피로 강도에 영향을 미치는 4가지 요인 공개 - 전문가 분석

일반적으로 수동 테스트에서 얻은 S-N 곡선은 노치가 없는 표준 시편에서 얻은 결과를 기반으로 합니다. 그러나 실제 애플리케이션에 사용되는 실제 부품은 모양, 크기, 표면 조건, 작업 환경 및 하중 특성이 다를 수 있으며, 이 모든 것이 부품의 피로 강도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

피로 강도에 영향을 미치는 요인은 역학, 야금, 환경의 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다. 이러한 요소는 상호 의존적이므로 다음에 미치는 영향을 종합적으로 평가하기는 어렵습니다. 피로 강도 설계 및 피로 수명 예측.

기계적 요인은 주로 응력 집중도와 평균 응력에 의해 영향을 받습니다. 야금학적 요인은 순도 및 강도와 같은 재료의 품질과 관련이 있습니다. 반면에 환경적 요인에는 부식성 물질의 존재와 고온이 포함됩니다.

대부분 상온의 일반 대기 조건에서 작동하는 철도 차량 부품의 경우 노치 모양, 크기, 표면 상태 및 평균 응력의 영향과 같은 기계적 및 야금학적 요인에 중점을 두어야 합니다.

이러한 요인이 피로 한계에 미치는 영향에 대한 구체적인 정보는 경험적 공식을 사용하여 관련 매뉴얼 및 자료에서 확인할 수 있습니다.

이 글에서는 피로 강도 설계 및 피로 수명 예측에서 이해해야 하는 중요한 법칙과 현상, 그리고 반드시 고려해야 하거나 고려해야 하는 예방 조치에 대해 설명합니다.

1. 노치 모양 효과

부품이나 구성품에는 숄더 스텝, 볼트 구멍, 오일 구멍, 키홈 등과 같은 노치가 있는 경우가 많습니다. 이러한 노치의 특징은 노치에서 부품의 단면적에 갑작스러운 변화가 발생하여 노치 루트의 응력이 크게 증가한다는 것입니다. 이러한 응력 증가를 응력 집중이라고 합니다.

노치에서의 응력 집중은 부품의 피로 강도를 감소시키는 주요 요인입니다. 응력 집중으로 인해 노치 루트의 실제 응력이 공칭 응력보다 훨씬 높아져 피로 균열이 형성되고 결국 부품의 고장 또는 파손으로 이어집니다.

스트레스 집중 정도는 스트레스 집중 계수(이론적 스트레스 집중 계수라고도 함) Kt로 설명되며, 이는 다음과 같이 표현됩니다:

여기서 σ_최대 는 최대 응력을 나타내고, σ₀ 는 노치의 순 단면적에 하중을 나누어 계산한 평균 응력을 나타내며, 공칭 응력이라고도 합니다.

일정 범위 내에서 노치근의 곡률반경 ρ이 작을수록 응력 집중이 커지고 피로 강도 감소가 커집니다. 그러나 저탄소강 및 중탄소강과 같은 플라스틱 소재의 경우 노치근의 곡률 반경이 작아지고 수 밀리미터에 가까워지면 피로 강도 감소가 작아지거나 심지어 감소가 멈춥니다.

이 경우 응력 집중 계수는 더 이상 노치가 피로 강도에 미치는 영향을 정확하게 반영하지 못합니다. 피로 강도의 실제 감소를 보다 정확하게 반영하기 위해 피로 노치 계수 K_f (이전에는 유효 스트레스 농도 계수로 알려짐)가 자주 사용됩니다.

여기서 σ_w0 와 σw는 각각 노치가 없는 매끄러운 시편과 노치가 있는 시편의 피로 한계를 나타냅니다.

다음 그림은 스트레스 집중 계수 K 사이의 관계를 보여줍니다._t 및 피로 노치 계수 K_f 강철의 경우.

그림과 같이 저탄소강과 중탄소강의 경우 응력 집중 계수가 2~2.5 미만인 경우 K_t 및 K_f 는 일반적으로 비슷합니다. 그러나 이 값을 초과하면 K_f 속도가 크게 느려집니다.

고강도 비율의 고탄소강의 경우 K_f 는 K에 따라 선형적으로 증가합니다._t 장거리에 걸쳐

고강도 강철의 피로 강도는 노치의 존재에 매우 민감한 반면, 저강도 및 중간 강도 강철의 피로 강도는 노치에 덜 민감하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

일반적으로 K_f 가 K보다 작으면_t이지만 고탄소강에 날카로운 노치가 있는 경우 K_t 가 K보다 클 수 있습니다._f. 이는 볼트 부품에서도 발생할 수 있는데, 여기서 K_t 4에 도달할 수 있고_f 는 8~10이 될 수 있습니다. 이는 하나의 스레드에 여러 개의 부하가 집중되어 스레드 간에 부하가 고르지 않게 분산되기 때문입니다.

