Current Issue

Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 29 , No. 4

[ Article ]
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 29, No. 3, pp.312-317
Abbreviation: Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng.
ISSN: 1598-2785 (Print) 2287-5476 (Online)
Print publication date 20 Jun 2019
Received 15 Jan 2019 Revised 07 May 2019 Accepted 07 May 2019
DOI: https://doi.org/10.5050/KSNVE.2019.29.3.312

초음파 펄스-에코 측정을 통한 열화 시편의 음향 비선형 특성 평가
조성종* ; 정현조 ; 신효정* ; 주영상**

Evaluation of Acoustic Nonlinearity of Heat-treated Specimens by Using Ultrasonic Pulse-echo Measurements
Sungjong Cho* ; Hyunjo Jeong ; Hyojeong Shin* ; Young Sang Joo**
*Dept. of Mechanical Engineering, Graduate School, Wonkwang University
**Member, SFR NSSS System Design Division, Korea Atomic Research Institute
Correspondence to : Member, Dept. of Mechanical Engineering, Wonkwang University E-mail : hjjeong@wku.ac.kr
‡ Recommended by Editor Won Ju Jeon


© The Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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Abstract

An experimental study was conducted to accurately measure the absolute nonlinear parameter (β) of damaged solid samples in a pulse-echo setup; the results are presented in this paper. Artificially aged Al 6061 specimens were used as the damaged specimens. To improve the amplitude of the second harmonic wave received in the pulse-echo mode with a stress-free boundary to a measurable level, we developed a dual element transducer in which the transmitter and receiver were separated. To measure absolute β, the transfer function was determined from the calibration experiment of the receiving transducer, and diffraction and attenuation corrections were made. The results of β measurement were presented as a function of the aging time, and the change in β were found to well represent the variation in the microstructure of the material owing to the change in precipitate.


Keywords: Acoustic Nonlinearity, Pulse-echo, Dual Element Transducer, Heat Treatment
키워드: 음향비선형, 펄스-에코, 이중 요소 탐촉자, 열처리

1. 서 론

음향의 비선형 효과의 발생과 이를 이용하는 비선형 초음파 비파괴평가 기술은 재료의 미세 구조 특성에 민감한 것으로 알려져 있으며, 기존의 선형 기법으로 평가하기 어려운 열화, 소성 변형, 닫힘 균열 등과 같은 재료의 손상 정도를 평가할 수 있는 기술로 주목받고 있으며, 활발한 연구가 진행되고 있다(1,2).

단일 주파수를 갖는 유한한 진폭의 탄성파가 매질 내부를 전파할 때 재료 물성의 비선형성으로 인하여 기본 주파수의 정수 배에 해당하는 고조파가 발생하게 되는데 이를 비선형 초음파라고 부른다. 특히, 피로, 열화, 크리프 등과 같은 재료 손상은 결정 격자의 비조화성, 전위 또는 석출 등의 미세구조 특성을 변화시켜 재료의 비선형성에 변화를 가져와 고조파의 발생에 영향을 미친다. 재료의 비선형성 또는 손상의 정량적 척도로서 기본파 주파수 성분과 2차 고조파 주파수 성분의 변위 진폭 크기로 정의되는 비선형 파라미터 β가 자주 측정되고 있다(3 ~ 6). β 측정에는 현재 대부분 투과법이 사용되고 있으며, 이 경우 시편의 양면 이용성, 송수신 탐촉자의 정렬 등의 문제로 인하여 실제 사용이 쉽지 않다. 또한 많은 경우에 회절 및 감쇠를 무시하고 상대적 개념의 비선형 파라미터를 측정하므로 그 적용이 매우 제한적이다. 이러한 이유로 기존 측정에서의 제약을 없애고 일반성과 실제 적용성을 갖춘 절대적 개념의 비선형 파라미터 측정기술 개발이 필요하다.

