. 한계는 Data를 잘 반영하도록 충분히 낮아야 하나 Compliance offset에 균열 닫힘의 영향을 배제하도록 충분히 높아야 한다. Paris Regime에서R=0.1의 조건으로 행한 Round robin의 결과는 진폭의 상위 25%를 제시하고 있다. 그러나 적절한 영역은 Stress ratio, Stress intensity factor range, 분위기, 재료 및 잔류응력(80) 등의 변수에 따라 영향을 받는다.

X2.7.1.3 Loading curve의 최대하중 바로 아래(최대하중의 95% 낮지 않은)에서 시작하여 대략 Cyclic force range의 10% 지점까지 최소자승법으로 직선을 긋고 각각을 Cyclic force range의 5%와 중첩시킨다(Fig. X2.2참조) Compliance (slope)와 각 Segment의 평균하중을 결정하다.

X2.7.1.4 각 영역에서의 Compliance offset를 다음과 같이 계산한다.

Fig.X2.2: Evaluation of the Variation of Compliance with Load for Use in Determination of Opening Force Compliance offset = [(open-crack compliance)-(compliance)] (100) / (open-crack compliance) (X2.3)

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여기서 Open-crack값은 X2.7.1.2로부터 얻는다. X2.7.1.5 각 Segment로부터 Compliance offset과 평균하중을 Plotting하고 각 점을 직선으로 연결한다(Fig.

X2.3참조). 선택한 Offset기준에 상응하는 Opening force (Po)를 결정한다. NOTE X2.3—경고: 만일 하나 이상의 연결선이 Offset 기준을 가로 지른다면(Fig. X2.4), Compliance data의 분산이 Opening force의 결과에 심각한 분산을 야기할 만큼 높을 것이다. 이 분산을 줄이기 위한 작업을 하여야 하는데 분산은 일반적으로 센서에 Shield선을 사용하고 Data를 취득하기 전에 Filtering을 함으로서 줄어들게 된다. 하중과 변위 또는 Strain 사이에 Phase shift 등을 피하기 위해서는 적절한 Filter를 사용하여야 한다.

X2.7.1.6 만일 X2.7.1.5에서 Opening force가 0.50Pmax 이상이면 X2.7.1.2로부터 얻은 Open-crack compliance 값의 타당성을 검토하여야 한다. 이를 위하여 X2.7.1.2로 돌아가 25%보다 큰 부분과 25% 보다 작은 몇 개의 하중 range에서 Fitting한 직선의 기울기를 검토한다.

Fig.X2.3: Determination of Opening Force Using the Compliance Offset Method

NOTE 1—Multiple crossings of the offset criteria levels is an indication that the variation is too high. Fig. X2.4 Example of High Variability in Compliance Offset Data Fitted-force-range에 대하여 기울기를 Plotting하고 일정한 기울기를 유지하는 가장 큰 Range를 표시한다. 만일 표시된 range가 25%보다 작다면 Opening force 분석은 Open-crack compliance로서. 새로운 작은 Range의 기울기를 사용하여 다시 수행되어야 한다.

X2.7.2 Opening force는 Open-crack compliance 값의 Offset criteria 1, 2 및 4 %로 결정하고 보고되는 것을 추천한다. 최소값으로서 Opening force는 Open-crack compliance 값의 2 % Offset criterion으로 정의된 값이 보고되어야 한다.

X2.7.3 가능한 한 많은 Opening force를 구하여 그 평균값을 보고하는 것을 추천한다. 여러 Opening force를

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구하는 동안 하중 Cycle 수준은 같아야 하며 균열길이의 변화는 0.001 W이내이어야 한다. X2.8 Data Quality Requirement X2.8.1 하중 대 변위 또는 Strain data는 Compliance offset 방법을 이용하여 Opening force 를 구하는데 영향을 준다. Data의 품질은 측정기기의 두 가지 성질에 의하여 정의되는데 1) 기기의 직진성 및 (2) 기기의 Noise나 산포도이다. 기기의 이 두 가지 성능은 Opening force에 영향을 미친다. 따라서 각 시편마다 Data의 품질을 관찰하도록 추천한다.

X2.8.2 각 시편의 Data의 품질을 검토하기 위해서는 하중 대 변위나 Strain data는 시편에서 균열이 발생하기 전 Notched 시편으로부터 취득하여야 한다. 또한 시험 시 받을 Data는 전 하중 Cycle에서 같은 Loading rate에서 받아야 한다. X2.7.1에 기술한 바와 같이 균열된 시편에서와 같은 방법을 사용하여 Compliance offset을 분석한다. 하중증가영역에서 Compliance offset 값을 사용하여 평균과 표준편차를 계산한다 완전히 직진성을 가지는 Noise가 없는 기기에서의 표준편차는 Zero가 된다 만일 측정된 Offset의 평균값(Open crack compliance의 %로 표시)의 절대치가 1%보다 크거나 표준편차가 2%보다 크다면 Data의 품질은 Compliance offset 방법으로 Opening force를 구하는 데는 적합하지 못하다. 만일 Data의 품질이 적합하지 않다면 Sensor의 직진성(A5.4참조), 시편의 평평도, 하중의 축정렬(6.2참조), Gripping문제(A5.5 및 관련 시편부록 참조) 및 Sensor의 신호(X2.7.1.5참조) 등을 검토하여야 한다.

