계장화 압입시험시 표면조도를 고려한 접촉 형상 모델

Abstract

계장화 압입시험의 가장 근본적인 장점은 압입 이후에 별도의 압흔 관찰이 필요 없고, 얻어지는 하중-변위 곡선의 해석을 통해 접촉 깊이를 결정하는 것이다. 정확한 접촉 깊이의 결정은 측정되는 모든 물성에 크게 영향을 주기 때문에, 최대 하중 인가 시의 정확한 접촉 형상에 대한 이해가 필요하다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 접촉 깊이 결정식은 1992년에 Oliver와 Pharr가 제안한 식인데, 최대 압입 깊이에서 탄성 휨 깊이를 빼주는 형태이다. Oliver-Pharr의 접촉 깊이 식에서 가장 문제 시 되고 있는 부분 중 하나는 파일업과 싱크인 현상인데, 이 문제에 대한 연구는 1990년 후반부터 다양하게 진행되어 왔다. 다른 중요한 문제가 대상 재료 표면에 불가피하게 존재하는 표면 조도의 영향이다. 표면 조도에 해당하는 깊이가 압입깊이에 비해 무시할만하지 않다면, 계장화 압입시험 결과에 큰 에러 요인으로 작용한다. 계장화 압입시험이 적용되는 경우를 보면, 매크로 수준에서는 가동 중인 구조용 소재에 비파괴적인 방법으로 물성을 측정하기 위해서이거나, 나노-마이크로 수준에서는 박막, MEMS 구조물 등의 미세한 소재의 물성을 측정하기 위해서인데, 대부분 인위적으로 표면 연마가 어려운 상황이다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 표면 조도가 존재하는 경우에 접촉 깊이를 보정하는 수식을 제안하였다. 압입시험 시 압입자 하부의 소재는 원래의 표면 조도와 상관없이 평탄화 되는 현상에서 미세역학적 해석을 통해 수식을 유도하였다. 수식의 검증을 위해, 텅스텐과 니켈의 시편 표면에 인위적으로 다른 표면조도를 가지도록 연마하여, 경도와 탄성계수를 측정하였다. 표면 조도에 따른 경도와 탄성계수의 변화를 분석하였고, 본 수식의 적용을 통해 원래의 표면 조도와 상관없이 일정하게 분석되는 경도와 탄성계수의 결과를 획득하였다.