펄스-에코법은 현장 적용성을 개선하는데 있어 가장 적합한 측정법이라고 할 수 있다. 하지만, 단일 요소 탐촉자를 이용하는 펄스-에코법의 경우 다음과 같은 이유로 제2고조파가 거의 수신되지 않는다. 제2고조파의 발생 및 수신 과정을 살펴보면, 최초 송신 위치에서 수신되는 제2고조파는 다음의 두 가지 성분으로 구성된다. 하나는 반사하기 전 단계에서 전파된 기본파에 의해 발생한 제2고조파가 경계면에서 반사된 후 되돌아오는 것이며, 다른 하나는 반사된 후 원래 위치로 되돌아오는 기본파에 의해 발생하는 제2고조파이다. 이 두 가지 제2고조파는 반사면의 성질에 따라 상쇄 또는 보강 간섭을 일으킨다. 응력 자유 경계의 경우 반사 계수 R=−1에 의해 위상이 정반대가 되므로 상쇄 간섭이 일어나고 따라서 수신되는 제2고조파의 진폭은 거의 측정할 수 없을 정도로 작아진다. 또한 정확한 β값을 구하기 위해서는 회절 및 감쇠 보정이 필수적이다. 이러한 이유로 지금까지 고체 시편의 비선형 파라미터 측정에 펄스-에코법이 사용될 수 없었다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 이 연구진은 송신부와 수신부가 분리된 형태의 이중 요소 탐촉자를 개발하였으며, 이를 이용해 손상이 없는 알루미늄 시편에 대해 기존의 측정법인 투과법과의 비교 측정을 통해 그 타당성을 검증한 바 있다(7).

이 논문에서는 이중 요소 탐촉자를 이용하여 인공시효한 알루미늄 시편의 절대 비선형 파라미터 β를 펄스-에코법으로 측정하고, 열처리 시간에 따른 석출물의 생성, 진화 및 소멸에 의한 재료 미세구조 변화와의 상관관계를 관찰하였다.


2. 비선형 이론
2.1 비선형 파라미터

종파의 경우 절대 비선형 파라미터 β는 1차원 평면파동이 비선형 매질을 전파할 때 발생하는 기본파의 절대 변위와 제2차 고조파의 절대 변위의 함수로 식 (1)과 같이 정의된다(8 ~ 10).

β=8U2k2zU12(1) 

여기서 U1는 기본파 절대 변위 진폭, U2는 제2차 고조파 절대 변위 진폭, k는 파수, z는 전파거리이다. 상대 비선형 파라미터 β′는 수신된 신호 스펙트럼의 기본주파수 진폭 A1과 제2차고조파 주파수 진폭 A2의 함수로 식 (2)와 같다.

β'=8A2k2zA12(2) 
2.2 회절 및 감쇠 보정

절대 비선형 파라미터 β는 평면파 변위 해로부터 구해진다. 하지만 실제 파동은 빔의 회절과 매질의 감쇠 현상으로 이상적인 평면파에서 많이 벗어나게 된다. 이에 측정된 기본파 및 제2고조파 변위에 대하여 회절과 감쇠 효과에 대한 보정이 필요하다. 비선형, 회절 및 감쇠 효과를 모두 포함하는 Westervlet 파동 방정식 또는 KZK 방정식에 대하여 준선형 이론을 적용하면, 이전에 개발한 단일 탐촉자에 대한 기본파와 제2고조파의 변위 해 결과를 이중 요소 탐촉자로 확장 적용할 수 있다(11). 지면 관계상 회절과 감쇠 보정에 대한 자세한 내용은 생략하고 회절과 감쇠가 보정된 절대 비선형 파라미터 β를 정의하면 식 (3)과 같다.

β=8U2k2zU12D12D2M12M2(3) 

여기서 D1D2는 각각 기본파와 제2고조파의 회절 보정계수, M1M2는 각각 기본파와 제2고조파의 감쇠 보정 계수이다(12).


