A Study on the Measurements of Sub-surface Residual Stress in the Field of Linear Stress Gradient

선형구배 응력장에서 표층의 잔류응력 측정에 관한 연구

When a blind hole of small diameter is drilled in the field of residual stress, strain relieved around the hole is function of magnitude of stress, patterns of stress distribution and hole geometry of diameter and depth. Relieved strain coefficients can be calculated from FEM analysis of relieved strain and actual stress. These relieved strain coefficients make it possible to measure residual stress which vary along the depth in the subsurface of stressed material. In this study, the calibration tests of residual stress measurement are carried out by drilling a hole incrementally on the cantilever or on the tensile test bar. Residual stresses can be determined from measured strains around a shallow hole by application of power series method. For the sake of reliable measurement of residual stress, much efforts should be done to measure relieved strains and hole depth more accurately comparing with conventional procedures of gage subject to the external load. Otherwise linear equations converting strains into stresses may yield erratic residual stresses because of ill-conditions of linear equations. With accurate measurements of relieved strains, residual stress even if varying along the depth can be measured. It is also possible to measure residual stress in the thin film of material by drilling a shallow hole.

본 연구에서는 방전가공(electric disharge machining, EDM) 또는 공기연마 분사기(air-abrasive jet machine, AJM) 가공에 의하여 인장 시험편 또는 외팔보 시험 편에 구멍깊이를 증가시켜 가면서 구멍을 뚫었다. 여기에서 방저가공(EDM)을 채택한 것은 구멍깊이를 직접 계측하는 것이 가능하여 구멍깊이 측정 오차에 기인하는 잔류응 력 측정오차를 최소화 할 수 있기 때문이며, 공기연마 분사기를 채택한 것은 구멍을 뚫는 동안 가공응력을 유발시키지 않기 때문이었다. 위 인장 시험편 또는 외팔보 시 험편을 이용하여 균일한 응력장과 두께 방향으로 변하는 선형적 구배응력장을 구현하 고, 이 때 각각 구멍깊이가 다른 원통형 막힘 구멍으로 부터 이완되는 스트레인을 계 측하였다. Schajer가 제안한 멱급수법과 최소장승법을 적용하여 균일응력장 또는 구 배 응력장에서 측정되는 스트레인을 잔류응력으로 환산하였으며, 환산된 잔류응력과 실제로 작용하는 응력을 비교하므로서 이론적으로 제시된 멱급수법과 최소자승법의 타 당성을 실험적으로 검토하는데 본 연구의 목적이 있다. 이 때 얕은 구멍깊이 (0.3∼ 1.2mm)에서 측정되는 스트레인을 이용하여 Schajer의 제안에 따라 잔류응력을 산정하 므로서, 잔류응력 계측 대상 구조물을 가급적 덜파괴시키며 잔류응력을 측정할 수 있 는지 여부를 실험적으로 검토하였다.