This thesis presents the development of a fatigue crack growth monitoring and failure stage determination technique in aluminum plates using nonlinear ultrasonic modulation. When two lead zirconate titanate (PZT) transducers apply low frequency (LF) and high frequency (HF) inputs to a structure, the presence of nonlinear sources, such as fatigue cracks, creates nonlinear ultrasonic modulation components at spectral sideband. The amplitude of modulation components increases gradually, as a fatigue crack in a structure under cyclic loadings propagates. When the fatigue crack propagates enough to let the maximum stress intensity factor (SIF, K) meets the fracture toughness of a material, the structure with the fatigue crack starts unstable brittle fracture. As the fatigue crack undergoes brittle fracture, the crack width increases and the crack surface contacts which is a generation mechanism condition of nonlinear ultrasonic modulation components, is not occurred. As a consequence the amplitude of modulation suddenly decreases. Therefore, it can be seen that the point of time at which the modulation components suddenly decreases is immediately after the point at which the SIF at the crack tip reaches the fracture toughness value of a material. Thus, monitoring nonlinear ultrasonic modulation can diagnose the growth of fatigue cracks and the failure stage which the structure begins to brittle fracture. The aluminum 6061-t6 specimens with various thicknesses were tested to verify the developed technique.
본 연구에서는 비선형 초음파 모듈레이션을 이용하여 알루미늄 평판에 발생한 피로균열의 성장을 모니터링하고 구조물의 파손 시점을 진단하는 기법을 개발하였다. 구조물에 두 개의 압전체(PZT)를 부착하고 Low frequency (LF)와 High frequency (HF)를 가진 하면, 피로균열과 같은 비선형 성분에 의해 두 주파수의 합과 차에 해당하는 측파대에서 비선형 초음파 모듈레이션 성분이 검출된다. 반복 하중을 받는 구조물에서 피로균열이 진전하면 해당 모듈레이션 성분은 균열의 진전과 함께 점진적으로 증가하는 경향을 보인다. 균열이 더욱 성장하여 균열선단에서의 최대 응력강도계수(SIF, K)가 재료의 파괴인성에 도달하면 균열은 급격히 진전하게 되고 구조물은 불안전 취성 파괴하기 시작한다. 균열의 취성 파괴가 시작되면 균열폭이 증가하여 비선형 초음파 모듈레이션 성분의 생성 조건인 균열 면의 접촉 현상이 발생하지 않으므로 비선형 초음파 모듈레이션 성분이 큰 폭으로 감소하게 된다. 따라서 비선형 초음파 모듈레이션 성분이 큰 폭으로 감소하는 시점이 균열선단에서 응력강도계수가 재료의 파괴인성 값에 도달하는 시점 직후에 나타난다는 사실을 알 수 있다. 그러므로 비선형 초음파 모듈레이션을 모니터링 하면 피로균열의 성장과 구조물이 급격하게 취성 파괴하기 시작하는 파손 시점을 진단할 수 있다. 다양한 두께의 알루미늄 6061-t6 시편에서 해당 기법을 검증하였다.
