금속의 인장 파괴 거동에 대한 노치의 영향 평가

금속 소재는 제련 및 성형 과정에서 필연적으로 내포물 및 분리와 같은 내부 결함이 발생하여 내부 구조의 불연속성을 초래할 수 있습니다.

또한 기계 및 장비 부품의 홈 스텝, 위치 지정 구멍, 모서리 및 모서리의 모양도 부품의 외부 표면 구조의 연속성에 영향을 줄 수 있습니다.

구조적 불연속성은 사용 중 부품의 국부적인 위치에 응력 집중을 초래할 수 있습니다. 이러한 구조는 엔지니어링에서 흔히 '노치'로 간주됩니다.

이러한 노치는 재료의 응력 집중을 유발하고 노치 루트의 응력 및 변형 상태를 변경합니다. 예를 들어 인장 과정에서 노치 루트의 응력 상태가 단방향 장력에서 양방향 또는 3방향 장력으로 바뀌고 노치 팁 근처의 소성 변형이 크게 제한됩니다.

노치가 재료의 파단 거동에 미치는 영향은 재료의 다양한 가소성으로 인해 다릅니다. 그러나 서로 다른 플라스틱 금속 재료의 노치가 있는 시편의 파단 거동을 직접 비교한 학자는 거의 없습니다.

따라서 연구원들은 세 가지 다른 플라스틱에 대한 인장 테스트를 수행했습니다. 금속 소재 를 사용하여 노치가 있는 시편의 인장 강도와 파단 형태를 비교했습니다. 이 연구는 노치가 다양한 플라스틱 소재의 인장 강도와 파단 거동에 미치는 영향을 이해하는 것을 목표로 합니다.

1. 테스트 방법

이 테스트에는 세 가지 금속의 종류 소재, 즉 10CrNi3MoV 강철, 5083 알루미늄 합금, 500-7 연성 철로 각각 다른 수준의 가소성을 가지고 있습니다.

의 실온 테스트 방법 섹션에 규정된 기술 요구 사항을 따르십시오. 금속 재료 인장 시험 파트 1(GB/T 228.1-2010), R4 원통형 인장 시험 샘플을 처리하고 각 샘플의 평행 단면 중앙에 V자형 노치를 만들었습니다.

노치 각도는 60°, 노치 팁 반경은 0.1mm, 노치의 루트 직경 D는 6mm, 8mm 또는 10mm였습니다(해당 노치 깊이는 각각 2mm, 1mm 및 0mm이고 노치가 없는 매끄러운 시편은 없음).

인장 시편의 모양과 치수는 그림 1을 참조하세요.

그림 1 인장 시편의 모양과 크기

전자식 범용 시험기를 사용하여 1mm/min의 속도로 인장 시험을 수행했습니다. 표 1은 세 가지 재료의 매끄러운 샘플에 대해 수행한 인장 시험 결과를 보여줍니다.

표를 보면 세 가지 재료의 파단 후 연신율 A에 상당한 차이가 있음을 알 수 있습니다. 특히 10CrNi3MoV 강철의 파단 후 연신율은 5083 알루미늄 합금과 500-7 연성 철보다 더 큽니다.

표 2는 세 가지 재료의 평활 및 노치 샘플의 인장 강도를 나타냅니다. 표에서 알 수 있듯이 10CrNi3MoV 강철 및 5083 알루미늄 합금 노치 샘플의 인장 강도는 평활 샘플보다 높은 반면 500-7 연성 철 노치 샘플의 인장 강도는 평활 샘플보다 낮은 것을 알 수 있습니다.

표 1 세 가지 재료의 매끄러운 시편의 인장 특성

표 2 세 가지 재료의 매끄러운 시편과 노치 시편의 인장 강도

2. 테스트 결과

2.1 인장 강도

그림 2는 세 가지 재료의 인장 강도 노치 깊이 곡선을 표시합니다.

그림 2에서 볼 수 있듯이, 노치 깊이가 증가함에 따라 10CrNi3MoV 강철과 5083 알루미늄 합금의 인장 강도는 증가합니다.

특히 10CrNi3MoV 강철의 증가율은 5083 알루미늄 합금의 증가율보다 더 큽니다.

예를 들어, 노치 깊이가 2mm인 경우 전자의 인장 강도는 매끄러운 샘플의 1.74배인 반면 후자의 인장 강도는 1.31배입니다.

그러나 500-7 연성 철의 경우 인장 강도와 노치 깊이 사이의 관계는 10CrNi3MoV 강철 및 5083 알루미늄 합금의 관계와 반대입니다.