X2.9 Report X2.9.1 Opening force의 보고서에는 아래 사항이 거론되어야 한다. X2.9.1.1 변위나 Strain을 측정하는 Sensor 및 위치 X2.9.1.2 Opening force를 결정하는 Compliance offset criterion 값 X2.9.1.3 균열이 없는 시편에서 측정되는 Compliance offset의 평균값과 표준편차. X2.9.1.4 균열시편 및 미균열시편의 Compliance offset 대 하중의 일반적인 Graph X2.9.1.5 시편두께 X2.9.1.6 Opening force 측정 전 피로균열 조건 X3. SMALL FATIGUE CRACKS의 성장속도를 측정하기 위한 제안 X3.1 서론 X3.1.1 다양한 구조물에서의 피로균열은 구조물의 수명과 큰 영향이 없는 경우가 종종 있다. 이런 균열의 성장속도는 E647에 기술된 큰 균열이나 기존의 파괴역학의 관점에서의 형상에 기반을 둔 일반적인 방법으로는 측정이 불가능하다. 더 중요한 것은 이런 작은 균열의 성장형태는 기존의 큰 규모의 균열성장이나 피로균열 분석기법에서 예상되는 것과는 판이하다는 것이다. 이런 경우는 직접적인 Small crack의 측정방법이 기술되어야 한다.

X3.1.2 본 부록은 Small fatigue crack의 균열진전속도를 측정하는 시험방법 및 분석방법에 대한 일반적인 지침을 제공하고 있다. 완전하고 자세한 시험과정은 기술되지 않았지만 본 부록은 적절한 시험 및 분석방법의 선택에 대한 지침을 제공하고 있다.

X3.1.3 Small fatigue crack에 대한 많은 원리 및 시험과정이 E647에 기술되었으며 다른 조건이 없다면 사용이 가능하지만 본 부록에서는 Small fatigue crack에 대하여 E647의 몇몇 사항이 수정되어야 한다.

X3.2 Scope X3.2.1 본 부록은 E647의 피로균열성장속도를 결정하는 표준방법을 적용하기에는 너무 적은 균열크기의 피로균열성장속도를 결정하는 방법에 대하여 기술하였다. 다양한 적용 가능한 시편의 형상과 균열측정방법이 소개되었다.

X3.3 Referenced Documents 3 E 4 Practices for Force Verification of Testing Machines E 466 Practice for Conducting Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials E 467 Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Loads on Displacements in an Axial Load Fatigue

Testing System E 606 Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing E 616 Terminology Relating to Fracture Testing E 1351 Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas

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X3.4 용어 X3.4.1 본 부록에서 사용하는 용어는 E 647에 정리 되었으며 다른 용어는 X3.3을 참고한다. X3.4.2 본 규격에서의 특별용어 X3.4.2.1 small crack—물리적으로 작은 균열로서 특별히 길이 및 깊이가 작은 표면균열을 포함하며 미세조직이나

Continuum mechanics 면에서나 작은 크기를 가진 균열을 칭한다. X3.4.2.2 short crack— X3.4.2.1에 기술한 것과 같이 단순히 물리적으로 짧은 균열(일반적으로 관통균열의 길이) TABLE X3.1 Classification and Size Guidelines for Small Fatigue Cracks (adapted from 88)

NOTE 1—a here denotes a characteristic crack dimension (length or depth). ry is plastic zone size or plastic field of notch. Dg is characteristic microstructural dimension, often grain size.

Type of Small Crack Dimension Mechanically-small a~ ≤ ry Microstructurally-small a~ ≤ 5–10 dg Physically-small a~ ≤ 1 mm Chemically-small a up to ~10 mm NOTE X3.1—역사적으로 본 규격에서 기술한 Small과 Short crack의 구분은 잘 하지 않는다. 두 용어는 문헌 등에서 서로 섞여 사용되고 특히 유럽에서는 같은 의미로도 사용된다.

X3.4.2.3 surface-crack length - Terminology E 616참조. 본 부록에서 물리적인 표면균열길이는 2c로 나타낸다. X3.4.2.4 surface-crack depth - Terminology E 616의 Crack depth 참조. 본 부록에서는 물리적인 표면균열깊이는

a로 표시한다. X3.5 Significance and Use X3.5.1 Small-Crack 효과 X3.5.1.1 Small fatigue crack은 Small-crack effect 때문에 구조물의 건전성에 중요한 영향을 미친다. 즉 때때로

Small crack은 같은 균열진전유발을 이르키는 힘(일반적으로 ΔK로 표시)에 대하여 긴 균열에 비하여 매우 빠르게 균열이 진전되기도 한다. 이 효과 때문에 비록 아직까지 주요 사항에 대하여 합의를 이루지는 못하였지만 이 분야에 대한 집중적인 연구가 수행되었다(82-88)

X3.5.1.2 이 효과는 균열크기가 미세조직의 크기 즉 Grain size 정도나 Continuum mechanics dimension 즉 균열 선단이나 Notch의 소성영역 정도에서 자주 보이고 있다. 전자의 경우는 균열의 크기나 균열선단의 소성역이 비교적 클 때는 일어나지 않는 국부적인 미세조직과의 반응으로 인하여 균열속도가 가속되거나 지연된다. 후자의 경우는, 일반적으로 Small scale-yielding parameter ΔK 에서는 반영되지 않는, 소성변형이 촉진됨에 따른 Crack driving force가 기본적으로 바뀜에 따라 균열성장속도의 변화가 일어난다. Small-crack effect는 다른 현상으로부터 일어나기도 하는데 국부적인 균열의 화학적 변화, 균열성장을 돕는 분위기 등이 있다.