3. 열처리 시편
3.1 시편 제작

열처리에 의해 재료는 미세구조가 변하고 따라서 기계적 성질의 변화가 발생한다. 대표적인 예로서 알루미늄 합금은 금속간 화합물의 시효석출에 의해 강화된다. 시효석출은 퀜칭 조건, 열처리 조건(시간,온도)에 따라 재료의 강도와 경도에 영향을 주는 것으로 알려져 있다(13,14).

열처리를 진행하기 위해 두께 4cm의 Al6061 시편을 준비하였다. 열처리 과정은 Al6061에서 강도 증대를 위해 주로 사용되는 T6 열처리와 유사하게 진행하였다. Fig. 1과 같이 먼저 540℃에서 4시간 동안 용체화 처리 후에 2시간 동안 수냉처리 하였다. 수냉처리 후 220℃에서 시간을 달리하여 인공시효 처리하였다. 시편은 용체화 전 1개, 용체화 후 2개, 인공시효 14개로 총 17개를 준비하였다. 인공시효 시편의 상세 내역을 Table 1에 수록하였다.

Table 1 
Details of heat-treated Al6061 samples
No. Time (min) No. Time (min)
1 20 8 360 (6hr)
2 40 9 480 (8hr)
3 60 (1hr) 10 960 (16hr)
4 90 (1.5hr) 11 1440 (24hr)
5 120 (2hr) 12 2880 (48hr)
6 180 (3hr) 13 5760 (96hr)
7 240 (4hr) 14 8640 (144hr)


Fig. 1 
Heat treatment process

3.2 시편의 가공

비선형 파라미터 측정에 있어 시편의 표면 상태(평행도, 표면조도 등)는 측정값에 영향을 주는 것으로 알려져 있다(15). 특히 펄스-에코법은 경계에서 반사된 신호를 수신하고 이용하므로 경계면의 표면 상태가 매우 중요하다. 표면이 거친 경우 경계면에서 초음파의 산란으로 인해 수신 신호의 진폭이 감소하며, 따라서 β 측정 결과에 직접적인 영향을 미친다. 정확한 측정을 위해서는 시편의 표면 조건을 최대한 동일하게 맞출 필요가 있다. 이 연구에서는 시편 준비 과정에서 윗면과 아랫면이 서로 평행하도록 모두 기계가공을 실시하였고, 금속 연마제로 연마하여 표면 조도를 최대한 일정하게 유지하였다.


4. 비선형 파라미터 β 측정

β 측정 과정은 측정된 전기적 신호를 절대 변위로 변환하기 위한 수신부의 교정 측정과 제2고조파 측정의 2단계로 구성된다.

4.1 이중 요소 탐촉자

이 연구에서 사용한 이중 요소 탐촉자의 특징은 송신부와 수신부가 분리된 형태로서, Fig. 2와 같이 링 요소를 통해 송신하고 중앙의 요소를 통해 수신하게 된다. 송신부는 고전압 인가를 위해 중심 주파수 5MHz, 내경 0.5인치, 외경 1.1인치의 LiNbO3 압전소자를 사용하였고, 중앙의 수신부는 광대역 상용 탐촉자로 10 MHz, 직경 0.25인치를 사용하였다. 시험 중에 탐촉자와 시편 사이에 적절한 압력을 유지하기 위하여 3D 프린터로 플라스틱 하우징과 뚜껑을 제작하였으며, 상부의 뚜껑을 통하여 송·수신 요소에 압력을 가하였다.


Fig. 2 
Schematic illustration of a dual element transducer for nonlinear parameter measurement in pulse-echo setup with stress-free boundary

4.2 수신 탐촉자의 교정

전기적 신호를 변위로 변환하기 위해서는 수신 탐촉자의 전달함수를 구해야 한다. 전달함수 측정법은 Jeong et al.에 의해 제안된 교정법을 이용하였다(16). 수신 탐촉자의 교정을 위한 실험 개략도가 Fig. 3에 나와 있다. 수신 탐촉자에 들어가는 입력 전류 신호(Iin(ω))와 시편 내부를 전파 후 반사되어 나오는 출력 전류 신호(Iout(ω))를 측정하면 식 (4)와 같이 전달함수를 구할 수 있다.


