www.randb.co.kr, [email protected]BS 7448: Part 2: 1997 Fracture mechanics toughness tests Part 2: Method for determination of K Ic , critical CTOD and critical J values of Welds in metallic materials R&B Inc. 편집자 주 ▪ 본 한글 본은 R&B Inc. 내부재료로 일부 용어는 표준용어가 아닐 수 있고 해석이 자의적일 수 있음을 고지합니다 ▪ 전문용어는 이해가 쉬운 경우 원래 영어단어 사용을 원칙으로 합니다. ▪ 일부 회사가 자신들의 재료처럼 가공하여 사용하는 경우가 있어 아래와 같이 법적 책임을 밝혀둡니다. ▪ 본 자료는 R&B Inc. 지적재산권으로 무단사용 시 민/형사상의 책임이 따를 수 있습니다.
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Fracture mechanics toughness tests Ic, critical CTOD and ...
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BS 7448: Part 2: 1997 Fracture mechanics toughness tests Part 2: Method for determination of KIc, critical CTOD and critical J values of Welds in metallic materials
R&B Inc. 편집자 주
▪ 본 한글 본은 R&B Inc. 내부재료로 일부 용어는 표준용어가 아닐 수 있고 해석이 자의적일 수 있음을 고지합니다
▪ 전문용어는 이해가 쉬운 경우 원래 영어단어 사용을 원칙으로 합니다.
▪ 일부 회사가 자신들의 재료처럼 가공하여 사용하는 경우가 있어 아래와 같이 법적 책임을 밝혀둡니다.
▪ 본 자료는 R&B Inc. 지적재산권으로 무단사용 시 민/형사상의 책임이 따를 수 있습니다.
BS 7448: Part 2: 1997 Fracture mechanics toughness tests Contents Page 1 Scope 2 References 3 Definitions 4 Symbols and designations 5 Principle 6 Choice of specimen design, orientation and notch location 7 Pre-machining metallography 8 Machining 9 Specimen preparation 10 Test procedure for KIc, CTOD (or d) and J tests 11 Post-test metallography 12 Post-test analysis 13 Test report Annexes A (informative) Example notch locations B (informative) Example of pre-test metallography C (informative) Example of post-test metallography D (informative) Residual stress modification and precracking technique E (normative) Assessment of Pop-in Figures 1 Test method flow chart for BS 7448: Part 2 2 Crack plane orientation code for Welded fracture toughness specimens (defined relative to Weld direction) 3 Proportional dimensions and tolerances for rectangular section bend specimens and square section bend specimens 4 Acceptable tolerances for misalignment, distortion and curvature in single edge notch bend specimens 5 Method for straightening bend specimen blanks 6 Notch placement procedure using construction lines in a through thickness notched specimen 7 Notch placement procedure in a surface notched specimen 8 Post-test sectioning procedure to identify microstructure at fatigue crack in a through-thickness notched specimen 9 Post-test sectioning of a surface notched specimen 10 Measurement of s in an SM surface notched specimen 11 Definition of h and 2h in double and single sided Welds A.1 Examples of Weld positional (WP) notch locations A.2 Examples of specific microstructure notch locations B.1 HAZ adjacent to columnar Weld metal for idealized notch line on macro-section B.2 Microstructural map of HAZ adjacent to columnar Weld metal C.1 Post-test microstructural map at the crack tip of a specimen notched into the HAZ in a carbon manganese steel D.1 Alternative local compression treatments E.1 Measurement of Dapop E.2 Post-test sectioning procedure for identifying fracture initiation microstructure in a through-thickness notched specimen E.3 Post-test sectioning for identifying fracture initiation microstructure in a surface notched specimen E.4 Measurement of d1 (along crack front) and d2 (not along crack front) microstructure in section taken from through-thickness notched
specimens (slice B in figure E.2) E.5 Measurement of microstructure d1 and Dapop in section taken from a surface notched specimen, see figure E.3 (example given for HAZ)
2개 이상 부품이 열 또는 압력에 의해 결합되어 부품 사이 금속 특성이 연속성을 유지하는 작업.
용융온도가 Parent material 금속과 동일한 Filler 금속 사용 유무에 무관.
3.16 Weld
용접하여 만든 금속
3.17 Weld metal
모든 금속은 용접을 하는 동안 녹아 용접에 잔류.
