Surface Crack Detection in Compression of Pre Heat-Treated Steel (ESW90) Using an Acoustic Emission Sensor

음향방출센서를 이용한 선조질강(ESW90)의 압축실험에서의 표면 균열 발생 검출

Abstract

In the design of the metal forming processes, various types of ductile fracture criteria are used to predict crack initiation and to fabricate metallic products without any defects. However, the quantitative measurement method for determination of crack initiation is insufficient. It is very difficult to detect crack initiation in ductile metals with excellent deformability because no significant load drop is observed due to crack generation. In this study, the applicability of acoustic emission sensors, which are commonly used in facility diagnostics, to measure crack initiation during the metal forming process was analyzed. Cylindrical notch specimens were designed using the finite element method to induce a premature crack on the surface of pre heat-treated steel (ESW90) material. In addition, specimens with various notch angles and heights were prepared and compression tests were carried out. During the compression tests, acoustic emission signal on the dies and images of the surface of the notch specimen were recorded using an optical camera in real time. The experimental results revealed that the acoustic emission sensor can be used to detect crack initiation in ductile metals due to severe plastic deformation.

1. 서론

금속 소재의 소성가공 공정 중 발생하는 균열 생성을 예측하기 위한 다양한 형태의 연성 파괴이론이 도입되어 활용되고 있으나, 정확한 균열 발생 시점 판단을 위한 정량적 측정 방법이 부족한 실정이다[1~2]. 일례로 가공성이 용이한 연성 금속재료의 경우, 표면 균열 생성에 의한 하중 변화가 미미하고, 미세 균열의 발생시점에 대한 시각적 판별이 모호하므로 정확한 균열 발생 시점을 특정하기 어렵다. 공정 중 발생 가능한 균열 생성을 예측하고, 제품불량을 방지하기 위해서는 예측정밀도가 우수한 연성파괴모델의 개발에 앞서 균열 생성 시점을 정량적으로 판단할 수 있는 측정방법의 개발이 우선적으로 요구된다.

한편, 고체 물질의 내부구조의 변화로 인해 발생하는 음향파동을 측정함으로써 구조물의 건전성 검사, 저장탱크의 누수 검사 등 실시간 비파괴 검사방법에 활용되고 있는 음향방출센서(acoustic emission sensor)는 최근 전위의 이동, 쌍정 생성, 항복, 균열 생성 및 전파 등 다양한 금속 소재의 소성변형 중 발생하는 현상의 측정이 가능한 것으로 보고되고 있다. Dornfeld와 Diei[3]는 A7075-T6 알루미늄합금의 압축실험에 음향방출센서를 활용하여 균열 검출에 적용하였고, Chang[4]과 Moghadam 등[5]은 각각 AZ31 마그네슘합금의 인장실험과 316L 스테인리스스틸의 인장벤딩실험에 적용하여 소성변형 및 균열 발생과 음향방출신호의 관계를 분석한 바 있으며, Behrens 등[6]은 압연강판의 드로잉 공정에 음향방출센서를 활용하여 파단 발생을 연구한 바 있다.

본 연구에서는 냉간성형성이 우수하여 균열의 발생을 특정하기 힘든 선조질강(pre heat-treated steel)의 일종인 ESW90에 대하여 소재 내부의 변화를 실시간 측정이 가능한 음향방출센서를 사용한 압축 시험을 통해 선조질강의 소성가공 공정 중 미세 균열 발생 시점의 정량적 검출 가능성을 확인하고자 하였다. 선조질강은 저탄소강의 고주파유도가열 퀜칭-템퍼링(QT) 열처리를 통해 미세조직을 제어함으로써 높은 강도와 우수한 냉간성형성을 가진 소재이다[7]. ESW90의 우수한 냉간성형성으로 인하여 압축 시험에서의 인위적인 조기 균열 발생을 유도하기 위해 유한요소해석 및 연성 파괴모델을 이용하여 시편의 노치(notch) 형상을 설계하였으며, 다양한 형태의 노치 시편을 제작하여 압축 시험을 수행하였다. 소재의 압축변형 중 발생하는 하중 변화 및 음향방출신호를 측정함과 동시에 광학카메라를 이용해 노치부위의 균열 거동을 측정하였고, 각 방법에 따른 균열발생시점을 상호 비교함으로써 음향방출센서를 이용한 균열 검출 가능성을 확인하였다.

