피로 시험 방법 소개

부품의 한 점에 충분히 큰 외란 응력이 가해지면, 충분한 수의 사이클 후에 균열이 형성되고, 이러한 현상을 피로 (fatigue)라고한다. 피로 파괴는 공학 구조물 및 부품의 주요 고장 원인입니다. 현재의 응용 및 연구에서, 피로 시험 방법에는 4 가지 주요 유형이있다 :
1. 공칭 응력 및 변형률 법;
2. 국부 응력 및 변형률 방법;
3. 에너지 방법;
4. 파괴 역학 방법.
이 기사에서는 네 가지 유형의 메소드와 해당 애플리케이션을 간략하게 소개합니다.

1. 공칭 응력 법

공칭 응력 법은 표준 성분에 정격 응력 시험을 적용하는 방법으로, 최대 순환 응력과 항복 응력의 관계에 따라 응력 피로와 변형 피로로 구분됩니다.
첫째, 최대 순환 응력 Smax가 항복 응력 Sy보다 작 으면 응력 피로로 정의되는 응력 피로가 도입된다. 응력 피로 시험으로 인해 재료 수명은 104 배 이상이므로 응력 피로도 고주기 피로라고도합니다. 응력 피로 이론에 따르면, 금속 재료의 응력 S와 파괴 사이클 수 N은 비선형으로 분포되어있다. 사용 가능한 전력 함수 : 대수를 취하거나 : 지수를 사용합니다. 대수를 대입하면이 방법을 SN 방법이라고합니다. 결과는 실제 시험에서 SN 곡선 또는 p (생존율) -SN 곡선을 사용하여 분석되었습니다.
응력 피로는 일반적으로 재료 피로 SN 곡선에 사용됩니다. 그림 1과 그림 2에서 알 수 있듯이 AZ31B 마그네슘 합금의 피로한도 (응력비는 0.1이고 피로 수명에 해당하는 피로 수명은 107)는 리프팅 방법으로 테스트합니다. AZ31B 마그네슘 합금 샘플의 피로 한계는 97.29 MPa입니다.
그림 1. AZ31B 마그네슘 합금 피로 시험

그림 2. AZ31B 마그네슘 합금 피로 시험 SN 곡선

스트레인 피로는 높은 하중과 낮은 설계 수명 구성 요소 테스트에 적용됩니다. 정의는 다음과 같습니다. 최대 순환 응력 Smax가 항복 응력 Sy보다 큰 경우 변형 피로입니다. 응력 피로 시험은 고부하 및 저주파에서 부품을 연구하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 압력 용기의 수명 기간 동안 총 사이클 수는 약 104입니다. 따라서 피로 성능 파라미터 설명으로 변형이 사용됩니다. 응력 피로는 저주기 피로도 알려져 있습니다.
변형 피로 연구 학자들은 다음의 이론, 재료의 응력 - 변형률 (Remberg-Osgood 탄 성성 응력 - 변형률) 관계를 제시했다.

공식에서, 탄성 변형 진폭 εp는 소성 변형 진폭입니다.
일정 진폭 대칭 변형률 시험에서 재료의 소성 변형으로 인해 변형률이 감소하고 응력 - 변형률 곡선이 환형 인 경우 원래 경로로 응력을 줄일 수 없습니다. 이 곡선을 히스테리 시스 루프라고합니다. 사이클 수가 증가하면 동일한 변형 진폭 응력이 증가하거나 감소합니다. 이 변화에 대응하는이 스트레스의 반응을주기 경화 또는주기 연화 (cyclic softening)라고합니다. 싸이클은 여러 사이클 동안 충분하며 일부 재료는 안정적인 히스테리시스 루프를 형성합니다.
변형 피로에서 재료의 반복 경화 또는 주기적 연화 경향을 설명하기 위해 응력 - 변형률 곡선이 사용됩니다. 대칭 히스테리시스 곡선 곡선이있는 재료의 경우 매스 작업 재료라고합니다.
아래 그림은 ZK60 마그네슘 합금의 압연 방향과 횡 방향의 σ-ε 곡선입니다. 횡 방향에서는주기 경화 현상이 분명합니다.
그림 3. 압연 σ-ε 곡선을 따른 ZK60A 마그네슘 합금 하중

그림 4. 가로축 σ-ε 곡선을 따른 ZK60A 마그네슘 합금 하중

2. 국부 응력 및 변형률 법

노치가있는 시험편과 응력 집중 성분에 대해서는 국부 응력 - 변형률 분석이 사용됩니다. 현재의 연구는 부재의 피로 수명이 국부 최대 변형률과 응력이며, 응력 집중 계수의 개념이 제안되었다. 재료 균열 형성 수명 및 부품의 잔류 피로 수명 예측에 적합합니다.
국부 응력 법에 의해 제안 된 이론은 Neuber 공식 (응력 집중 공식)
Minner 이론 (피로 누적 손상 이론) : 일정한 응력 하에서 부재의 피로 수명 S가 N이면, n 사이클을 통한 손상은 다음과 같습니다.

k 일정한 응력 Si 하에서 ni 사이클을받는다면, 총 손상은 다음과 같이 정의 될 수있다.

손상 기준은 다음과 같습니다.

