연구배경
구조물의 건전성이나 수명예측을 하는데 미세균열의 존재는 매우 중요한 인자이다. 그러나 현재 비파괴평가기술이 탐지한계로 인하여 대부분의 탐지 가능한 균열은 이미 그 수명의 1/2이 지난 후에 발견된다. 따라서 이러한 현재 기술로 탐지 가능한 균열보다 작은 미세균열을 탐지할 수 있는 비파괴평가기술이 개발된다면 재료의 신뢰성이나 수명진단에 큰 도움이 될 것이다. 최근 암석, 뼈 또는 공학적 재료의 균열이나 손상을 비선형 음향효과를 적용하여 진단하는 방법이 개발되고 있다. 특히 재료의 음향 비선형성이 재료의 손상, 피로 균열 등에 대해 아주 민감한 파라미터로 인정되고 있다. 실험적으로 관찰되는 비선형 효과는 재료의 내재적 특성과 외부적 특성에 기인하는데 비선형 효과를 유발하는 재료 인자로: 1) 경년열화나 피로에 의한 disbonds, delaminations 또는 한개 또는 다수의 닫힌 균열; 2) 불완전한 grain 들의 접촉; 3) 원자간 포텐셜의 비대칭성을 유발하는 격자구조의 교란; 4) 내부응력에 의한 전위, 석출, 부정합; 5) hard matrix 에 포함된 soft matrix 개재물 등이다. 일반적으로 열린 균열은 비선형 효과를 나타내지 않는다. 재료의 열화나 손상에 의해 가장 먼저 나타나는 미세균열은 시편의 초음파공명 스펙트럼에 영향을 주기는 하나 그 크기가 매우 작아서 기본 스펙트럼 속에 묻혀버리기 때문에 표준화된 선형 초음파공명분광법으로는 구분하기 어렵다. 그러나 미세손상 또는 미세균열로 인하여 응력-변위 관계의 비선형성이 발생하며 이러한 비선형성은 시편에 가해지는 동적변위를 변화시킬 경우, 즉 초음파공명분광 가진 진폭을 변화시킴으로써 비선형적 관계를 도출해 낼 수 있다. 미세손상 정도가 클수록 비선형성이 커지므로 이러한 현상을 미세균열 진단에 활용할 수 있다. 이를 위하여 미세균열을 진단하기 위한 비선형초음파 장치를 구축하고 있다.
그림 1. 배관 미세균열 진단용 비선형 초음파 공명장치
그림 2. crack 길이와 비선형 초음파 공명진동수와의 상호관계