2. 음향방출

2.1 음향방출의 원리

음향방출은 Fig. 1과 같이 외부 하중이 가해지는 고체에서 내부구조변화로 인한 변형에너지의 일부가 탄성파의 음향파동형태로 방출되는 현상을 말하며, 이를 센서로 검출하고 평가하는 것을 음향방출법이라 한다. 음향방출법은 대상체의 상태가 아니라 외력에 의한 손상 중에 발생하는 신호를 측정하는 비파괴검사 방법 중 하나로, 전형적인 음향방출의 원인으로 전위 이동, 쌍정 생성, 항복, 균열 생성 및 전파, 상 변화, 마찰 또는 부식이 있다[8~9].

Fig. 1 Principle of acoustic emission (AE)

음향방출센서는 힘을 가하면 전하를 발생하는 특성을 가진 압전소자를 이용해 초음파 영역의 음향방출파를 전압 신호로 변환시켜 출력하는 센서이다. 음향방출센서는 Fig. 2와 같이 신호를 받아들이는 수신 판과 압전소자, 커넥터로 구성되어 있으며, 사용되는 압전소자의 재료로 티탄산 지르콘산 납(PZT)이 주로 사용된다. 또한, 음향방출센서는 공진형과 광대역형으로 나누어지는데 공진형은 검출 소자의 공진을 이용해 특정 주파수에서 높은 감도를 가지며, 광대역형은 음향방출파가 반사되지 않고 댐퍼재로 빠져나가도록 설계하여 넓은 범위의 주파수에서 적당한 감도를 가질 수 있도록 제작된다[10].

Fig. 2 Structure of AE sensor: (a) Narrow band resonant sensor, (b) Wide band sensor

2.2 음향방출신호 분석

센서를 통해 계측된 음향방출신호는 대상체의 균열 발생 및 신호 발생원의 파악을 위해 Fig. 3과 같이 측정된 신호의 파형을 추출하여 하나의 히트(hit)로 정의하고, 신호변수들을 분석한다[8]. 임계값(threshold, U_t)은 주로 노이즈 제거를 위해 설정하는 값으로 설정값 이상의 신호만 받아들여 주변의 소음을 제거한다. 도착시간(arrival time, t_a)은 음향방출신호가 최초 임계값을 넘어선 지점으로 음향방출신호의 시작을 정의하는 값이다. 상승시간(rise time, t_r)은 음향방출신호가 시작되고 최대 지점까지 도달하기위해 걸린 시간으로 균열 발생 신호로 판단할 때 사용된다. 주로 상승시간이 짧고 최대 진폭(U_max)이 큰 형태의 파형을 균열 발생 신호로 간주한다.

Fig. 3 Parameters of AE signal

최대 진폭은 한 히트에서 음향방출신호의 최대 전압이며, ISO 규정 21716:2001(en)에 따라 음향방출의 최대 진폭의 단위로 dBAE를 사용한다. dBAE는 1 μV 기준으로 최대 진폭의 로그 측정값으로 무차원 단위이며 식(1)에 따라 계산된다.

\(d B_{A E}=20 \log _{10} \frac{A_{1}}{A_{0}}\)       (1)

이 식에서 A0는 기준 값인 1 μV이며 A₁은 측정된 음향방출신호의 최대 진폭 전압의 값이다.