3.18 Parent metal
용접에 의해 결합되는 금속.
3.19 Heat-affected zone (HAZ)
용접 열에 의해 야금학적으로 영향을 받는 Parent 금속 영역.
3.20 Fusion line (f)
용접금속과 열 영향 지역 사이의 교차점.
3.21 Weld positional (WP)
기준선과 관련하여 정의된 피로균열선단의 목표 위치(예: 그림 A. 1 참조)
3.22 Specific microstructure(SM)
피로균열선단의 목표 미세구조(예: 그림 A. 2 참조)
3.23 Weld width (2h)
균열평면에 수직으로 측정한 피로균열선단 위치에서 용접의 인접한 융해선 사이의 최단거리(그림 11 참조)
3.24 Specimen blanks
Notching 전 용접으로부터 준비된 시편.
3.25 Post-Weld heat treatment
잔류응력을 줄이거나 용접 특성을 수정하기 위해 용접 후 열처리.
4 Symbols 및 명칭
본 BS 7448에는 다음 symbols 과 명칭을 사용
a nominal crack length, in mm ao weighted average original crack length, in mm (see BS 7448 : Part 1) B specimen thickness, in mm BN net specimen thickness after side grooving, in mm d1, d2 lengths of microstructural features associated with Pop-in, μm F applied force, in kN Ff maximum fatigue precracking force during the final stages of fatigue crack extension, in kN GCHAZ grain coarsened HAZ HV Vickers hardness values Jc critical J at the onset of brittle crack extension or Pop-in when Da is less than 0.2 mm Jm value of J at the first attainment of a plastic maximum force plateau for fully plastic behavior Ju critical J at the onset of brittle crack extension or Pop-in when the event is preceded by Da equal to
or greater than 0.2 mm Kf maximum fatigue stress intensity factor applied during the final stages of fatigue precrack N normal to Welding direction P parallel to Welding direction Q Weld thickness direction Rp0.2 0.2 % proof strength at the temperature of the fracture test, in N per mm
2 or Mpa
Rp0.2b 0.2 % proof strength for the base material at the temperature of the fracture test, in N/mm2 or Mpa
Rp0.2w 0.2 % proof strength for the Weld metal at the temperature of the fracture test, in N/mm2 or Mpa
Rm tensile strength at the temperature of the fracture test, in N per square mm or Mpa Rmb tensile strength of the base material at the temperature of the fracture test, in N/mm
2 or Mpa
Rmw tensile strength of the Weld metal at the temperature of the fracture test, in N/mm2 or Mpa
s distance between crack tip and target area measured in the crack plane, in mm S span between the two outer points in a three point bend test, in mm T fracture toughness test temperature, in degrees centigrade W specimen width, in mm X direction parallel to primary grain flow of Parent metal Y direction transverse to primary grain flow of Parent metal Z direction through the thickness of Parent metal δc critical CTOD at the onset of brittle crack extension or Pop-in when Δa is less than 0.2 mm, in mm δm value of CTOD at the first attainment of a maximum force plateau for fully plastic behaviour, in mm δu critical CTOD at the onset of brittle crack extension or Pop-in when the event is preceded by Δa equal to
or greater than 0.2 mm, in mm Δa stable crack extension, including SZW, in mm
Δapop maximum length of brittle crack extension associated with Pop-in, in mm λ length of specific microstructure measured in pre- or post-test metallography, in μm
5 원리
용접에서 채취한 Notch 시편의 파괴인성 측정절차를 규정.
(i) Notch가 특정 용접 형상, 즉 용접위치(WP)
(ii) 최종 균열선단 위치에서의 Target 미세구조물, 즉 특정 미세구조물 (SM)과 관련한 경우를 다룬다.
목표 미세구조가 존재하고 시험하기에 충분한 양을 확인하기 위해 용접부의 금속 조직검사를 포함.
시편 형상과 Notch 배향이 선택되고 피로균열이 제어된 한계 내에서 교대로 작용하는 힘을 가하여 Target
미세구조로 확장. 직선 균열을 성장시키고 용접 잔류응력이 용접 이음 부 또는 부분 응력완화 용접의 결과에
미칠 수 있는 영향을 최소화하기 위해 피로균열 Cracking 조건 수정이 필요.