X3.5.1.3 종종 균열크기를 추정하는 것이 중요한 경우도 있다. Table X3.1에 정리한 바와 같이 다양한 모양의 Small crack에 따라 변하는 크기를 위하여 다른 기준(89)을 적용한다. 이 크기기준에서 하나의 조건만이라도 만족시키면 Small crack의 거동을 보일 수 있다.

X3.5.1.4 Small crack을 확인하는 또 다른 시도는 Kitagawa 및 Takahashi (90)의 연구로부터 기인한다. 이들은 Threshold crack growth rate data가 재료의 Fatigue limit (ΔSe) 및 ΔKth.에 관련이 있는 균열크기에 의존성을 가지고 있다는 것을 연구하였다. 피로균열의 시작과 진전을 합친 이 이론은 Fig. X3.1에 도식적으로 나타내었다. 기존의 존재하는 균열의 확률을 고려하지 않고 균열시작을 고려하면 시편의 파단은 단지 다음 조건에서만 일어난다.

ΔSapplied > ΔSe (X3.1) 대안으로 파괴역학을 고려하면 균열진전은 다음 조건을 만족하여야만 진행된다. ΔKapplied >.ΔKth = FΔS√πa (X3.2) 여기서 F는 균열과 시편형상의 함수이고 da는 균열길이이다. ΔS를 구하면 다음 식과 같다.

ΔS =Δ √π (X3.3)

이는 직선의 기울기가 -1/2이상의 영역에서만 균열전파가 일어난다는 것을 의미한다. 따라서 재료의 성질로서 ΔKth의 유용성은 균열의 길이가 두 개 Line(a0) 교차에 의하여 얻어지는 것보다 큰 균열로 한정된다. 여러 재료에서 대략적으로 추정되는 균열크기, a0는 미세조직학적Small crack 효과가 중요해지는 크기보다 작다(91)

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그러나 균열닫힘이나 국부적인 화학성분이 균열성장속도에 대한 형상효과를 주도할 때 a0는 Small crack 효과의 중요성을 과소평가할 수도 있다. 좀 더 자세한 사항이나 제한은 (92)를 참조한다.

X3.5.1.5 Small-crack 효과의 중요한 징후는 큰 균열의 Threshold stress-intensity factor range, ΔKth보다 낮은 ΔK 값에서도 물리적으로 작은 균열은 성장한다는 것이다. 이 현상은 변칙적인 작은 균열의 거동인지 또는 변칙적인 큰 균열의 거동인지는 확실하지는 않다. 만일 경계영역 부근의 큰 균열Data가 무시할 정도이고 큰 균열의 Data가 균열 닫힘의 영향을 최소화 하는 선에서 결정된다면. 이런 작은 균열성장Data는 종종 큰 균열의 Data와 일치하는 경우도 있다. 어떤 경우에도 실험실적으로 큰 균열 Data에 근거한 구조물에서의 작은 균열성장의 추정은 매우 보수적이지 않기 때문에 이 현상은 중요하다. 비록 작은 균열이 때때로 더 이상 진전되지 않는다고 관찰되지만, 작은 피로균열의 성장을 위한 측정할만한 경계값이 있는지는 분명하지 않다.

X3.5.1.6 구조물에서 작은 피로균열이 중요한 경우는 대부분 가해지는 응력이 항복응력 이상의 경우이다. 안정한 반복균열성장에 대한 재료의 저항성을 알기 위해서는 동일한 응력조건으로 실험실에서의 모사실험이 필요하다. 이러한 시험은 부가되는 모든 하중에서 시편이 탄성거동을 못하기 때문에 E647의 본문(시편의 형상 및 크기, 준비 참조)에 있는 기준에 의하여서는 유효성이 없다. 본 부록에서는 비록 시편의 형상이 변형되어야 하지만, 시험방법, 균열크기측정방법, 균열성장속도계산법 등에 대한 기본적인 사항을 대략적으로 기술하였다.

이런 조건에서는 균열성장속도의 관련인자로서 탄소성 이론에 기반을 둔 J-integral range(ΔJ) 등이 필요할 수도 있다(93). 균열유발인자로 영향력을 주는 균열닫힘거동 역시 큰 하중에서는 중요한 인자가 된다.

Fig.X3.1: Diagram for estimating a0 X3.5.2 시험방법의 선택 X3.5.2.1 작은 피로균열의 중요한 거동과 성장속도를 측정하는 데는 몇몇 잘 정립된 실험방법이 가능하다. 일부 방법은 일반적인 사용목적에 다른 방법보다 유리하고 일부는 전문 지식을 요한다. 또한 일부는 거의 경제적인 투자가 필요 없는 경우도 있고 일부는 추가적인 지출을 요한다. 모든 방법은 피로균열크기가 50um보다 큰 조건에서 적용가능하며 일부는 더 작은 균열에도 적용 가능하다.

X3.5.2.2 본 부록의 목적은 어느 특정한 한 방법을 추천하는 것이 아니라 다양한 방법을 소개하는 것이다. 각 방법은 각각의 장점과 한계를 가지며 환경조건에 따라 최적의 방법도 달라지게 된다. 본 규격은 가능한 여러 방법을 소개하며 각각의 장점과 단점을 설명하며 모든 방법에 일반적으로 적용되는 과정에 대하여 자세하게 거론한다.

