R-곡선(R-Curve)

1. 서론

취성파괴를 나타내는 재료에서 어떤 재료는 균열의 길이가 클수록 균열이 자라는데 더 큰 저 항을 나타내는 경우가 있다. 이런 거동을 R-곡선 (R-urve) 거동이라 부르며, 이러한 재료를 R-곡 선 재료라고 부른다.

R-곡선 거동은 균열의 길이가 길어질수록, 균열이 자라는데 미세구조와 반응하여 더 큰 에너 지를 필요로하기 때문에 일어나는 현상이다. 균열가교 (crack bridging)와 같은 현상이 재료의 파 괴저항성을 증가시켜 R-곡선 거동을 나타내는 원인이된다.

R-곡선의 증가하는 모양은 재료 강도값의 변화와 재료의 충격저항성을 나타낸다고 보고되어 졌다.1-3 따라서 R-곡선을 측정하고, 적당한 R-곡선 거동을 나타내는 재료의 개발은 신뢰성 있는 재료의 개발에 필수적이다. 본 실험방법은 각종 세라믹스의 R-곡선 측정법을 제시한다.

2. 이론

R-곡선의 측정방법은 여러 가지가 있으나, 가장 널리 사용되고 있는 방법은 압침/강도법 (Indentation/strength mthod)이다.1,4 파괴저항성 (fracture resistance, KR)은 균열확장(crack extension, △c)에 대해 다음 관계식을 따른다.

(1)

여기서 k와 m은 재료상수이다. 재료의 강도 (S)와 압입하중 (P) 간의 관계는 다음 관계식에 의해 주어진다.

(2)

여기서 α와β는 다음과 같이 정의된다.

(3)
(4)

(4)식에서 상수 γ는 다음과 같이 정의된다.

(5)

여기서 cI는 압침에 의해 생긴 초기 균열크기이다. 균열의 성장이 불안정해지는 균열길이 cT는 아 래와 같다.

(6)

R-곡선은 다음과 같은 방법으로 구할 수 있다. 여러 가지 하중에서 압침된 시편의 강도 값을 구하여 log(S)-log(P)의 도표에서 기울기와 절편으로 부터 상수 α, β를 구한다. 얻어진 α, β를 사용하여 (3)과 (4)식으로 부터 m 과 k를 구한다. 이때 γ는 (5)식을 사용하여 log(cI)-log(P) 도 표의 기울기로 부터 구한다. (1) 식을 사용하여 KR-△c 그래프를 그림으로서 R-곡선을 얻는다.

3. 실험기구 및 장치

만능 시험기
만능 시험기는, 크로스 헤드의 이동 속도를 일정하게 유지할 수 있는 적당한 재료 시험기 를 사용한다. 이 경우, 표시 하중의 정밀도는 참 하중의 ±1%까지 측정이 가능한 것을 사용 한다.

지지구
지점 및 하중점에 있어서 지지구는 탄성률 1.5×104㎏f/㎟ 이상을 갖고, 시험 중 소성 변형 및 파괴하지 않는 재질의 것으로, 그 끝부분의 표면 거칠기는 KS B .161(표면 거칠기)에 규정하는 1.6S 이하로 한다. 또한 지지구는 좌우 동일 모양으로 시험편의 폭 보다 큰 길이 를 사용한다.

마이크로 미터
마이크로 미터는 KS B 5202(외측 마이크로 미터)에 규정하는 외측 마이크로 미터 또는 이 와 동등 이상의 정밀도를 갖는 것을 사용한다.

버어니어 캘리퍼스
버어니어 캘리퍼스는 KS B 5203(버어니어 캘리퍼스)에 규정하는 최소 눈금 길이 0.05㎜ 또는 이와 동등 이상의 정밀도를 갖는 것을 사용한다.

Vicker's 압입기(Indentor)
하중을 4.9 N에서 490 N 까지 변화시킬수 있는 압입기를 사용한다.

4. 시험편 준비

시험편의 모양 및 치수
시험편은 그 치수가 3 X 4 X 40 mm 정도인 직육면체로 하는 것이 바람직하다. 이때 시험편 의 모서리는 둥글게 하거나 모떼기를 한다.

시험편 상하면의 거칠기
시험편의 상하면의 거칠기는, 원칙적으로 KS B 0161(표면 거칠기)에 규정하는 0.8S 이하 로 한다. 이 때 인장면 (4 X 40 mm)의 표면은 광학현미경으로 관찰 가능하도록 1 μm까지 연마한다.

시험편의 수
시험편의 수는 각 하중당 10개 이상으로 하는 것이 바람직하다.

5. 측정방법

Vicker's 압입기를 사용하여 압입하기 전에 究蛋纜