Fig. 3 
Calibration measurement setups for acquiring the input and output currents

Hrω=50R12M1D1Iinρcω2SRIout(4) 

여기서, ω는 각주파수, ρc는 각각 시편의 밀도와 속도, R은 반사계수, SR은 수신 탐촉자의 면적이다. 수신한 전기적 신호로부터 절대변위는 식 (5)와 같이 구할 수 있다.

Aoutω=HrωIoutω(5) 

수신 탐촉자의 교정에는 광대역 펄서 리시버 (Panametrics 5052 PR)를 사용하고, 전류 신호의 측정은 1:1 전류 프로브 CT-2를 사용하였다.

4.3 제2고조파의 발생 및 측정

제2고조파의 발생 및 측정 장비 구성은 Fig. 4와 같다. 기본파와 제2고조파 성분을 효과적으로 분리하기 위하여 수십 사이클의 톤버스트 신호가 사용되며, 이를 위하여 함수 발생기(Agilent33250A)를 사용하였다. 고전압 인가를 위해 50dB의 신호 증폭기(E&I 2100L)를 사용하였다.


Fig. 4 
Harmonic generation measurement in pulse-echo mode

4.4 측정 결과

Fig. 5는 열처리 시간에 따른 비선형 파라미터의 측정 결과를 보여 준다. Fig. 5(a)는 회절 및 감쇠를 보정하지 않은 상대 비선형 파라미터 β′ 결과이며, 여기에 표시된 에러 바는 일련의 입력 전압에서 구한 β′ 값의 표준편차를 나타낸다. 전 구간에 걸쳐 평균값에 대한 최대 오차는 2%를 넘지 않는다. Fig. 5(b)는 회절 및 감쇠를 보정한 절대 비선형 파라미터 β 결과이며, β′ 값에 총 보정 값으로 약 6.4가 곱해져서 구해졌다. 에러 바는 따로 표시하지 않았다. Fig. 5를 참고하면 인공시효된 Al6061 시편은 시효시간 2시간에서 β의 최대값을 보인다. 이를 기준으로 인공시효 초기에는 시효 시간이 증가함에 따라 β값의 미소 증가와 감소 경향이 나타나며 최소값에 도달한 후 2시간에서 급격한 증가를 보인 이후부터 다시 비교적 급격한 감소와 완만한 증가 경향을 보여주고 있다.


Fig. 5 
Nonlinear parameter measurement results of heattreated Al6061 samples as a function of heat treatment time

이러한 β의 변화 경향은 인공시효 열처리 시간에 따른 시편 내부의 석출물의 생성, 진화 발전 및 소멸에 의한 재료의 미세구조 변화에 기인하는 것으로 설명할 수 있다(17 ~ 19).

열처리가 시작되면 GP(guinier-preston) zone 석출상(Mg2Si)이 초기에 생성되는데 이러한 정합(coherence) 석출상의 생성은 알루미늄 기지와 석출물 사이의 규칙적인 격자 구조의 변형을 일으키고 이러한 격자 구조의 변형이 시편 내부에 전파되는 초음파를 왜곡시켜 β값을 증가시킨다. 따라서 열처리 시간의 증가에 따라 β는 증가하고 20분에서 β의 약한 피크가 발생한다.

이후 열처리가 계속되면 정합관계를 나타내면서 알루미늄 기지와 석출물 사이의 격자의 뒤틀림에 의한 격자 변형을 일으키던 GP zone 석출상은 안정된 석출물로 상변태하고 격자와 부정합의 관계를 나타내게 된다. 따라서 전파되는 초음파를 효과적으로 왜곡시키지 못하게 되고 결과적으로 β는 열처리 시간 20분에서 1시간까지 감소하게 된다.

한편 석출물의 성장은 재료 내부의 전위 발생을 지연시키고, 열처리가 더 지속되면서 결과적으로 석출물의 수는 감소하고 크기만 성장하게 된다. 조대화된 석출물은 전위의 증가와 이동에 기여하므로 β는 급격하게 증가하고 2시간에서 최대값을 갖는다.