X3.5.2.3 이런 기법들은 ASTM Special Technical Publication, STP 1149 (84)에 자세히 기술되었으며 관련된 참고문헌 들은 특정시험을 결정하기 전에 참고할 수가 있다. 여타 작은 피로균열에 대한 실험 및 분석에 대한 설명은 참고문헌 85~88을 참고.

X3.5.3 적용 가능한 특별한 시험방법 X3.5.3.1 Replication (94)—피로시험을 잠시 멈추고 정하중을 시편에 가한 상태에서 얇은 Cellulose acetate film을 시편의 균열부분에 아세톤을 이용하여 접착시킨 후 수분이 지난 후 제거하면 균열을 복제할 수 있다. 이를 적당한 처리(코팅 등)를 한후 광학이나 전자현미경을 이용하여 표면균열 길이를 측정할 수 있다. E1351을 참조한다.

X3.5.3.2 Photomicroscopy (95)—Photo microscopy(PM)기법을 시행하기 위해서는35-mm Camera를 부착한 기본적인 금속현미경을 Microcomputer를 이용하여 피로시험기에 연결한다. 작은 피로균열에 대한 고 배율의 사진을 피로시험을 잠시 쉬는 동안 대량으로 얻을 수 있으며 시험에 따라 영상을 분석하여 균열길이를 계산할 수 있다.

X3.5.3.3 Potential Difference (96)- 연속적으로 균열길이를 측정할 수 있는 Direct current electric potential difference (dcEPD)방법(Annex A6 Test Method E 647 참조) 이 작은 피로균열까지 확장사용이 가능하다. 균열크기와 측정전위의 상관관계에 Closed-form analytical 방법이 사용 가능하다.

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X3.5.3.4 Ultrasonic (97)—Surface acoustic wave (SAW) 방법은 시편표면에 Rayleigh waves를 입력하고 작은 표면균열에서 반사되는 반사파의 Data를 자동으로 받아. 간단한 분석Model을 이용하여 이 반사파의 크기와 균열크기 사이의 관계를 측정하는 방법이다.

X3.5.3.5 Laser Interferometry (98)—Laser에 기반을 둔 방법으로서 시편표면의 작은 균열 양단에 낸 작은 두 압입자국 사이를 Interferometric strain/displacement gage (ISDG)를 사용하여 거리를 측정하는 방법이다. 추정되는 균열크기는 측정값과 탄성 Compliance로부터 구한다.

X3.5.3.6 Scanning Electron Microscopy (99)—작은 시편들은 전자현미경 내에 특별히 고안된 피로시험장치에 장착하여 실험하면서 적당한 사진촬영 장치나 Videotape를 사용하여 영상을 얻어 균열크기를 측정하는 방법이다.

X3.5.3.7 Constant Kmax-Decreasing ΔK Method (100)—비교적 빠르고 균열닫힘 현상을 간단히 최소화 할 수 있는 방법으로서 표준(Large crack) FCG시편에 Constant Kmax-decreasing ΔK 하중이력방법의 적용이 제안된다. 작은 균열은 우선적으로 감소된 Closure level로 큰 균열과 대별된다는 가정하에서, 이는 작은 균열성장속도가 높게 추정된다는 이론이 있다. 이 방법은 Small-crack effect, 즉 미세조직학적 반응, 균열선단의 과도한 소성변형, 또는 표면근처의 잔류응력 등과 같은 현상을 다룰 수는 없다. 이 방법은 E647의 본문에 기술되었다.

X3.5.4 시험방법의 주안점 X3.5.4.1 균열위치—균열 시작 위치가 불분명할 때는 복제방법이 유리하다. 균열성장을 추적하기 위하여 시간대 별로 큰 복제부터 사용할 수도 있다. 이는 작고 발견하기 어려운 미소균열의 시작점을 쉽게 발견할 수 있다. 모든 다른 방법들은 일반적으로 Small crack이 성장초기상태에 존재하기를 원하거나 균열의 위치가 미세 Notch앞에 고정되기를 원한다.

X3.5.4.2 시편과 균열형상- 직접적인 광학방법이나 Imaging (PM, ISDG, SEM) 및 SAW 방법을 사용하는 경우에는 시편표면이 평탄하거나 비교적 완만한 곡선을 가져야 한다. Replica 및 dcEPD 방법은 다양한 종류의 시편에 사용하는데 원통형이나 Notch가 있는 시편도 가능하다. Replica, PM, 및 SEM 방법은 단지 표면균열길이만을 측정하는 반면 ISDG, SAW 및 dcEPD 방법은 균열의 깊이와 면적까지도 측정할 수 있다. 모든 방법은 완전한 균열성장분석을 위해서는 균열형상에 대한 독립적인 확인을 요한다. ISDG, SAW 및 dcEPD 정보는 다수의 균열이 있는 경우 왜곡될 수도 있다.

X3.5.4.3 시험환경- Replication은 시험 중 정지한 상태에서 시편을 시험환경에서 분리하지 않는다면 상온 및 대기 중 이외의 다양한 환경에서의 적용은 어려운 실정이다. 고온 및 열악한 분위기에서의 균열성장의 측정에는 비록 장비의 추가적인 준비나 일부 제한적인 조건이 따르기는 하지만 dcEPD. SEM, ISDG, PM 및 SAW 방법 등을 사용한다. 복제방법은 일부 재료에서는 균열성장에 영향을 준다고 보고되고 있는데 이는 분위기에 관련된 효과로 추정된다. 만일 균열거동에 분위기 효과가 심각할 경우에는 SEM에서의 Small crack 시험은 반드시 진공에서 하여야 한다.

