금속재료의 피로강도가 무엇인지 정말 알고 계신가요?

 

I. 금속 피로의 현상 및 특성

 

1. 금속 피로 현상

균열 형성: 교대 응력이나 반복적 변형을 받으면 금속 재료는 국부적으로 높은 응력이 있는 부분에 점차적으로 작은 균열을 형성합니다.

균열 확산: 이러한 작은 균열은 지속적인 응력 하에 시간이 지남에 따라 점차 확장됩니다.

파괴: 균열이 어느 정도까지 확산되면 남아 있는 재료는 더 이상 하중을 견딜 수 없게 되어 금속 구성 요소가 완전히 파괴됩니다.

 

 

 

▲그림 1 일반적인 순환 응력

 

2. 금속 피로의 특성

돌연성: 금속 피로 파괴는 시간이 지나면서 갑자기 발생하는 경우가 많으며 미리 쉽게 감지할 수 없습니다.

지역성: 고장은 일반적으로 국부적으로 응력이 높은 지역, 비교적 집중된 위치에서 발생합니다.

민감성: 금속 피로는 환경 요인과 결함에 민감합니다. 예를 들어, 부품의 표면 거칠기, 산화 정도, 부식 조건은 모두 피로 강도에 영향을 미칠 수 있습니다.

사이클 의존성: 금속 피로는 사이클 하중의 응력 수준과 사이클 수와 직접 관련이 있습니다. 응력 수준이 재료의 항복 강도보다 낮더라도 장기 사이클 하중은 여전히 ​​피로 파괴로 이어질 수 있습니다.

통계적 특성: 통계에 따르면 엔지니어링 구조물 고장의 약 80%-90%가 금속 피로로 인해 발생합니다.

 

 

 

▲다양한 종류의 피로파괴 형태

 

 

II 금속 피로의 분류

 

1. 순환 하중 수에 따른 분류

고주기 피로: 낮은 응력(재료의 항복 한계 아래의 작업 응력, 심지어 탄성 한계 아래의 작업 응력) 하에서 응력 사이클이 100,000을 초과하는 피로를 말합니다. 이것은 가장 일반적인 유형의 피로 파괴로, 응력 피로라고도 합니다. 고주기 피로 성능은 SN 곡선(응력-수명 곡선)으로 설명되며, 이는 주어진 응력 비율에 대해 응력이 낮을수록 수명이 길어짐을 보여줍니다.

저주기 피로: 높은 응력(재료의 항복 한계에 가까운 작업 응력) 또는 응력 사이클이 10,000에서 100,000 미만인 높은 변형 조건에서 발생하는 피로를 말합니다. 교대 소성 변형이 이러한 유형의 피로 파괴에서 중요한 역할을 하기 때문에 소성 피로 또는 변형 피로라고도 합니다.

 

2. 피로파괴 형태에 따른 분류

열 피로: 온도 변화로 인한 반복적인 열 응력으로 인해 발생하는 피로 파괴.

부식 피로: 교대 하중과 부식성 매체(예: 산, 알칼리, 해수, 활성 가스 등)의 결합된 작용으로 인한 기계 부품의 피로 파괴.

접촉 피로: 기계 부품의 접촉 표면에서 발생하는 피로 파괴를 말하며, 반복적인 접촉 응력으로 인해 침식이나 표면 으깨짐, 벗겨짐이 발생하여 부품이 고장납니다.

 

 

III. 피로 곡선

 

 

 

▲금속재료의 피로곡선

 

 

▲SN곡선

 

위의 다이어그램은 피로 응력과 피로 수명 사이의 관계, 즉 SN 곡선을 보여줍니다. SN 곡선은 피로 한도를 결정하고 피로 응력 기준의 기준을 확립하는 데 사용됩니다.

피로 한계: 재료가 파괴되지 않고 무한한 응력 사이클을 견딜 수 있는 강도 지표를 말합니다. 조건부 피로 한계는 재료가 파괴되지 않고 유한한 응력 사이클을 견딜 수 있는 강도 지표를 말합니다. 둘 다 총칭하여 피로 강도라고 합니다. 인장 강도가 클수록 피로 한계가 커집니다.

 

 

IV. 금속재료의 피로강도에 영향을 미치는 요인

 

1. 구성 요소의 모양 및 크기

실제 기계 부품에는 계단형, 키웨이형, 나사산형, 오일 구멍형 등 다양한 형태의 노치가 불가피하게 발생하며, 이는 응력 집중을 유발하고 피로 강도에 영향을 미칩니다.

부품의 크기 효과도 중요한 고려 사항입니다. 작은 샘플에 비해 큰 부품은 더 많은 응력 집중과 응력 기울기를 가질 수 있으며, 이는 피로 성능에 영향을 미칩니다.