즉, 노치 깊이가 증가하면 인장 강도가 감소합니다.

2mm의 노치 깊이에서 인장 강도는 매끄러운 샘플의 0.92배입니다.

그림 2 다양한 플라스틱 금속 샘플의 인장 강도와 노치 깊이 사이의 관계 곡선

2.2 골절 형태

그림 3은 매끄러운 10CrNi3MoV 강철 샘플과 다양한 깊이의 노치 샘플 모두의 파단 표면의 거시적 형태를 표시합니다.

그림과 같이 매끄러운 시료의 파단 표면은 전형적인 컵 원뿔 모양을 나타냅니다. 이 샘플은 또한 파단 후 연신율이 27.5%, 면적 감소가 78.1%로 우수한 가소성을 보여줍니다.

이와 대조적으로 노치가 있는 시편은 넥킹이 발생했으며, 노치 깊이가 2mm인 시편의 경우 면적 감소는 33%였습니다.

그림 3 10CrNi3MoV 강철의 매끄러운 시편과 노치 시편의 거시적 형태

노치의 깊이가 증가함에 따라 골절 가장자리에서 전단 립의 면적은 점차 감소하고 중앙 섬유의 면적은 점차 증가합니다.

노치 깊이가 2mm인 경우, 그림 4a와 같이 중앙 섬유 면적은 전체 면적의 90%를 차지합니다.

그림 4b는 그림 4a의 화살표로 표시된 영역의 SEM 형태를 표시합니다.

그림은 샘플 코어의 섬유 영역이 인장 골절의 전형적인 특성을 가진 딤플 골절 패턴을 가지고 있음을 보여줍니다. 이는 인장 샘플의 시작 위치가 샘플의 중앙 영역에 있음을 나타냅니다.

그림 4 2mm 노치 깊이의 10CrNi3MoV 강철 시편 파단 표면의 SEM 형태도

그림 5와 6은 매끈한 샘플과 노치 샘플을 포함한 5083 알루미늄 합금 샘플의 파단 표면의 매크로 및 SEM 형태를 보여줍니다.

매끄러운 샘플의 파단 표면은 전형적인 45° 전단 파괴 파단 특성을 나타내며, 약간의 축 방향 변형과 넥킹이 있습니다. 파단 후 연신율은 16.4%, 면적 감소는 그림 5a에 표시된 것처럼 21.7%입니다.

노치 깊이가 1mm인 샘플의 파단 하중은 20.00kN으로 매끄러운 샘플의 항복 하중보다 13.74kN 더 높아 파단 표면에서 명확한 소성 변형이 있음을 나타냅니다.

파단 표면은 톱니 모양이며 특정 방향성을 나타내며 가장자리 노치에서 균열이 시작됩니다. 균열 시작 위치 근처의 주요 부분은 섬유 파단을 나타내며, 톱니 모양 영역은 그림 5b 및 그림 6a에 표시된 것처럼 섬유 파단과 45° 전단 파단으로 구성됩니다.

또한 그림 6b와 그림 6c에서 볼 수 있듯이 명확한 전단 파괴 영역과 정상적인 인장 파괴 특성을 가진 섬유 영역을 볼 수 있습니다.

노치 깊이가 2mm 인 시편의 경우 파단 하중은 12.83kN으로 매끄러운 시편의 항복 하중보다 낮습니다. 면적 감소는 거의 0에 가깝고 그림 5c, 그림 6d 및 그림 6e에 표시된 것처럼 파단 표면은 주로 섬유질입니다. 그림 6e에서와 같이 가장자리만 명백한 전단 파괴 영역을 보여줍니다.

그림 5 5083 알루미늄 합금 매끄러운 샘플과 노치 샘플의 매크로 형태

그림 6 5083 알루미늄 합금 노치 시료의 SEM 모폴로지

그림 7은 500-7 연성 철로 만든 매끄럽고 노치가 있는 시료의 거시적 형태와 매끄러운 시료의 파손에 대한 SEM 형태를 보여줍니다.

매끄러운 샘플은 그림 7a)와 같이 7.4%의 면적 감소와 함께 명백한 네킹 없이 특정 소성 변형을 나타냅니다;

반면에 노치가 있는 시편은 그림 7b) 및 그림 7c)에서 볼 수 있듯이 면적 감소와 소성 변형이 거의 나타나지 않습니다;

매끄러운 샘플과 노치가 있는 샘플의 파단 표면 사이에는 큰 차이가 없으며, 둘 다 취성 파단을 나타내는 균열이 나타납니다.

