4가지 요소가 피로 균열에 미치는 영향을 보여주는 August Wöhler의 실험 통계

피로 균열은 일반적으로 국부적으로 주기적 소성 변형의 결과입니다. 피로는 "반복 하중 또는 기타 유형의 하중 조건 하에서의 고장으로, 이 하중 수준은 한 번만 적용해도 고장을 일으키기에 충분하지 않습니다."로 정의됩니다. 이러한 소성 변형은 이상적인 부품에 대한 이론적인 응력 때문이 아니라 부품 표면이 실제로 감지되지 않기 때문에 발생합니다.

August Wöhler는 피로 연구의 선구자이며 경험적 방법을 제시합니다. 1852년과 1870년 사이에 wö hler는 철도 차축의 점진적인 파손을 연구했습니다. 그는 그림 1과 같은 테스트 베드를 구축했습니다. 이 테스트 베드는 두 개의 철도 차축을 동시에 회전하고 구부릴 수 있도록 합니다. Wö hler는 공칭 응력과 나중에 SN 다이어그램으로 알려진 고장으로 이어지는 주기 수 사이의 관계를 표시했습니다. 각 곡선은 여전히 aw ö hler 라인이라고 합니다. Sn 방법은 오늘날에도 여전히 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이 곡선의 일반적인 예는 그림 1에 나와 있습니다.

wö hler 라인을 통해 여러 효과를 관찰할 수 있습니다. 첫째, 여기의 공칭 응력은 탄성이 있기 때문에 전이점(약 1000주기) 아래의 SN 곡선은 유효하지 않습니다. 피로가 소성 전단 변형 에너지의 방출로 인해 발생한다는 것은 나중에 보여드리겠습니다. 따라서 파단 전 응력과 변형률 사이에는 선형 관계가 없으며 사용할 수 없습니다. 전이점과 피로한계(약 107주기) 사이에서 Sn 기반 해석이 유효합니다. 피로한계를 초과하면 곡선의 기울기가 급격히 감소하므로 이 영역을 종종 "무한 수명" 영역이라고 합니다. 그러나 이것은 사실이 아닙니다. 예를 들어, 알루미늄 합금은 무한한 수명을 갖지 않으며 강철도 가변 진폭 하중에서 무한한 수명을 갖지 않습니다.

현대 증폭 기술의 출현으로 사람들은 피로 균열을 더 자세히 연구할 수 있습니다. 우리는 이제 피로균열의 발생과 전파가 두 단계로 나눌 수 있다는 것을 압니다. 초기 단계에서 균열은 최대 전단 응력선을 따라 적용된 하중에 대해 약 45도 각도로 전파됩니다. 2개 또는 3개의 결정립계를 넘은 후 방향이 바뀌고 적용된 하중에 대해 약 90도 방향을 따라 확장됩니다. 이 두 단계를 그림 2와 같이 Stage I 균열과 Stage II 균열이라고 합니다.

고배율에서 단계 I 균열을 관찰하면 교번 응력이 최대 전단면을 따라 연속적인 슬립 밴드를 형성함을 알 수 있습니다. 이 슬립 밴드는 카드 한 벌처럼 앞뒤로 미끄러지므로 표면이 고르지 않습니다. 오목한 표면은 마침내 그림 3과 같이 "출아" 균열을 형성합니다. 단계 I에서 균열은 입자 경계를 만날 때까지 이 모드에서 확장되고 일시적으로 멈출 것입니다. 인접한 결정에 충분한 에너지가 가해지면 프로세스가 계속됩니다.

2개 또는 3개의 결정립계를 횡단한 후 균열 전파 방향은 이제 Phase II 모드로 들어갑니다. 이 단계에서 균열 전파의 물리적 특성이 변경되었습니다. 균열 자체는 응력 흐름에 대한 거시적 장애물을 구성하여 균열 선단에 높은 소성 응력 집중을 유발합니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 모든 단계 I 균열이 단계 II로 진행되는 것은 아닙니다.

단계 II의 전파 메커니즘을 이해하기 위해서는 응력 주기 동안 균열 선단 단면의 상황을 고려해야 합니다. 그림 5와 같이 피로 사이클은 공칭 응력이 점 "a"에 있을 때 시작됩니다. 응력 강도가 증가하고 점 "B"를 통과함에 따라 균열 선단이 열리고 국부 소성 전단 변형이 발생하고 균열이 원래 금속의 점 "C"까지 확장되는 것을 알 수 있습니다. 인장 응력이 "d" 지점을 통해 감소하면 균열 선단이 닫히지만 영구 소성 변형이 소위 "절단선"이라는 독특한 톱니 모양을 남기는 것을 관찰합니다. 전체 주기가 "e" 지점에서 끝날 때 균열이 이제 "Da" 길이를 증가시키고 추가 단면선을 형성함을 관찰합니다. 균열 성장의 범위는 적용된 탄성-소성 균열 선단 변형률의 범위에 비례한다는 것이 이제 이해되었습니다. 더 큰 주기 범위는 더 큰 Da를 형성할 수 있습니다.

피로균열성장율에 영향을 미치는 요인

피로균열 성장율에 대한 다음 매개변수의 영향을 연구하고 개념적으로 설명합니다.

1전단 응력

다이어그램에서 공칭 응력의 강도가 주기적으로 변경되는 동안 특정 "양"의 전단 응력이 해제됨을 알 수 있습니다. 그리고 응력 변화의 범위가 클수록 방출되는 에너지가 커집니다. 그림 1의 SN 곡선을 통해 피로 수명은 응력 주기 범위가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소함을 알 수 있습니다.

2 평균 스트레스

평균응력(잔류응력)도 피로파괴율에 영향을 미치는 요인이다. 개념적으로 2상 균열에 팽창 응력이 가해지면 균열이 강제로 열리므로 모든 응력 주기가 더 큰 영향을 미칩니다. 반대로, 평균 압축 응력이 가해지면 균열이 강제로 닫히고 균열이 계속 확장되기 전에 모든 응력 주기가 사전 압축 응력을 극복해야 합니다. 유사한 개념이 단계 I 균열에도 적용됩니다.

3면 마감

피로 균열은 일반적으로 결함이 있는 부품의 표면에 먼저 나타나기 때문에 표면의 품질이 균열 발생 확률에 심각한 영향을 미칩니다. 대부분의 재료 테스트 샘플은 경면 마감 처리되어 있으므로 최고의 피로 수명을 얻을 수 있습니다. 실제로 대부분의 구성 요소는 샘플과 비교할 수 없으므로 피로 특성을 수정해야 합니다. 표면 마감은 낮은 진폭 응력 주기를 받는 구성 요소의 피로에 더 큰 영향을 미칩니다.

4 표면 처리

표면 처리는 구성 요소의 피로 저항을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 표면 처리의 목적은 표면에 잔류 압축 응력을 형성하는 것입니다. 낮은 진폭 기간에서 표면의 응력은 분명히 낮고 압축 상태를 유지합니다. 따라서 피로 수명이 상당히 연장될 수 있습니다. 그러나 우리가 지적했듯이 이 상황은 낮은 진폭 응력 주기를 받는 구성 요소에만 유효합니다. 높은 진폭 기간이 적용되면 사전 압축은 높은 진폭 기간에 의해 극복되고 이점이 손실됩니다. 표면 품질과 마찬가지로 표면 처리의 영향은 모델링을 통해 표시할 수 있습니다.