파괴인성 시험은 BS 7448: Part 1 또는 Part 4에 따라 수행 및 평가되지만 파괴인성 (12.3 참조) 및 Crack front
직진도(12.4 참조)의 계산에 대한 이 표준의 추가 요구사항이 적용.
최종 균열선단이 목표 미세구조에 위치 여부와 선입관의 중요성을 결정하기 위해서 사후 미세조직 분석 필요.
이 절차에 사용된 방법은 그림 1에 요약.
6 시편설계, 방향 및 Notch 위치 선택
6.1 Notch 가공을 위한 영역 분류
WP 시험을 위해 선택된 시편은 기준위치(예: 용접금속 중심선)에 대해 정의된 용접영역을 시험하기 위해 지정.
SM 시험을 위한 시편은 시편두께 중앙 75 % 내에서 Crack front 길이의 전체 또는 일부를 따라 특정 미세구조
를 Sampling.
NOTE: WP 및 SM Notch 위치의 예는 부록 A참조.
6.2 시편설계
시편설계는 BS 7448: Part 1: 1991의 6.1 또는 BS 7448: 6.1의 6.1에 정의된 Compact tension (CT) 또는 Single
edge Notch bending (SENB) 형상이며 Plain sided 또는 Side grooved
NOTE 1. 시편 치수 공차는 일반 금속재료 시험 때 보다 완화. 8.1 참조.
시편은 용접부에 인접한 Parent material 의 전체 두께(Weld overfill 두께 제외)와 동일 치수 B.
B는 그림 2의 방향 Q에서 측정.
NOTE 2. BS 7448 Part 1: 19911의 5.1.2의 조건을 만족하면, Sub 크기(즉, B <그림 2의 방향 Q의 두께) 및 Side
groove 시편 허용. Sub-sized 및 Side Groove 시편은 크기 영향으로 인해 상이한 미세구조 영역이
시험되기 때문에 전체 두께 시편과 다른 파괴인성 값을 제공.
6.3 시편 및 균열 평면 방향
용접방향에 대한 시편 및 균열 면 방위는 그림 2에서 설명한 식별 시스템을 사용하여 정의.
7 사전가공 미세조직
7.1 Macro 절편의 미세조직 평가
Notch 목표 영역이 SM으로 정의될 때, Macro 단면은 용접 방향에 수직 단면으로 준비.
시편 미세구조가 예상되는 균열선단 위치에 있고 시험에 적합하도록 시험할 용접길이를 경계위치에서 최소한
2개를 준비. Macro 절편은 조직검사를 위해 연마되고 부식하며 파괴인성 시편 제작 전 목표영역 식별에 적합
한 배율로 검사.
Macro 절편위치를 기록.
거시적 부분의 검사는 관통 Notch가 있는 시편의 균열선단이 두께의 중앙 75 % 내에 있는 목표 영역에 있는
지 결정에 사용. 표면 Notch 시편을 사용하는 경우, 목표영역은 최종 균열선단보다 0.5mm 이상 앞서야 한다.
규정된 미세구조가 존재하지 않거나 신뢰성 있게 시험할 수 있는 양이 충분하지 않거나 균열선단 위치 공차를
달성할 수 없는 경우, 용접은 SM 기준에 대한 시험에 부적합한 것으로 제한(용접이 거부된 경우 대상 영역 기
준을 수정하거나 새 용접을 준비)
7.2 열 영향 영역 시험에 대한 추가 요구사항
가시적으로 변형된 HAZ에서 목표 부위가 SM인 경우, 7.1 시험과 더불어 다음 미세조직 시험이 연마되고 부식
된 Macro 검사에서 수행.
시험은 목표 미세구조가 두께의 중앙 75 % 내에 있고 시험을 위해 충분한 양으로 존재하는지 평가하기 위해
균열선단 위치를 따라 수행.
측정된 미세구조의 위치와 길이는 지도 형태로 제시(예는 부록 B).
Map은 목표 미세구조의 위치를 보여주는 완전한 Macro 검사 두께를 포함하도록 제작.
목표 미세구조의 백분율은 시편 판 두께의 중간 75 %에 대해 계산.
표면 Notch 시편이 명시된 경우 거시적 부분은 BS 7448: Part 1: 1991의 6.4.7 또는 BS 7448: Part 4: 1997의
7.4.6에 정의된 ao/W 비율 내에서 목표 미세구조가 존재함을 확인하기 위해 검사.