국부 응력 법의 적용은 그림 5와 그림 6에 나와 있습니다.
그림 5. 노치가있는 시험편의 피로 수명 예측
그림 6. 크레인 피로 수명 예측 (크레인 응력 및 변형률 테스트 포인트 분포도)

응력 집중 점 피로 수명은 다음 식에 따라 계산됩니다.

여기서 : Sf - 등가 응력 부드러운 시료 피로 수명
그림 6 크레인의 피로 수명 계산 방법은 서로 다른 테스트 포인트의 시간 이력 맵을 입력하고 각 포인트의 피로 수명 계산식을 입력하고 각 포인트의 잔여 피로 수명을 계산하는 것입니다. 기본 수명 최소 점은 장치의 잔여 피로 수명입니다. 학자들은 크레인의 경우 일반 강철의 누적 손상 값 D가 0.68에 도달했다고 제안했습니다.

3. 에너지 법

적외선 열 화상 법은 재료 피로 프로세스의 에너지 상수 법칙을 기반으로 피로 성능을 예측하는 방법입니다. 피로 열 화상 법은 열역학 에너지 U, 운동 에너지 K 및 피로 과정에서의 에너지 소산의 다른 형태에 기초합니다. 에너지 변화 E와 물체에 의해 흡수되거나 소산되는 열 변화 Q의 합은 물체에 작용하는 일 W이어야한다. 똑같다.
피로 열 이미징은 비파괴, 실시간, 비접촉의 장점을 가지고 있습니다. 동시에 에너지 분산과 피로 하중의 비선형 관계 및 열 분산을 이용한 온도 소실 오차로 인해 산업 측정에는 적합하지 않습니다.
현재 연구는 다음과 같은 예측 모델 이론을 제안했다. Luong 방법, ΔTmax 및 피로 수명 Nf는 다음과 같다.

여기서, C1, C2는 상수입니다.
따라서 피로한도는 2 선식으로 예측할 수 있습니다. 학자들은 열 방출을 기반으로 다음과 같은 모델을 제안했습니다.

R- 온도 상승 기울기
다음은 Taiyuan University of Technology에서 교사 Zhang Hongxia 팀에 의한 피로 열상 영상 방법에 관한 연구입니다. 열처리에 의해 AZ31B Mg 합금의 피로 수명이 빠르게 예측되었습니다. 두 라인 방법에 따라 재료의 피로 한계를 예측하기 위해 샘플의 첫 번째 스테이지의 온도 상승을 테스트하기 만하면됩니다. 그림 7, 그림 8, 그림 9.
그림 7. 피로 시험에서 다른 사이클 시간을 갖는 AZ31B 마그네슘 합금 샘플의 표면 온도

그림 8. AZ31B 피로 프로세스 샘플 표면 온도 곡선

그림 9. 피로 하중으로 인한 온도 변화

4. 파괴 역학 방법

선형 탄성 파괴 역학은 피로 균열 성장을 연구하기위한 이론적 기초입니다. 피로 균열 전파는 또한 응력 확대 계수 K에 의해 정량적으로 설명 될 수 있습니다.
피로 하중 하에서, 균열 길이 a의 변화율 α는주기 수 N, da / dN에 따라 균열 전파 속도를 반영하는 피로 균열 성장률이다. 주어진 균열 길이 a에 대해, da / dN은 반복 응력 진폭 Δσ (Δσ이 클수록 ΔK가 클수록)가 증가함에 따라 증가한다. 이 현상을 바탕으로 학자들은 da / dN-ΔK (균열 진전)를 연구했습니다. 속도 - 응력 강도 증가 곡선은 3 개의 구역으로 나눌 수 있습니다 : 저속, 중속, 고 비율 구역. 파리 공식은 중간 속도의 안정적인 확장 사이에 선형 관계가 있다고 말합니다.
균열 선단의 형상에 대한 실험식 :

피로 균열 형성과 확장은 손상 역학의 틀 아래에서 통일 될 수 있습니다.
다음은 AZ31B 마그네슘 합금의 균열 성장률에 대한 연구이며 AZ31B의 안정한 팽창률을 평가합니다.
그림 10. 피로 균열 팁 경쟁 메커니즘의 개략도

그림 11. 균열 선단에서 응력 - 변형 장의 세 가지 영역의 개략도

그림 12. 피로 균열 선단 경첩 메커니즘의 aN 곡선의 개략도

그림 13. 피로 균열 선단 경첩 메커니즘에 대한 da / dN-ΔK 곡선의 도식 다이어그램

AB 세그먼트 (중간 속도 영역) : da / dN = 4.57 × 10-7 (ΔK) 3.25 (7.2 <ΔK≤13.5MPa ㆍ m1 / 2)
BC 세그먼트 (고속 영역) : da / dN = 3.16 × 10-10 (ΔK) 6.21 (13.5 <ΔK≤22.1MPa ㆍ m1 / 2)
결론:
네 가지 유형의 메소드는 응용 프로그램에서 서로 다릅니다. 공칭 응력 법과 국부 응력 법은 산업 분야의 재료 및 부품 성능 시험에 적합합니다. 에너지 법은 재료의 피로 수명을 예측할 수 있으며, 파괴 역학 방법은 피로 균열 형성 및 팽창을 성공적으로 통합합니다.

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