재료의 피로 특성에 영향을 미치는 6가지 요인 공개

재료 피로의 유형

스트레인 피로(낮은 주기 피로): 이 유형의 피로는 높은 스트레스 수준에서 제한된 횟수의 사이클에서 발생합니다. 스트레인 피로로 인한 재료 손상은 일반적으로 허용 가능한 스트레인 값에 의해 규제됩니다.

스트레스 피로(고주기 피로): 이 유형의 피로는 낮은 스트레스 수준과 높은 사이클 횟수에서 발생합니다. 일반적으로 허용 응력 값에 의해 조절되는 응력 피로로 인해 재료가 손상됩니다.

이차 피로: 이러한 유형의 피로는 스트레스 수준이 특정 값 이하로 떨어질 때 발생하여 균열이 더 이상 자라지 않게 됩니다.

머티리얼의 피로 특성에 영향을 미치는 요인

1. 평균 스트레스

재료의 피로 특성은 가해진 응력(S)과 고장까지의 사이클 수(N) 사이의 관계로 표현됩니다.

피로 하중에서 가장 단순한 유형의 부하 스펙트럼은 일정한 진폭의 주기적 스트레스입니다.

응력비(R)가 -1인 경우, 대칭적인 일정한 진폭의 주기적 하중을 받는 테스트에서 얻은 응력-수명 관계는 재료의 기본 피로 성능 곡선을 나타냅니다.

스트레스 비율(R) 변경이 피로 성능에 미치는 영향은 나중에 설명합니다.

위 그림에서 볼 수 있듯이 응력 비율 R의 증가는 평균 주기적 응력 S의 증가를 나타냅니다._m 가 증가합니다. 그리고 스트레스 진폭 S_a 가 주어지면 있습니다:

S_m = (1+R)S_a/(1-R)

일반적으로 S_a 가 주어지면 R이 증가하고 평균 스트레스 S_m 도 증가합니다.

주기적 하중에서 인장 부분의 증가는 다음과 같은 시작 및 전파에 불리합니다. 피로 균열를 섭취하면 피로 수명을 줄일 수 있습니다.

평균 스트레스가 S-N 곡선에 미치는 영향의 일반적인 추세는 아래 그림에 나와 있습니다.

기본 S-N 곡선은 평균 응력인 S_m는 0과 같습니다.

S_m 가 0보다 크면 재료가 인장 평균 응력을 받는다는 의미로, S-N 곡선이 아래쪽으로 이동합니다. 이는 동일한 응력 진폭에서 재료의 수명이 감소하거나, 또는 피로 강도 가 감소하여 피로에 부정적인 영향을 미칩니다.

S_m 가 0보다 작으면 재료에 압축 평균 응력이 가해져 S-N 곡선이 위쪽으로 이동합니다. 이는 동일한 응력 진폭에서 재료의 수명이 증가하거나 동일한 수명에서 피로 강도가 증가하며 압축 평균 응력이 피로에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.

주기적 스트레스 진폭(S_a) 및 평균 스트레스(S_m)를 주어진 수명(N)에 대해 연구하고 그 결과를 다음 그림에 표시합니다.

평균 스트레스(S_m)가 증가하면 해당 응력 진폭(S_a)가 감소합니다. 그러나 평균 스트레스(S_m)는 절대 궁극의 힘(S_u).

궁극의 힘(S_u)는 강도가 높은 취성 재료의 최종 인장 강도로 정의되거나 항복 강도 연성 재료의 비율입니다.

그림은 피로 한계(S-1)와 최종 강도(S_u).

따라서 동등한 수명 조건에서의 Sa-Sm 관계는 다음과 같이 설명할 수 있습니다:

(S_a/S-1) + (S_m/S_n) = 1

그림에서 포물선 곡선은 거버 곡선이라고 하며, 데이터 포인트는 주로 이 곡선 근처에 위치합니다.

또 다른 표현은 그림에 표시된 직선으로, 이를 참조합니다:

n(S_a/S-1) + (S_m/S_n) = 1

위에서 언급한 방정식을 굿맨 선이라고 하며, 모든 테스트 포인트는 일반적으로 이 선 위에 있습니다.

직선 형태는 간단하고 주어진 수명에 대해 Sa-Sm 관계를 추정하는 데 신중하기 때문에 엔지니어링 실무에서 많이 사용됩니다.

2. 로드 양식

재료의 피로 한계는 다양한 하중 형태에 대해 다음과 같은 경향을 보입니다:

S(구부리기)>S(늘이기)>S(비틀기)

동일한 수준의 인장 응력이 가해졌다고 가정하면 인장 및 압축 시 고응력 영역의 부피는 시험 중인 시편의 전체 부피와 동일합니다. 그러나 굽힘의 경우 고응력 영역의 부피는 훨씬 더 작습니다.

피로 실패 은 주로 두 가지 요인, 즉 가해지는 응력의 크기(외부 원인)와 재료의 피로 파괴에 대한 저항력(내부 원인)에 의해 결정됩니다. 일반적으로 고장은 응력이 높은 영역이나 재료 결함에서 발생합니다.

최대 주기적 응력(S_최대)가 동일하면 인장 및 압축 사이클 동안 높은 응력 영역에 있는 재료의 부피가 크면 결함 및 균열이 발생할 가능성이 높아집니다. 따라서 동일한 응력 수준에서 인장-압축 주기 하중을 받는 시편의 수명은 굽힘 하중보다 짧습니다.