목표 영역 내 피로균열선단의 위치에 대한 용접의 적합성을 평가. SM 판정 기준에 대한 피로균열선단의 배치
N = Normal to Weld direction P = Parallel to Weld direction Q = Weld thickness direction First letter: the direction normal to the crack plane Second letter: the expected direction of crack propagation A subscript X or Y is added to the N direction to indicate whether this direction is parallel or transverse to the primary grain flow direction in the Parent material when testing the HAZ, e.g. if N is parallel to the primary grain flow direction, the NP specimen is defined as NXP, and NYP if the primary grain flow direction is perpendicular to N. Specimen orientations NP and PN shall be referred to as through-thickness notched, whilst specimen orientations NQ and PQ shall be referred to as surface notched.
Figure 2: Crack plane orientation code for Welded fracture toughness specimens (defined relative to Weld direction)
Loading 지점에서 3점 굽힘 시편의 왜곡을 야기하는 Ligament 후면의 Bulging 은 기계 가공으로 제거.
NOTE2: 경험에 의하면 1 % B의 전체 변형은 일부 용접 및 재료에 비해 너무 클 수 있으며 보다
적은 균열 앞부분은 적은 양으로 얻을 수 있다. 최적조건 수립을 위해서는 시험이 필요.
NOTE: 3. 국부 압축은 용접 후 열처리로 응력을 완화한 용접에는 불필요.
용접 후 열처리는 용접의 최종 상태가 열처리된 상태에 있는 경우에만 시편에서 수행.
어떤 열처리도 사전 피로균열 전에 완료.
D. 3 Reversed bending
종래의 피로균열 이전에 가공 Notch (즉, 시편의 역방향 굽힘)를 압축하기 위해 Loading[3]. 그 목적은 Notch
뿌리에 재료를 소성 변형시켜 일정한 인장 잔류응력 발생. 이는 단일 Edge Notch 굽힘 시편의 Notch 측면에
적용되는 굽힘 하중의 단일 사이클을 사용하여 수행. 이 '역방향 굽힘 하중'의 최대 값은 다음 식에 의해 결정.
Krb is the reverse bend stress intensity factor; L is the notch constraint factor (typically 2.3 for a rectangular specimen); ωrb is the plastic zone size resulting from reverse bending.
경험은 역방향 굽힘이 항상 성공적이지는 않으며 피로균열선단 위치에서 잔류응력의 수준을 크게 감소시키지
않음을 나타낸다[4]. 잔여 응력의 존재는 시험결과에 영향.
D. 4 Stepwise high R-ratio
Stepwise high R-ratio technique [5]에서, 피로균열은 각기 다른 피로응력 비(R)의 두 단계로 구성.
제 1 단계의 경우, 피로균열이 대략 1 mm 길이로 성장할 때까지 응력 비 R = 0.1 사용(즉, 종래의 R 값).
2 단계에서 R은 0.7로 증가하고 피로균열은 원하는 길이로 전파. 동일 Kf가 두 단계에서 사용.
NOTE: R> 0.1의 사용은 BS 7448 Part1: 1991의 6.4에 있는 피로균열 선행 요건과 불일치
경험에 따르면 높은 R- 비율 기법이 허용 가능한 직선 피로균열을 일으킬 수 있지만 피로균열선단보다
Ligament(W-a)의 잔류응력을 현저하게 감소시키지 않으며 시험 결과에 영향을 미칠 수 있다[4].
그럼에도 불구하고 이 기술은 두꺼운 부분의 고강도 강재 시험 및 국부 압축에 필요한 힘을 쉽게 얻을 수 없
을 때 국부 압축에 대한 대안으로 사용.
