나노압입시험을 이용한 압입크기효과 특성화를 통한 가공경화지수 측정

Abstract

압입깊이가 감소함에 따라 측정되는 경도가 감소하는 현상을 압입크기효과라 한다. 압입크기효과는 압입깊이가 대략 마이크로 미터 수준 이하에서 명백하게 나타나고, 이의 근본적인 원인은 압입자 하부에 발생하는 기하학적필요 전위의 밀도 증가에 따른 경화 현상으로 이해되고 있다. 일반적인 금속소재는 소성 변형을 거치면서 누적되는 전위 밀도의 증가로 인해 가공경화 현상이 나타난다. 압입크기효과에서 기하학적필요 전위의 밀도 증가로 경도가 증가하는 현상과 소성변형을 거치면서 누적되는 전위의 밀도로 강도가 증가하는 현상은 전위가 발생하는 기본 메카니즘은 다르지만, 전위의 밀도 증가로 인해 재료가 경화되는 동일한 메카니즘을 따른다. 소재의 가공경화 정도를 대표할 수 있는 인자인 가공경화지수는 일반적으로 일축 인장 시험을 통해 측정된다. 일축 인장 시험을 수행하기 위해서는 대상 소재를 파괴해야 하고, 시험편의 일정 크기가 보장되어야 하는 문제로 인해, 비파괴적인 측정이 필요한 상황이나 박막/나노 소재와 같이 시험편의 크기가 충분치 못한 경우에는 일축인장 시험을 통한 가공경화지수 측정이 불가능하다. 시험편 준비가 비파괴적이고 나노미터 수준의 압입만 가능하여도 측정이 가능한 나노압입시험을 통해 측정되는 압입크기효과 특성 거리 수치로부터 가공경화지수를 유도하는 알고리즘을 개발하였다. 인장 시험과 나노압입시험을 통해 두 수치(가공경화지수와 압입크기효과 특성 거리)를 측정하고, 그들의 경험적인 관계와 이론적 모델링을 통해 두 수치의 관계식을 유도하였다.