즉, 동일한 사용 수명의 경우 인장-압축 사이클에서의 피로 강도는 굽힘 상태보다 낮습니다. 비틀림 시에는 피로 수명이 더 감소하지만 부피에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

다양한 스트레스 상태에서의 피로 수명 차이는 다양한 고장 기준으로 설명할 수 있지만 여기서는 더 이상 설명하지 않겠습니다.

3. 크기 효과

다양한 시편 크기가 피로 성능에 미치는 영향은 고응력 영역의 부피가 다양하기 때문일 수도 있습니다.

응력 수준이 일정하게 유지되는 경우 시편 크기가 클수록 응력이 높은 영역에서 재료의 부피가 커집니다.

피로는 응력이 높은 영역 내에서 재료의 가장 약한 지점에서 발생합니다. 부피가 클수록 결함이나 약점이 발생할 확률이 높아집니다.

따라서 대형 부품의 피로 저항은 소형 시편의 피로 저항보다 낮습니다. 즉, 주어진 수명 N에 대해 대형 부품의 피로 강도는 감소합니다. 또한 주어진 응력 수준에서 대형 부품의 피로 수명도 감소합니다.

4. 표면 마감

피로 국소성의 개념에서 시편의 표면이 거칠면 국부 응력 집중이 증가하여 균열 시작 수명이 단축된다는 것은 분명합니다.

재료의 기본 S-N 곡선은 미세 연삭을 통해 마감이 양호한 표준 시편을 측정하여 결정됩니다.

5. 표면 처리

일반적으로 피로 균열은 항상 표면에서 발생합니다. 피로 성능을 향상시키기 위해 표면 마감을 개선하는 것 외에도 다양한 방법이 자주 사용됩니다. 이러한 방법은 압축을 도입하는 것을 목표로 합니다. 잔류 스트레스 를 부품의 응력이 높은 표면에 부착하여 피로 수명을 늘리는 것을 목표로 합니다.

주기적 응력이 1-2-3-4 순서와 같고 평균 응력이 S로 표시된 경우_m압축을 추가합니다. 잔류 스트레스 S_res 를 사용하면 원래의 스트레스 시퀀스와 -S를 중첩한 1′-2′-3′-4′의 새로운 스트레스 레벨이 생성됩니다._res. 이는 평균 스트레스가 S'_m를 사용하여 피로 성능이 향상됩니다.

구성 요소의 피로 수명을 향상시키는 일반적인 방법에는 표면 사출이 포함됩니다. 피닝부품의 냉간 압출 및 표면에 잔류 압축 응력의 도입.

소재의 강도는 피로 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 재료 강도가 높을수록 주기적 응력 수준이 낮아져 수명이 길어지고 수명 연장 효과가 향상됩니다.

샷 피닝은 응력 구배 또는 노치 응력 집중이 있는 영역에서 특히 효과적입니다.

Surface 질화 또는 침탄 처리는 재료 표면의 강도를 개선하고 압축 잔류 응력을 유도하여 피로 성능 향상에 기여할 수 있습니다.

테스트 결과에 따르면 질화 또는 침탄 처리는 강철의 피로 한계를 두 배로 늘릴 수 있습니다. 이 효과는 노치가 있는 시편에서 더욱 두드러집니다.

6. 환경 및 온도의 영향

재료의 S-N 곡선은 일반적으로 실온 및 대기 조건에서 얻습니다.

바닷물, 산, 알칼리 등 부식성 환경에서의 피로를 부식 피로라고 합니다.

부식성 매체의 존재는 피로에 해로운 영향을 미칩니다.

부식 피로는 기계적 및 화학적 작용을 모두 포함하는 복잡한 과정이며 그 고장 메커니즘도 복잡합니다.

부식 피로에 영향을 미치는 요인에는 여러 가지가 있으며, 일반적인 경향은 다음과 같습니다:

(1) 부하 주기 주파수의 영향이 중요합니다. 비부식성 환경에서는 주파수가 비교적 넓은 주파수 범위(예: 200Hz)에서 재료의 S-N 곡선에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 부식성 환경에서는 주파수가 감소함에 따라 동일한 사이클 수에서 경험하는 시간이 증가하여 부식이 피로 성능 저하에 상당한 영향을 미칠 수 있는 충분한 시간을 제공합니다.

(2) 부식성 매체(예: 바닷물)에 반침수하는 것은 완전 침수하는 것보다 더 불리합니다.

(3) 내식 피로 저항성이 우수한 내식성 강철은 부식성 환경에서 피로 한계가 크게 감소하거나 심지어 완전히 사라지는 일반 탄소강보다 성능이 더 우수합니다.

(4) 금속 재료의 피로 한계는 일반적으로 온도가 감소함에 따라 증가합니다. 그러나 온도가 낮아지면 재료의 파단 인성도 감소하여 저온 취성이 발생합니다. 일단 균열이 발생하면 불안정성 골절이 발생할 가능성이 높아집니다. 온도가 높으면 재료의 강도크리프를 유발할 수 있으며 피로에 좋지 않습니다. 또한 피로 성능을 개선하기 위해 도입된 잔류 압축 응력도 온도가 상승함에 따라 사라진다는 점에 유의해야 합니다.