2시간 이후부터 알루미늄 기지에 용해되었던 GP zone 상은 더 미세한 βp″상으로 대체되기 시작하고 10시간까지 β는 비교적 급격하게 감소한다. 이후 시효가 계속되면서 βp″상의 밀도는 감소하고 βp′ 상이 출현하기 시작하는데 이로 인하여 β는 매우 완만하게 증가한다.

이와 같이 열처리 시간의 변화에 따른 β의 변화는 석출물의 변화에 의한 것이다. 석출물의 미세구조 특성은 재료의 항복강도나 경도와 같은 기계적 성질에 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 이러한 상관관계로부터 Al6061의 시효경화 열처리 과정에서 최대의 기계적 성질이 나타나는 열처리 시간을 β측정을 통하여 결정할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 목적으로 현재 이 연구에서 사용된 시편들의 기계적 성질 측정과 미세구조 분석이 진행 중에 있다.


5. 결 론

이 논문에서는 손상을 받은 고체 시편의 절대 비선형 파라미터(β)를 펄스-에코법으로 정확하게 측정하기 위한 실험적 연구를 수행하고 그 결과를 제시하였다. 손상 시편으로서 인공시효된 Al6061시편을 사용하였다. 먼저 응력자유경계를 갖는 펄스-에코 모드서 수신되는 제2고조파의 진폭을 측정 가능한 수준으로 개선하기 위하여 송·수신부가 분리된 이중 요소 탐촉자를 제작하여 사용하였다. 절대 β의 측정을 위하여 수신 탐촉자의 교정 실험으로부터 전달함수를 구하였고, 회절 및 보정계수를 도입하였다. 시효시간에 따른 β 측정 결과를 제시하였으며, β의 변화는 석출물의 변화에 기인하는 재료의 미세구조 변화를 잘 대변하였다. 석출물의 특성은 재료의 기계적 성질에 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 이러한 β–미세구조–기계적 성질의 상관관계로부터 Al6061의 시효경화 열처리 과정에서 최대의 기계적 성질이 나타나는 열처리 시간을 β 측정을 통하여 결정할 수 있을 것으로 기대된다.


Acknowledgments

이 논문은 한국연구재단의 지원사업에 의해 수행됨(과제번호 2016M2A2A9A03913683, 2019R1F1A1045480).