X3.5.4.4 분해능—균열크기를 측정하는 방법 중 SEM 방법이 가장 분해능이 좋고 그 다음이 복제방법으로서 0.1um까지 가능하다. PM 및 ISDG 방법 공히 약 1 μm까지 가능하다. The average crack depth resolution of dcEPD 방법의 평균균열 깊이의 분해능이 약간 낮고 SAW 방법이 가장 낮게 측정된다(수 Micron 정도)

그러나 이 수치는 일반적인 비교지침일 뿐이고 측정되는 Data의 분해능은 시험기의 상태, 시험자의 숙련도, 시험대상 재료에 따라 영향을 받는다. 상기한 분해능은 최상의 기기 상태에서 최고의 숙련도를 가진 시험자의 경우에 얻을 수 있는 수치이다. 또한 분해능이라는 단어의 의미는 다른 응용에서는 다른 의미를 가질 수 있는데 예로서 표면균열길이의 분해능과 측정된 몇 개의 값의 계산으로부터 얻어진 균열깊이의 평균분해능 등이다.

X3.5.4.5 Cost - Replica 방법이 가장 저렴하나 고도의 숙련도 및 시간이 많이 소요된다. SEM 및 ISDG 방법은 고가의 특별한 장비 및 비교적 잘 훈련된 시험자가 필요하다. PM, dcEPD 및 SAW 방법은 특별한 장비가 필요하나 비교적 저렴하고 상대적으로 비숙련자도 가능하며 자동화로 인하여 시간과 노력을 절감할 수 있다.

X3.6 기기 X3.6.1 작은 피로균열(X3.7.1)의 성장속도를 측정하는데 사용되는 시편은 일반적으로 긴 피로균열 또는 다른 피로시험 및 파괴시험을 이하여 ASTM에서 정한 표준 시편형상과는 다르다. 표준규격이 아닌 시편 및 시험방법을 적요하기 때문에 시편의 장착 및 기기의 준비에 특별히 주의를 요한다. 시편장착은 시편의 끝단을 단단히 잡아야 하며 Negative stress ratio가 적용될 경우 Backlash가 없어야 하며 시편에 균일하게 하중을 전달하여야 한다. 또한 시편을 잡은 부분에 균열이 발생하면 안 된다. 시험기는 하중축이 잘 일치하여야 하며 하중Sensor는 적절하게 교정되어야 한다. 이 사안에 대한 것은 E647본문이나 E 4, E 466, E 467, and E 606에 거론되었다.

X3.6.2 어떤 Small-crack 시편형상은 균열증가에 따라 비대칭이 되며(예로서 X3.7.1.4의 Corner crack specimen) 결과로 Fixturing의 강성이나 본성에 따라 굽힘Moment가 발생하기도 한다. 따라서 Fixturing의 회전을 최소화 하는데 세심한 주의를 요한다.

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X3.6.3 거의 대부분의 Small-crack size 측정방법은(X3.5.3) 부수적인 특별장치, 즉 첨단전자장비, 현미경, 또는 다른 장비를 요한다. 이 장비들의 측정오차나 또는 균열성장에 인위적인 영향을 주는지를 검증하여야 한다. 따라서 Small crack 시험 전 작동에 대한 적절한 검증 및 교정에 매우 조심하여야 하며 균열길이의 측정에 직접적인 영향을 주는 장비의 민감성 및 정밀도를 측정하여 보고하여야 한다.

X3.7 시편형상 및 준비 X3.7.1 Specimen Design: X3.7.1.1 작은 피로균열에 대한 연구는 물리적인 균열크기가 매우 작은 동안의 균열의 생성 및 성장을 측정하여야 하는 조건 때문에 시편설계에도 영향을 미친다. 몇몇 작거나 짧은 균열시험을 위한 시편이 피로균열성장속도 Data를 얻기 위하여 개발되었다. 초기 시편들은 큰 균열을 가진 시편으로 준비되었으며 시험 중 시편의 일부를 제거하는 방법으로 물리적으로 작은 균열을 얻었다. 그러나 가장 넓게 사용되고 선호하는 방법은 자연적으로 표면 또는 Corner crack에서 균열이 시작하는 시편이다. 이런 균열의 조기 감지는 매우 작은 Starter notch를 가진 시편을 사용하거나 과도한 응력집중이 일어나지 않는 시편을 사용하면 가능하다. 몇 가지 추천하는 Small-crack시편은 Fig. X3.2에 도식적으로 나타내었다.

X3.7.1.2 사각표면균열시편, Fig.X3.2(a)는 인장 또는 굽힘하중에 사용한다. 균열관찰의 편리성을 위한 균열시작위치를 결정하기 위하여 최대 Outer fiber 응력이 아주 작은 부위에 집중되는 3점 굽힘시험을 사용한다. 대안으로는 적절한 반경을 가지고 줄어드는 단면을 가지는 시편을 사용한다. 비록 이런 방법들이 편리하다고는 하지만 Sampling효과(예로서 최악의 경우 시작 위치의 Biasing에 의하여 관찰이 불가능)에 의하여 자연적으로 시작되는 균열의 거동에 영향을 준다는 것을 알아야 한다.

X3.7.1.3 원통표면균열시편, Fig.X3.2(b)은 고전적인 일축피로시편과 동일하다. 이 형상은 특별히 시편의 모서리에서의 균열시작을 피하고 싶은 경우이나 큰 응력조건에서의 시험에 유용하다. 균열은 자연적으로 시작되거나 표면의 가공된 Notch로부터 시작될 것이다.