D. 5 낮은 균일 잔류응력의 증거
D. 5.1 일반 사항
이 규격의 요구사항을 충족하는 모든 시편에 대한 결과에는 예비 균열선단의 잔류응력이 낮은 균일한 수준에
있다는 증거가 포함. 기술 (D. 2, D. 3 또는 D. 4), 금속 및 용접 (D. 5.3 참조) 특정 조합에 대해 증거가 없는
경우, 잔류응력의 수준을 나타내는 희생시험을 D.5.2에서 설명한 대로 시편에서 수행
D. 5.2 희생 시험
D. 5.2.1 희생시험 (D. 2, D. 3 또는 D. 4)을 위한 시편 준비에 사용된 기술과 관계없이 초기 피로균열은 BS
7448: Part 1: 1991 6.4에 따라 시편 표면의 두 균열 길이 측정 값의 평균이 ± 0.05 mm로 측정될 때까지
R ≤ 0.1 및 Ff 로 추가 피로균열 ≥ [a +0.4(W-a)] ± 0,05 mm
D. 5.2.2 BS 7448: Part1: 1991 8.7.1절을 사용하여 피로균열 표면이 드러나도록 시편을 깨뜨린다
D. 5.2.3 원래 피로균열 (ao) 끝까지 가중된 9점 평균 균열길이는 BS 7448: Part 1: 1991. 8.7.2에 규정에 따라 측
정. 유사한 측정은 가중된 추가 피로균열 (aaf) 끝에 9 점 평균 균열 길이.
D. 5.2.4 Notch 끝 Un-cracked ligament 잔류응력은 다음 조건에서 허용 가능하게 낮고 일정한 것으로 간주
a) ao /W 값이 BS 7448 Part 1 및 Part 4의 해당 시편에 대한 허용범위 내
b) aaf≥ [a0 +0.4(W-a0)]
c) 3점 굽힘 및 Compact시편에 대한 KIc 시험 및 Compact시편에 대한 CTOD (또는 δ) 및 J 시험에서, ao에
대한 9점 균열 길이 측정 중 임의의 2개 사이의 차이는 ao ≤10 % ao , aaf ≤10 % aaf.
d) 3 점 굽힘 시편에 대한 CTOD (또는 δ)와 J 시험의 경우, ao에 대한 내부 7개 균열 길이 측정치의 차이는
ao≤20 % ao이고, 유사하게 aaf ≤20 % aaf.
D. 5.3 이전 발표 증거
Local compression technique (D. 2)이 사용되었고 D. 5.2.4의 ao에 대한 Crack front 직진성 요구 조건이 충족되
었을 때, 참고문헌[4]은 탄소 망간 강의 Multi-pass arc Welds 시편에서 낮은 균일 잔류응력의 필요한 증빙 자료
Figure E.4 Measurement of d1 (along crack front) and d2 (not along crack front) microstructure in section taken from through-thickness notched specimens (slice B in figure E.2)
Figure E.5 Measurement of microstructure d1 and Δapop in section taken from a surface notched specimen, see figure E.3 (example given for HAZ) List of references (see clause 2) Normative references BSI publications BRITISH STANDARDS INSTITUTION, London BS 7448 Fracture mechanics toughness tests
BS 7448: Part 1: 1991 Method for determination of KIc, critical CTOD and critical J values of metallic materials
BS 7448: Part 43)
Method for determination of fracture resistance curves and initiation values for stable crack extension in metallic materials
Informative references BSI publications BRITISH STANDARDS INSTITUTION, London BS 499 Welding terms and symbols BS 499: Part 1: 1991 Glossary for Welding, brazing and thermal cutting Other references [1] DAWES, M. G. Fatigue precracking Weldment fracture mechanics specimens.
Metal Construction & British Welding Journal, February 1971, pp.61-65 [2] TOWERS, O. L. and DAWES, M. G. Welding Institute research on the fatigue precracking of fracture
toughness specimens. Elastic plastic fracture test methods. ASTM STP 856, 1985, pp.23-46 [3] MACHIDA, S., MIYATA, T., TOYOSADA, M. and HAGIWA, Y. Study of methods for CTOD testing of
Weldments. Fatigue and fracture testing of Weldments. ASTM STP 1058, 1990, pp.142-156 [4] REEMSYNDER, H. S., PISARSKI, H. G. and DAWES, M. G. Residual stresses and fatigue precracking techniques for Weldment fracture toughness specimens.
Journal of Testing and Evaluation, November 1991, pp.416-423 [5] KOCE AK, M., SEIFERT, K., YAO, S. and LAMPE, H. Comparison of fatigue precracking methods for fracture toughness testing of Weldments Proc. Int. Conf. Welding 90Ð Technology, Material, FractureÐ GKSS, Geesthacht, Germany, October 1990. i.i.t.t International, France.