음향방출신호는 대표적으로 연속형 신호와 돌발형 신호가 있으며, 연속형 신호의 주 발생원으로는 소성변형 및 전위 이동, 돌발형 신호의 주 발생원으로는 미소 균열의 생성 및 성장으로 알려져 있다. Fig. 4는 음향방출신호의 대표적 유형의 신호인 (a)연속형 신호와 (b)돌발형 신호의 파형이다[11]. 본 연구에서는 금속소재의 표면 혹은 내부에서 발생하는 균열을 검출하기 위해 돌발형 파형과 음향방출신호의 최대 진폭을 중점적으로 분석하였다.

Fig. 4 Representative types of AE signal waveform: (a) Continuous signal, (b) Bust signal

3. 노치 시편 설계

3.1 유동 응력 획득

ESW90 소재의 유동응력을 획득하기 위해 지름 10 mm, 높이 15 mm의 실린더 시편을 가공해 60%까지 압축하여 유동응력을 측정한 결과를 Fig. 5(a)에 도시하였다. 이후, 압축 시 균열 생성을 유도하기 위하여 Fig. 5(b)와 같이 깊이 1 mm, 각도 90°의 노치를 가공하여 70%까지 압축을 진행하였으나, 노치부위에 균열일 발생되지 않음에 따라, 조기 균열을 유도하기 위한 노치 형태의 설계가 요구되었다.

Fig. 5 Flow stress curve and notched specimen: (a) flow stress, (b) notched specimen, (c) compression of notch section

3.2 시편의 노치 형상 설계

본 연구에서 냉간 가공성이 우수한 선조질강 ESW90 소재의 압축 시험에 있어 표면 균열 발생을 유도하기 위해 시편의 길이방향으로 노치 형상을 부여하고자 균열 발생에 유리한 노치 형상을 결정하기 위해 Fig. 6와 같이 직경 10 mm, 높이 15 mm인 실린더형 시편을 기준으로 V-노치 실린더, U-노치 실린더 및 V-노치 링의 세 가지 시편 형상과 압축 시 노치가 새겨진 시편의 중간높이에서 원주방향으로의 변형을 최대화하기 위해 홈이 가공된 압축금형을 설계하였다. 이상의 세가지 노치시편에 대한 유한요소해석을 통해 최대 손상값이 발생하는 노치형상을 결정하고자 하였다.

Fig. 6 Designed specimens: (a) V-notch cylinder, (b) R-notch cylinder, (c) V-notch ring, (d) V-notch cylinder and grooved die

3.3 유한요소 해석

유한요소해석은 DEFORM-3D를 사용하였으며, 소재는 강소성체, 금형은 강체로 모델링하였다. 시편 형상별 동일한 압축률에서의 누적 손상값의 상대비교를 위해 Normalized Cockcroft and Latham의 연성파괴 기준인 식(2)를 사용하였다.

\(C_{1}=\int^{\overline{\mathcal{E}}_{\boldsymbol{f}}} \frac{\sigma_{1}}{\bar{\sigma}} d \bar{\varepsilon}\)       (2)

여기서, σ₁은 최대 주응력이며, 𝜎̅는 유효 응력, \(\bar{\varepsilon}_{f}\)는 유효 변형률이다[2].

설계된 노치시편을 10 mm까지 동일하게 압축해석을 수행한 후, 누적된 손상값을 Fig. 7에 도시하였다. 누적된 손상값은 (d) V-노치 실린더와 홈 금형, (c) V-노치 링, (a) V-노치 실린더, (b) R-노치 실린더 순으로 크게 나타났다. 동일한 깊이의 R-노치보다 V-노치가, 실린더 형상보다 링 형상이, 평평한 금형보다 홈 가공된 금형이 노치부위의 국부적인 인장변형을 유도함으로써 손상값이 크게 나타나는 경향을 보였다.