X3.7.1.4 Corner-crack 시편, Fig. X3.2(c)은 Engine disc(36,101)에서의 특정위치와 관련된 형상을 모사하기 위하여 개발되었다. 이 작은 Corner crack은 전기방전가공 방법으로 시편의 한 모서리에 가공하다. 이 시편은 균열길이(c) 및 균열깊이(a)를 시각적인 방법이나 사진 등을 통하여 동시에 관찰할 수 있는 장점이 있다.

X3.7.1.5 Semi-circular edge notch를 가지는 Surface 또는 Corner crack시편, Fig. X3.2(d)는 재료의 결함에서 자연적으로 발생하는 균열 및 구조물의 Bolt hole에서와 유사한 3-D 응력조건(102)을 통하여 균열이 진행되는 것을 만들기 위하여 개발되었다.

Fig.X3.2: Schematic of Commonly Used Small Crack Specimens X3.7.2 균열시작위치 X3.7.2.1 전기방전가공이나 얇은 Cutoff wheel을 이용하여 시편에 작은 인위적인 흠집을 만들 수 있다. 이러한 방법들은 Notch 끝부분에 영향을 줄 수 있기 때문에 사전 Precrack을 내어 Notch 효과를 없애야 한다. 최소 Precrack길이는 균열선단 반경의 2배 이상이어야 한다.

X3.7.2.2 자연발생적인 Small fatigue crack(X3.7.1.2)를 위한 시편의 형상은 균열측정 방법인 복제법 또는 Microphotography 방법을 적용할 수 있도록 균열이 시작되는 부분이 결정되도록 설계한다. 이런 자연적인 작은 균열은 일반적으로 Inclusion particles, Voids, Scratches 또는 Deformation bands로부터 시작한다. 균열이 이런 영역에서 시작하도록 하기 위하여 시편의 모서리들은 Burr가 없도록 잘 처리하여야 한다. 이런 종류의 시편에서는 처음 균열이 발견되면서부터 즉각적으로 의미 있는 균열성장속도 Data를 구할 수 있다.

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X3.7.3 표면처리 X3.7.3.1 시편 가공에 따른 표면거칠기 및 표면근처의 잔류응력은 작은 균열성장 거동에 영향을 미치게 된다. 따라서 시험 전 제거하여야 한다. 부품들의 작은 표면균열의 성장속도는 제조과정에서 발생하는 잔류응력에 의하여 영향을 받고 실험실에서의 Small crack data의 응용에 영향을 줄 수 있다.

X3.7.3.2 일반적인 Milling(95)가공보다 현저히 낮은 잔류응력이 보고되는 방전가공 및 저응력 연마 공정이 추천된다. 만일 기계적인 Milling 공정을 사용한다면 필히 저응력 연마공정을 통하여 잔류응력을 제거하여야 한다.

X3.7.3.3 표면 Polishing방법은 가공공정에서 생기는 표면거칠기 및 잔류응력을 제거하고 시각적인 방법으로 균열크기를 측정할 경우에는 적절한 반사면을 제공한다. 표면 Polishing에는 전해polishing 및 화학polishing (94, 95) 두 가지 방법을 추천한다. 두 방법 모두 Polishing 하기 전에 500Grid Sand paper를 사용하여 연마하여야 한다. 연마재를 이용하여 수동으로 원하는 면이 될 때까지 Polishing을 하는 것이 일반적이다. 그러나 이 과정에서 잔류응력이 생기므로 이를 제거하기 위하여 화학적 부식이나 전해부식을 한다.

X3.7.3.4 시험 전 시편표면의 화학적 또는 전기적 부식은, 표면균열크기 측정에 광학적 또는 시각적 기기를 사용할 경우 미세조직이 균열거동에 어떤 영향을 주는 가를 알 수 있다. 그러나 어떤 재료에서는 균열선단 위치의 명확한 증거를 불분명하게 만들고 Small crack이 시작된 주요한 미세조직현상을 제거하기도 한다. 따라서 어떤 경우에는 자연적인 균열이 시작한 후에 부식을 하는 것이 비록 그 이후의 균열성장에 화학적 부식이 영향을 미치겠지만, 더 나을 경우가 있다.

X3.8 시험과정 X3.8.1 Small-crack 시험을 수행하는 자세한 과정은 특정시험방법이고 X3.5.3에서 거론된 이 방법에 대한 추가자료는 (84)를 참고한다. 일반적인 적용사항은 아래에 정리하였다.

X3.8.2 균열크기와 형상- 작은 피로균열의 발생과 성장은 종종 국부적인 미세조직과 형상에 의하여 결정되는 경우가 많으므로 균열크기 및 형상과 같이 시편의 미세조직, 열처리, 표면처리, 잔류응력상태 등도 실질적인 응용을 모사하여야 한다. 조사하는 균열크기와 형상은 시험방법의 선택에 가장 중요한 인자 중의 하나이다. 예로서 가장 작은 균열은 자연적으로 발생하며 이는 균열의 발생위치를 미리 결정하는 인위적인 균열시작점의 사용을 불가능하게 만든다. 비록 최소 확인 가능한 균열크기는 과학적인 면에서 관심을 가지지만 수명평가를 위한 Data는 실질적인 비파괴 방법으로 측정 가능하거나 예측 가능하거나 유효한계에 의한 최소균열의 Data이다. 이 영역의 균열크기는 다양한 실험방법에 의하여 더 확장될 것이다.