그림 7d)는 매끄러운 샘플의 절단 형태를 보여줍니다.

그림 7 500-7 연성 철 인장 시료의 거시적 형태 및 파단 SEM 형태

3. 분석 및 토론

노치가 있으면 인장 과정에서 균일한 일축 응력 상태가 불균일한 삼축 응력 상태로 변환되어 노치 루트에 응력이 집중되는 현상이 발생합니다. 또한 노치는 팁을 제한하고 노치 팁의 변형을 제한합니다.

재료의 가소성이 다르기 때문에 노치는 전체 소성 변형 과정에서 다양한 정도의 응력 집중과 결합을 유발하여 재료마다 인장 강도에 다른 영향을 줄 수 있습니다.

10CrNi3MoV 강철은 가소성이 우수하고 평활 인장 시편은 횡방향 및 축방향 변형 능력이 우수합니다. 노치가 있는 시편은 노치 결합 효과를 경험하지만 인장 과정에서 노치로 인한 응력 집중을 완충할 수 있는 약간의 소성 변형이 여전히 존재합니다.

노치 깊이가 다른 인장 시편의 균열 시작 위치는 시편의 중앙에 위치하며, 딤플 골절로 정상적인 인장 골절 특성을 나타내는 큰 섬유 영역이 있습니다. 중앙의 축 방향 응력이 재료 자체의 정상적인 인장 파괴 저항을 초과하면 시편이 균열됩니다. 노치의 제약으로 인해 접선 소성 변형은 응력 방출에 덜 기여하고 파단 발생 시 전체 파단면의 응력 수준이 매우 높습니다.

균열이 시작되고 바깥쪽으로 확장되는 과정에서 전체 골절은 정상적인 인장 골절 저항을 초과하여 발생하는 딤플 골절을 나타내며 가장자리에 전단 입술이 적고 접선 골절이 특징입니다.

5083 알루미늄 합금 매끄러운 시편의 파단 표면은 약간의 축 방향 변형과 네킹이 있는 전형적인 45° 전단 파단입니다. 시료의 노치가 1mm인 경우 균열 시작 위치는 시료의 가장자리에 있습니다.

인장 시험 중 응력이 항복 응력을 초과하면 시료의 노치 근처에서 45° 각도의 전단 변형이 발생하기 시작하고 시험 중에 균열이 계속 수축합니다. 전단 변형은 45° 방향의 노치 섹션 전체에서 발생하며, 전단 변형이 발생한 위치에서 응력이 방출됩니다.

그러나 노치 팁 근처의 응력 집중과 많은 양의 전단 변형을 생성할 수 없기 때문에 축 방향 응력이 점차 증가합니다.

노치 모서리 하중이 파단 저항을 초과하면 모서리에서 국부적인 정상 인장 파괴가 발생하고 이후 축 방향 응력이 전체 파단에 전달됩니다.

골절이 전파되는 과정에서 시편은 45° 전단 변형을 겪은 부분을 따라 손상되어 톱니 모양의 골절을 형성합니다.

2mm 노치가 있는 시편의 경우 균열 시작 위치는 노치 섹션의 소성 변형과 탄성 변형이 교차하는 지점에 위치합니다.

노치가 있는 시편의 파단 시 응력이 항복 응력을 초과하지 않기 때문에 시편은 45° 전단 방향으로 큰 면적의 변형을 겪지 않습니다.

노치 루트의 응력이 샘플의 항복 응력을 초과하면 응력 집중으로 인해 소량의 소성 변형이 발생합니다.

그러나 노치의 결합 효과와 알루미늄 합금 슬립 시스템의 이동 특성으로 인해 샘플은 반경 방향으로 상당한 소성 변형을 겪을 수 없으며 소성 변형 영역이 샘플의 중앙까지 확장 될 수 없습니다. 결과적으로 소성 변형 영역과 탄성 변형 영역의 교차점에서 최대 힘이 가해집니다.

최대 힘이 재료의 파단 저항을 초과하면 최대 힘에서 정상 인장 파괴가 발생하여 전체 노치 섹션으로 확장됩니다. 파단 표면은 정상 인장 파단 특성을 가진 딤플 모양으로 표시됩니다.

반면, 500-7 연성 철 평활 시편의 파단 표면은 평평하고 응력 방향에 수직이며 취성 특성이 뚜렷하게 나타납니다. 매끄러운 시편은 인장 과정에서 최대 전단 응력으로 인해 특정 축 방향 및 반경 방향 변형을 경험합니다.