Fig. 7 Damage values for various types of notch specimens

따라서, 본 연구에서는 시편의 제작 용의성과 압축 시 손상값을 고려해 V-노치 실린더와 홈 가공된 금형으로 결정하였다. 또한, 음향방출센서가 다양한 시편형상에서 발생하는 균열 측정 가능성에 대한 검토를 위해 Table 1과 같이 노치의 각도 및 시편의 높이가 다른 다양한 형태의 시편을 설계하였다.

Table 1 Design parameters of specimen

Fig. 8 Notched specimens: (a) H15 A60, (b) H15 A75, (c) H15 A90, (d) H14 A90, (e) H16 A90

모든 시편은 직경 10 mm, 노치 깊이 1 mm로 고정하였으며, Table 1과 같이 시편 높이의 영향을 분석하기 위하여 노치 각도가 90°, 높이가 각 14 mm, 15 mm, 16 mm인 3종의 시편을 제작하였으며, 시편각도의 영향을 분석하기 위하여 시편 높이는 15 mm, 노치 각도가 60°, 75°, 90°인 3종의 시편으로 총 5종의 시편을 제작하였다.

4. 압축 시험 및 균열 검출

4.1 실험 조건

압축 시험은 Fig. 9과 같이 유압 피로시험기에 압축금형을 설치하고, 상부 금형에 접촉식 리니어 게이지(linear gauge)를 장착하여 압축 시험 시 변위를 정밀 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 균열 생성 시 발생하는 음향방출을 측정하기 위해 음향방출센서를 하부 금형의 상부면 및 측면에 장착하였으며, 노치부의 균열 발생을 시각적으로 관측하기 위한 광학 카메라를 피로시험기 앞에 설치하였다. 또한 실험 중 하중, 변위, 음향방출신호, 광학이미지를 변위를 기준으로 동기화함으로써 압축률을 기준으로 광학이미지와 음향방출신호의 변화를 상호 비교할 수 있도록 하였다.

Fig. 9 Equipment for compression test

유압 피로시험기는 MTS SYSTEM사의 MTS HighForce Servohydraulic Test Systems 311.32 1.2 MN를 사용하였으며, 리니어 게이지는 Magnescale사의 DK-25PR5 제품을 사용하였다. ESW90의 조기균열을 발생시키기 위해 금형의 상부와 하부에 각각에 직경 10 mm, 깊이 0.5 mm로 홈을 가공하였다.

음향방출센서는 MISTRAS사의 150kHz 공진형 센서 R15α와 광대역형 센서 WSα를 사용하였으며, 하부금형의 측면에는 공진형, 상부면에는 광대역형 센서를 부착하였다. 두 센서 모두 20/40/60 dB의 가변전치 증폭기를 40 dB로 사용하였으며, 2채널 AE시스템 데이터 보드인 PCI-2에 4채널 외부 신호 입력장치를 추가해 하중과 변위의 신호 수집하도록 하였다.

압축 시험은 0.1 mm/s의 속도로 진행되고 하중이 40톤에 도달하였을 때 정지되도록 설정하였다. 카메라의 촬영은 ARAMIS 프로그램을 이용하여 10 FPS로 이미지 획득과 동시에 변위의 데이터를 각 이미지에 저장되도록 설정하였다.

4.2 실험 결과

설계된 총 5종의 시편 모두 Fig. 10과 같이 압축변형이 진행됨에 따라 노치부의 원주방향 변형률이 증가함으로써 노치 표면에 과도한 인장 변형으로 인한 균열이 발생하였다.

Fig. 10 Compressed specimens: (a) H15 A60, (b) H15 A75, (c) H15 A90, (d) H14 A90, (e) H16 A90

Fig. 11은 기본 모델인 H15 A90 시편의 압축 변형 후 균열이 발생된 위치에서의 미세조직을 보여주는데, 원주방향으로의 과도한 인장으로 인해 발생한 균열이 시편의 노치 중앙부 표면에서 시편의 중심부로 진전됨을 확인 할 수 있다.