X3.8.3 Stress Level and Stress Ratio—시험의 응력과 Stress ratio의 선택은 중요한 고려사항으로서 실험적으로나 분석적으로 많은 영향을 가지고 있다. 많은 재료에서 항복응력(σYS)의 60% 수준에서 비교적 짧은 시간에 소량의 균열의 자연적인 발생이 일어나고 명목상으로 탄성응력 상태는 기존의 파괴역학의 이용을 허용하고 있다. 최대응력이 항복응력에 접근하거나 그 이상이면 다수의 균열이 생기며 관련된 분석방법도 소성변형과 유관한 방법으로 바뀌게 된다. 더욱이 선택된 Stress ratio는 균열시작에 요하는 시간에 극적인 영향을 준다. 결론적으로 Stress level 및 Stress ratio는 의도된 응용목적에 따라 결정된다.

X3.8.4 균열크기 측정 X3.8.4.1 가장 작은 균열크기에서 적절하게 군열성장을 기록하기 위해서는 자주 균열길이를 측정하여야 한다. 부가하여 몇 가지 측정방법에는 실시간 균열크기를 측정한다는 것이 실질적이지 못한 경우도 있어 예상하지 못한 현상을 잡기 위하여 자주 측정을 하기도 한다. 이는 특별히 가장 작은 균열크기의 경우에는 사실이며 이런 Data의 추천할만한 분석방법은 X3.9.2에 논하였다.

X3.8.4.2 표면 균열크기(2c)의 측정과 더불어 균열Driving force의 계산에는 균열형상에 대한 정보가 필요하다. 일반적으로 반타원형 균열형상을 가정하며 균열깊이(a)를 측정하여야 한다. 주어진 표면균열길이를 이용하여 균열 깊이를 추정하는 방법도 있으나 아직 균열형상을 직접적인 비파괴방법으로 측정하는 방법은 없다. 어떤 재료에서는 균열크기의 함수로 Crack aspect ratio를 개발하기 위하여 파단면 측정을 사용하는 것이 가능하다(94) 이 관계식은 균열Driving force계산에 사용할 수 있다.

X3.8.5 Controlled-ΔK Testing - Computer-automated applied ΔK control 상태에서 Small-crack growth를 관찰하는 것은 유용할 수도 있다. 이런 실험을 위한 주 요구사항은 연속적인 Small crack size의 입력 및 Computer control 하중에 따른 ΔK(또는 다른 관련계수) 계산을 위한 Aspect ratio 등이다. DcEPD 및 ISDG방법은 인위적인 시작위치로부터 ΔK-controlled small-crack growth시험에 적합하다(96, 103). SAW같은 다른 방법도 유사하게 자동화되었다. ΔK-controlled 시험은 특별히 일정한 ΔK조건에서 성장속도의 변화를 측정하는데 유용하다. 작거나 짧은 균열을 가지는 ΔK-decreasing 방법은 Large-crack 방법이 적용 불가능한 경우 종종 낮은 시험주기에서 낮은 균열성장속도의 특성을 신속히 측정할 수 있다.

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X3.9 계산 및 분석 X3.9.1 Calculation of ΔK: X3.9.1.1 유용한 많은 Small-crack 시험은 균열의 모양이 반 타원형이라고 가정하고 있다. 판재, 봉재의 내부, 표면, 모서리 등 다양한 경우에의 균열형상에 대한 Stress intensity factor는 참고문헌 104-106에 정리되었다. 일반적인 식은 아래와 같다.

ΔK = Fj ΔSi √πa/Q (X3.4) 여기서 ΔSi 는 일정한 Tensile stress range (i = t) 또는 Outer fiber bending stress range (i = b)이고, Q 는

elliptical crack shape factor, Fj는 다양한 Free-boundary condition의 영향을 반영하는 Boundary-correction factor이다. Fj 는 균열 주위를 따라 변한다는 것을 주의하여야 하며 이 의존성은 균열성장과정에 영향을 준다. 관례로 균열의 가장 깊은점에서 계산된 ΔK에 기반을 둔 반구형 균열형상 및 안정된 피로균열성장의 특성을 측정한다. 문헌상 어떤 K값은 Fig. X3.2에서 표시된 값과 다르다는 것에 주의하여야 한다(예로 판재의 Half-width w는 전체폭 W= 2w의 반임)

X3.9.1.2 작은 입도나 등방성 재료의 경우에는 반 타원형이라는 가정은 적절하게 보인다. 비록 매우 작은 균열의 형상은 국부적인 미세조직에 의하여 극적으로 영향을 받지만 균열이 성장함에 따라 반타원형 모양으로 다시 반구 모양으로 변하여 간다. 결정학적인 조직이 있거나 또는 없는 조대한 미세조직을 가지는 이방성 재료에서의 균열은 절대 반타원형으로 가정할 수 없다. X3.8.4.2에 기술하였듯이 정확한 ΔK 값을 구하기 위해서는 균열형상은 필히 기록되어야 한다. 비타원형 모양의 표면 또는 모서리 균열에 대한 Stress intensity factor를 추정하는 간단한 기법이 소개되었다(107). 일반적으로 비 타원형 균열형상은 국부적인 미세조직에 영향을 받는다. 이러한 균열의 통계학적인 본질을 볼 때 균열의 모양이 반타원형이 된다는 것은 어느 정도 타당하다.