References
1. Matlack, K. H., Kim, J.-Y., Jacobs, L. J., and Qu, J., (2015), Review of Second Harmonic Generation Measurement Techniques for Material State Determination in Metals, Journal of Nondestructive Evaluation, 34(1), p273-296.
2. Jhang, K.-Y., (2009), Nonlinear Ultrasonic Techniques for Nondestructive Assessment of Micro Damage in Material: A Review, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 10(1), p123-​135.
3. Kim, C. S., and Park, I., (2008), Ultrasonic Non-​linearity Parameter Due to Precipitate and Dislocation, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 25(7), p131-138..
4. Kim, C. S., Jhang, K.-Y., and Hyun, C. Y., (2010), Creep Characterization of Superalloy IN-738 Using Ultrasonic Nonlinearity Measurement, International Journal of Modern Physics B, 25(10), p1385-1392.
5. Kim, J.-Y., Jacobs, L., Qu, J., and Littles, J., (2006), Experimental Characterization of Fatigue Damage in a Nickel-base Super alloy Using Nonlinear Ultrasonic Waves, The Journal of the Acoustical Society of America, 120(3), p1266-1273.
6. Cantrell, J. H., and Yost, W. T., (2000), Determination of Precipitate Nucleation and Growth Rates from Ultrasonic Harmonic Generation, Applied Physics Letters, 77(13), p1952-1954.
7. Cho, S., Jeong, H., and Shin, S., (2018), Reflection Mode Nonlinear Parameter Measurements of Aluminum Alloys Using a Dual Element Transducer, Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, 38(6), p367-374.
8. Hurley, D. C., and Fortunko, C. M., (1999), Determination of the Nonlinear Ultrasonic Parameter β Using a Michelson Interferometer, Meas. Sci. Technol., 8(6), p634-642.
9. Jeong, H., Nahm, S.-H., Jhang, K.-Y., and Nam, Y.-H., (2003), A Nondestructive Method for Estimation of the Fracture Toughness of CrMoV Rotor Steel Based on Ultrasonic Nonlinearity, Ultrasonics, 41(7), p543-549.
10. Barnard, D., Dace, G. E., and Buck, O., (1997), Acoustic Harmonic Generation Due to Thermal Embrittlement of Inconel 718, Journal of Nondestructive Evaluation, 16(2), p67-75.
11. Jeong, H., Zhang, S., Barnard, D., and Li, X., (2015), Significance of Accurate Diffraction Corrections for the Second Harmonic Wave in Determining the Acoustic Nonlinearity Parameter, AIP Advances, 5(9), p097179.
12. Jeong, H., Zhang, S., Barnard, D. and, and Li, X., (2016), A Novel and Practical Approach for Determination of the Acoustic Nonlinearity Parameter Using a Pulse-​echo Method, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 1706, p060006.
13. Ozturk, F., Sisman, A., Toros, S., Kilic, S., and Picu, R. C., (2010), Influence of Aging Treatment on Mechanical Properties of 6061 Aluminum Alloy, Materials and Design, 31(2), p972-975.
14. Mrówka-Nowotnik, G., (2010), Influence of Chemical Composition Variation and Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of 6xxx Alloys, Arch. Mater. Sci. Eng., 46(2), p98-107.
15. Chakrapani, S. K., Howard, A., and Barnard, D., (2018), Influence of Surface Roughness on the Measurement of Acoustic Nonlinearity Parameter of Solids Using Contact Piezoelectric Transducers, Ultrasonics, 84, p112-118.
16. Jeong, H., Barnard, D., Cho, S., Zhang, S., and Li, X., (2017), Receiver Calibration and the Nonlinearity Parameter Measurement of Thick Solid Samples with Diffraction and Attenuation Corrections, Ultrasonics, 81, p147-157.
17. Edwards, G. A., Stiller, K., Dunlop, G. L., and Couper, M. J., (1998), The Precipitation Sequence in Al-​Mg-Si Alloys, Acta Mater., 46(11), p3893-​3904.
18. Buha, J., Lumley, R. N., Crosky, A. G., and Hono, K., (2007), Secondary Precipitation in an Al-Mg-Si-​Cu Alloy, Acta Mater., 55(9), p3015-​3024.
19. Kim, J., Lee, K., Jhang, K.-Y., and Kim, C., (2014), Evaluation of Ultrasonic Nonlinear Characteristics in Artificially Aged Al6061-T6, Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, 34(3), p220-225.

Sungjong Cho received the MS degree in mechanical engineering from Wonkwang University, Korea. He has been a PhD student at Wonkwang University since 2016. His current research includes sensor design, signal processing and nonlinear evaluation of damaged materials.

Hyunjo Jeong received his PhD degree in engineering mechanics from Iowa State University, USA in 1990. He has been a professor of Mechanical Engineering at Wonkwang University since March 2000. His current research interests include nonlinear characterization of material properties, time reversal signal processing and ultrasonic NDE.

Hyojeong Shin received the BS degree in mechanical engineering from Wonkwang University, Korea in 2018. Currently she is a MS student at Wonkwang University. Her research is focused on ultrasonic transducer design for nondestructive evaluation.

Young Sang Joo received the Ph.D degree in mechanical engineering from KAIST in 1998. He works as a principal researcher at SFR NSSS System Design Division in Korea Atomic Energy Research Institute. He has worked on the projects using ultrasonic methods applied to NDE. His research is mainly focused on the under-sodium viewing technique using ultrasonic waveguide sensor and the in-service inspection of reactor vessel and steam generator tubes of sodium-cooled fast reactor.