2. 표면 마감

낮은 표면 마감은 재료 표면에 응력 집중을 일으켜 재료의 피로 강도를 감소시킬 수 있습니다. 예를 들어, 세로 미세 연마에 비해 거친 가공(거친 선삭)은 피로 한계를 10%~20% 이상 줄일 수 있습니다.

3. 서비스 조건

부식성 매체가 있는 작업 환경은 미세균열이 침투하여 구성 요소의 피로 파괴를 촉진할 수 있습니다.

고온, 고습, 저온 등 복잡한 기후 조건에서 사용되는 항공우주 재료도 피로 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

4. 재료의 구성

금속 재료의 구성은 피로 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 탄소 함량이 증가하면 마르텐사이트의 파괴 강도가 감소하고 균열이 급냉되는 경향이 증가합니다.

5. 조직 상태

금속 재료의 미세 구조는 피로 강도에 상당한 영향을 미칩니다. 담금질 및 템퍼링 후 얻은 구조는 피로 강도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

6. 순수함

재료에 포함된 불순물과 같은 결함은 피로의 원인이 되어 피로 강도를 감소시킬 수 있습니다.

7. 잔류응력

잔류응력의 존재는 재료의 피로 성능에 영향을 미칠 수도 있습니다.

8. 재료의 강도 및 가소성

금속 재료의 강도와 가소성이 좋을수록 피로 파괴에 대한 저항 능력이 커집니다.

9. 스트레스 진폭

응력 진폭의 크기는 금속의 피로 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

10. 평균 스트레스

평균 응력의 크기와 특성(인장 또는 압축)도 금속의 피로 성능에 영향을 미칩니다.

11. 사이클 수

금속 피로 파괴는 일반적으로 특정 횟수의 사이클 이후에 발생합니다.

12. 스트레스 집중 효과

부품 윤곽의 갑작스러운 변화나 내부 불연속성(기공, 개재물, 균열 등)은 응력 집중의 원인이 되어 피로 파괴 과정을 가속화할 수 있습니다.

 

 

V 피로 곡선 결정을 위한 방법

피로 곡선, 특히 SN 곡선을 결정하는 방법은 반복 응력이나 변형을 받는 재료의 피로 성능을 평가하는 데 중요한 접근 방식입니다.

 

1. 테스트 목적 및 조건 결정

테스트할 재료의 종류, 응력 수준의 범위, 주파수 및 기타 매개변수를 명확하게 정의합니다.

피로 시험기 등 적절한 시험 장비를 선택하고 시험 요구 사항에 맞게 조정하고 교정합니다.

2. 표본 준비

관련 기준 및 시험 요구사항에 따라 요구사항을 충족하는 시편을 준비합니다.

표본의 치수, 무게, 기타 매개변수를 정확하게 측정하고 기록합니다.

3. 표본 장착

피로 시험기에 시편을 설치하고, 시편 축과 하중 축이 정렬되도록 합니다.

특수한 고정물이나 장치가 필요한 시험의 경우, 요구사항에 맞게 설치하고 조정하십시오.

4. 테스트 매개변수 설정

시험 목적 및 조건에 따라 부하 파형(예: 사인파, 사각파), 부하 레벨, 주파수 및 기타 매개변수를 설정합니다.

실제 작업 조건을 시뮬레이션해야 하는 테스트의 경우 온도와 습도와 같은 해당 환경 매개변수를 설정합니다.

5. 테스트 시작 및 데이터 기록

시험 장비를 가동하고 순환 하중을 시작합니다.

테스트하는 동안 각 사이클에 대한 하중, 변위, 시간과 같은 데이터를 기록합니다.

시편의 변형 및 파손을 모니터링하고 피로 파손의 횟수와 형태를 적시에 기록합니다.

6. SN 곡선 그리기

시험 데이터를 기반으로 수평축을 응력 수준(S), 수직축을 피로수명(N, 즉 사이클 횟수)의 대수로 하여 SN 곡선을 그린다.

SN 곡선은 일반적으로 저주기 피로 영역, 유한 수명 피로 영역, 고주기 피로 영역의 세 섹션으로 구성됩니다. 이러한 섹션은 테스트 데이터에 따라 구분하고 레이블을 지정할 수 있습니다.

7. 데이터 분석 및 해석

기울기, 절편 등의 매개변수를 계산하고 비교하는 것을 포함하여 SN 곡선 데이터를 분석합니다.

SN 곡선의 모양과 매개변수를 바탕으로 재료의 피로 성능과 수명 특성을 해석합니다.

재료의 미세구조와 화학 조성에 대한 정보를 결합하여 피로 파괴의 메커니즘과 영향 요인을 분석합니다.