X3.9.1.3 또 다른 문제는 작은 영역에서 다수의 균열이 시작된다는 것이다. 이런 균열들은 합쳐져서 하나의 길고 얕은 표면균열을 이룬다. 균열선단에 매우 가까운 응력장에서 반응을 시작하는 위치를 정의하는 기준이 제시되었다(94)

X3.9.1.4 인장/압축하중, R ≤0 조건 하에서 Crack driving force의 계산에는 관행적으로 인장영역의 Data 만을 사용하였다. 즉 ΔK = Kmax이 된다(E 647 본문의 용어 참조). 그러나 균열닫힘을 고려할 때 이는 매우 복잡하게 되어 기존의 ΔK = Kmax는 적당하지 못하게 된다. 많은 연구진이 균열닫힘 수준은 균열크기 (예로 108 참조)를 포함한 다양한 인자에 의하여 영향을 받는다고 보고하고 있다. 특별히 균열열림응력은 작은 균열에서는 낮을 것으로 생각되며 어떤 조건에서는 명목상 압축응력상태에서도 열려있는 경우도 있다.

이 인자는 Large crack data(특히 작은 균열의 진전이 예상되는 ΔKth근처에서)의 유용성을 고려할 때 중요한 의문점을 일으킨다. X3.5.3에 기술된 몇 개의 균열크기측정기술, 특히 ISDG와 SEM은 균열닫힘을 측정하는데도 사용한다.

X3.9.2 균열성장속도의 계산 X3.9.2.1 균열성장속도를 결정하기 위한 균열크기 Data의 분석에는 특별한 고려사항이 필요하다. Large-

crack시험에서 균열크기를 측정하는 최소주기는 측정 정밀도의 10배로 규정하고 있다(E 647 본문의 Procedure 참조) 이는 특정한 균열길이의 주기로 균열성장 Data를 받거나 a−N data를 편집하여 원하는 주기, Δa 를 얻도록 하여야 한다. 이 과정의 어려움은 제거할 Data의 선택이다. Small-crack 측정기법의 정밀도는 거의 미세조직 크기 수준이다. 결과로서 본래 측정오차 이외에도 미세조직상 균열의 상호작용에 의하여 a−N (or 2c−N) data의 불연속성이 발생한다. 만일 최소 Δa를 Data의 편집기준으로 사용한다면 선택된 Data point는 균열이 국부적인 미세조직학적 방해물을 깨뜨리고 통과한 후 첫 번째 Point가 될 것이며 미세조직에서 균열지연을 나타내는Data는 없어질 것이다. 큰 균열 측정에 비하여 작은 균열 Data 주기는 주된 미세조직 효과를 측정하기 위하여 좀 더 작을 수도 있다.

X3.9.2.2 위의 지침에 따라 문헌상의 많은 Small-crack growth rate data는 줄지 않았고 많은 경우 da/dN계산은 측정오차에 의하여 심하게 영향을 받는 분산을 보이고 있다. 기본적인 문제점은 아래와 같이 정리된다. 균열크기를 측정하는 주기, Δa가 줄어들면 da/dN을 계산하는데 측정오차의 상대적인 기여도는 증가한다. 예로 균열측정값을 â = a +ε로 가정하면, 여기서 â는 측정된 균열크기, a는 참균열크기, ε 는 균열크기를 측정할 때의 오차이다. 두 개의 연속된 균열크기측정값(a1, a2) 사이의 균열성장속도의 Direct-secant 계산법은 아래와 같다.

ΔâΔ = (ε)(ε)

Δ = ΔΔ + Δε

Δ (X3.5)

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따라서 Δa/ΔN이 영점으로 접근함에 따라 오차 항 Δε/ΔN이 Δâ/ΔN값을 계산하는데 주 인자가 된다. Small-crack data는 종종 낮은 성장속도에서 얻어지므로, 균열증가의 차이가 매우 작고 그에 따라 측정오차에 따른 비정상적인 흐트러짐을 나타낸다. 따라서 Small-crack data는 이런 흐트러짐을 배제하거나 큰 균열에 사용하는 Standard incremental polynomial regression 의 수정본(예로 95)을 사용한다. 다른 Data 분석과정을 사용할 경우 역시 균열속도에서의 분산에 지대한 영향을 미치는 것을 숙지하여야 한다(109)

X3.10 보고서 X3.10.1 E 647의 본문에 이미 기술된 보고지침은 Small crack 시험을 위한 시험과정에서도 적용된다. 부가하여 균열의 굽힘 및 비틀림 정도, 균열성장의 비대칭성, 균열의Driving force를 계산하는데 사용한 균열의 형상 등을 제공하는 것이 종종 유용하다. 균열크기를 하중축에 수직인 면에 투영된 함수로서 나타내는 것이 관례이나 이 면에서 심하게 벗어나는 것은 보고서에 기록하여야 한다. 균열시작방법이 추후 균열성장에 지대한 영향을 미치므로 시험조건 및 균열이 시작되는 총 횟수 등이 균열길이와 더불어 기록되어야 한다. 균열크기측정방법의 추정되는 분해능, 균열성장속도를 계산하는 Data 분석방법, 적용된 특정 K 등이 기술되어야 한다.

X3.11 정밀도 및 편차 X3.11.1 E 647 의 일반적인 지침을 적용한다. Small crack data는 균열크기측정오차를 유발하기 때문에, 본 부록의 X3.9.2에 기술한 내용에 대하여 특별한 고려를 하여야 한다.

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