Fig. 11 Microstructure of cracked specimen

압축 시험 중 측정된 하중과 음향방출신호, 최대 음향방출신호가 측정된 시점(t₁)에서의 노치부 이미지, 가시적인 균열이 관찰되는 시점(t₂)에서의 노치부 이미지를 Fig. 12에 도시하였다.

Fig. 12 AE amplitude graph and image: (a) H15 A60, (b) H15 A75, (c) H15A90, (d) H14 A90, (e) H16 A90

압축하중은 변위에 따라 연속적으로 증가하며, 균열 발생에 의한 하중 변화는 관측되지 않았다. 음향방출신호는 초기 큰 진폭이 항복점 부근에서 발생한 후, 소성변형영역에서 일정한 진폭의 신호가 지속적으로 감지되었으며, 압축률 0.5 이상에서 추가적인 최대 진폭이 관찰되었다. 최대 진폭의 음향방출신호가 발생하는 시점(t₁)에서의 광학 이미지를 보면 육안으로 뚜렷한 균열의 생성이 발견되지 않았으나, 일정 변형 이후 시점(t₂)에서의 광학 이미지에서는 비교적 분산된 영역에서 발생한 균열을 육안으로 확인할 수 있었다.

본 연구에서 사용된 선조질강은 냉간가공성이 매우 우수한 소재로 표면에서 다발성 미세 균열이 발생함으로써 육안 상 균열발생시점을 특정하기 어려우나, 음향방출센서를 통해 측정된 최대 진폭의 음향신호가 육안으로 확인 가능한 가시적인 균열 발생 직전에 발생하고, 시편의 크기 및 노치부 형상에 따른 차이에도 불구하고 동일한 경향성을 가짐으로써 음향방출센서를 통해 미세한 균열발생신호가 측정된 결과로 판단된다. 

4.3 신호 분석

균열 발생의 시각적 관측을 위한 이미지와 음향방출신호 측정 결과의 비교를 통해 음향방출센서를 이용한 균열 발생 시점의 정량적 검출을 확인하기 위해 균열 발생 시점이라 판단되는 최대 진폭 신호의 파형을 분석하였다.

Fig. 13는 기본 모델인 H15 A90의 음향방출의 측정 결과 중 균열 발생 시점으로 판단한 신호(b)와 임의로 선택한 신호(c)의 파형을 비교하여 보여주고 있다. (b)는 앞서 언급한 균열 발생에 의한 돌발 신호형태의 파형을 띄고, (c)는 소성변형에 의한 연속 신호 형태의 파형을 띄고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 음향방출신호의 진폭 및 파형 분석을 통해 음향방출센서를 통한 균열 발생 시점 측정이 가능한 것으로 판단된다.

Fig. 13 Signal analysis of H15 A90: (a) AE amplitude, (b) Signal estimated to be crack initiation, (c) random selected signal​​​​​​​

5. 결론

본 연구에서는 음향방출센서를 이용하여 성형 공정 중 발생하는 선조질강 ESW90 소재의 미세 균열생성 시점에 대한 정량적 검출 가능성을 확인하기 위해 노치 시편의 압축 시험을 진행하였다. 실험 결과 하중, 음향방출신호, 이미지의 비교 및 분석을 통해 다음과 같은 결과를 확인하였다.

(1) 육안으로 구분되는 균열 관측 시점 직전에 최대 진폭의 음향방출신호가 검출되었으며, 연속적인 이미지 분석을 통해 균열 생성에 의한 음향방출신호로 추정 가능하다.

(2) 균열 발생 시점으로 판단된 음향방출신호의 파형 분석 결과 균열 발생에 의한 파형인 돌발형신호의 파형과 일치한다.

따라서, 본 연구에서는 음향방출센서를 이용한 균열 발생 시점의 정량적 검출이 가능함을 확인하였으며, 추가적으로 다양한 소재에 대한 연구가 필요하다.

후기

본 연구는 포스코 철강솔루션마케팅실 성능연구그룹의 지원으로 수행되었으며, 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.