노치가 있는 시편은 가장자리에 응력 집중이 발생하고 인장 과정의 응력이 더 일찍 파괴 저항에 도달하여 시편이 균열을 시작하고 전체 단면으로 빠르게 확장됩니다.

노치의 결합 상태와 재료의 취성 경향으로 인해 소성 변형을 통해 노치 근처의 응력 집중을 완화하는 시편의 능력이 떨어집니다. 따라서 노치에서 중앙까지의 시편의 정상 응력은 크게 달라집니다.

일반적으로 모양이 불연속적이면 스트레스가 집중됩니다.

취성 재료의 경우 응력 집중으로 인해 시편이 조기에 파단되어 강도가 저하될 수 있습니다.

노치의 깊이가 증가함에 따라 뿌리의 응력 집중도가 높아져 시편이 조기에 파단되고 인장 강도가 낮아집니다.

그러나 노치 팁의 플라스틱 소재는 어느 정도의 소성 변형을 거쳐 노치 섹션을 따라 응력을 재분배함으로써 응력 집중을 완화할 수 있습니다.

세 번째 기준 힘 이론최대 전단 응력은 재료의 소성 변형과 파손을 일으키는 주요 요인이며, 정상 응력은 재료 파손 및 파손을 일으킬 수 있는 최대 정상 응력보다 훨씬 적습니다.

노치 시편에서 결합 상태는 최대 전단 응력 방향을 따라 재료의 변형을 제한하여 파단 모드가 절단에서 당김으로 변경되고 결과적으로 인장 강도가 증가합니다.

가소성이 더 좋은 소재의 경우 소성 변형으로 인해 노치 전체에 걸쳐 응력 분포가 더 균일해지고 노치가 위치한 부분이 소재의 이론적 인장 강도에 가까워져 인장 강도가 더 크게 증가하게 될 수 있습니다.

10CrNi3MoV 강철의 노치 시편의 인장 강도는 매끄러운 시편의 인장 강도보다 훨씬 높습니다. 그러나 소성이 불충분하거나 노치 결합이 현저하고 변형이 중앙까지 확장되지 않으면 탄성 변형과 소성 변형의 교차점에서 노치 섹션이 파괴될 수 있습니다.

계면 힘의 일부는 파단 전 탄성 영역에 남아 있습니다. 결과적으로 5083 알루미늄 합금의 노치 시편의 인장 강도는 매끄러운 시편보다 높지만 증가량은 10CrNi3MoV 강철보다 적습니다.

또한 노치가 깊을수록 소성 변형이 작아져 시편 코어가 이론적 인장 강도에 도달할 수 있습니다. 결과적으로 노치 근처의 강도가 덜 감소하여 노치가 있는 시편의 인장 강도가 증가합니다.

4. 결론

(1) 노치는 응력을 받는 재료의 응력 집중으로 이어집니다.

가소성이 우수한 소재의 경우 노치 팁의 소성 변형을 수행하여 노치 섹션의 응력 집중을 완화할 수 있습니다. 이 프로세스는 재료의 강도를 손상시키지 않고 응력을 고르게 분산시키는 데 도움이 됩니다.

그러나 취성 소재의 경우 노치 팁의 소성 변형 능력이 제한되어 있어 응력 집중을 효과적으로 완화하기 어렵습니다. 결과적으로 응력 집중은 재료의 국부적인 파손으로 이어질 수 있으며, 이는 전체 섹션으로 확산되어 궁극적으로 재료의 전체 강도를 떨어뜨릴 수 있습니다.

(2) 노치는 변형 중 소성 재료의 응력 상태와 파단 모드를 변경합니다.

플라스틱 재료의 파단 응력은 전단 응력에서 정상 응력으로 변화하여 파단 모드가 전단 파단에서 축 방향 정상 인장 파괴로 변경됩니다. 즉, 노치는 일반적으로 인장 응력을 증가시킵니다. 재료의 강도가소성이 높을수록 정상적인 인장 파괴의 비율이 커지고 인장 강도의 증가가 더 눈에 띄게 나타납니다.

그러나 취성 재료의 경우 노치 응력 집중의 영향으로 인해 파단 시 노치 루트에서 시료의 중심까지 정상 응력의 기울기가 크게 증가합니다. 결과적으로 미세 균열이 처음에 뿌리에서 형성되어 중앙으로 빠르게 전파되어 파단 모드의 변화 없이 인장 강도가 감소합니다.