매끄러운 소재의 경우 표면 담금질, 침탄과 같은 표면 열처리, 그리고 질화 를 사용하면 피로 강도를 효과적으로 개선할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 효과가 없거나 심지어 노치가 있는 소재의 피로 강도를 감소시킬 수도 있습니다. 열처리를 통해 표면 강도는 향상되지만 노치에 대한 민감도도 증가하기 때문입니다.

다음 그림은 응력 농도가 증가함에 따라 노치가 있는 고강도 강철과 가소성이 좋은 저강도 강철의 피로 강도 변화를 보여줍니다. 응력 농도가 작은 범위에서 K_t의 경우 고강도강의 피로 강도는 저강도강의 피로 강도보다 훨씬 높습니다. 그러나 응력 집중 계수가 증가함에 따라 고강도 강철의 피로 강도는 저강도 강철보다 더 빠르게 감소하여 고강도 강철의 피로 강도는 저강도 강철의 피로 강도와 거의 동일해집니다.

용접 부품의 경우, 피로 강도가 현저히 감소하는 경우가 많습니다. 열 영향 구역 구조적 노치 근처에 위치하며 용접 결함 및 잔류 인장 응력이 존재할 수 있습니다. 이러한 감소는 정상보다 몇 배 또는 10배 이상 클 수 있습니다.

피로 노치 계수는 부품의 크기에 의해서도 영향을 받을 수 있습니다. 일반적으로 동일한 노치의 경우 크기가 커질수록 피로 노치 계수가 증가합니다.

노치가 있는 소재 또는 부품의 피로 수명을 개선하려면 응력 집중을 줄이거나 개선하는 구조 설계 및 공정 선택을 수행하는 것이 가장 효과적입니다.

그러나 표면이 거칠고 크기가 크면 구성 요소의 피로 강도가 떨어질 수 있습니다.

2. 부품의 크기 효과

피로 테스트에 사용되는 시편의 직경은 일반적으로 5~10mm로 실제 부품 크기보다 훨씬 작습니다.

굽힘 및 비틀림 하중을 받는 부품의 경우 크기가 커질수록 피로 강도가 감소합니다. 그러나 축 방향 인장 및 압축 하중의 경우 크기는 최소한의 영향을 미칩니다.

피로도 한계에 대한 사이즈의 영향은 사이즈 영향 계수(ε)로 표시됩니다.

여기서 σ_d 및 σ_d0 는 각각 모든 크기와 표준 크기의 매끄러운 시편의 피로 한계를 나타냅니다.

다음에 대한 크기 효과 고강도 강철 은 저강도 강철보다 크며, 표면이 거친 부품의 경우 크기 효과가 더 두드러집니다.

크기 효과는 주로 재료의 구조 상태와 응력 기울기가 큰 부품의 피로 강도에 미치는 영향에 기인합니다.

재료의 크기가 커질수록 제조 공정을 제어하기가 더 어려워지고, 재료 구조가 균일하지 않고 콤팩트해지며, 금속학적 결함이 많아지고 표면적이 넓어져 이러한 결함의 발생 가능성이 높아집니다.

이로 인해 대형 시편 표면의 피로 및 균열 위험이 높아집니다. 금속학적 결함으로 인한 국부적인 응력 집중은 피로 균열의 형성으로 이어집니다.

응력 구배의 영향과 관련하여 굽힘, 비틀림 및 기타 하중을 받을 때 부품의 크기가 클수록 작동 응력의 구배가 작고 단위 면적당 평균 응력이 높아지며 피로 균열이 형성되기 쉽습니다.

3. 표면 상태의 영향

표면 조건은 다음과 같은 다양한 요인에 영향을 미칩니다. 표면 거칠기표면 응력 상태, 표면 소성 변형 정도, 표면 결함 등을 확인할 수 있습니다.

테스트 프로세스에서는 표면이 연마된 표준 샘플을 사용하지만 실제 부품은 가공, 단조 또는 주조된 표면을 가진 경우가 많습니다.

기계 가공으로 인해 부품 표면의 플라스틱 가공물이 경화될 수 있습니다.

절단은 종종 표면에 잔류 압축 응력을 남기므로 피로 강도는 향상되지만 제한적인 범위에서만 향상됩니다.

반면에 연삭은 잔류 인장 응력을 유발하여 피로 강도에 해로울 수 있습니다.

또한 가공된 표면의 미세한 거칠기는 응력 집중을 유발하고 피로 강도를 감소시킬 수 있습니다.

이러한 요인들의 복합적인 효과로 인해 표준 샘플에 비해 피로 강도가 낮아집니다.

단조 또는 주조 표면은 일반적으로 거칠기와 표면 작업 경화 층이 더 높고 잔류 압축 응력이 있어 피로 강도가 크게 감소합니다.

결론적으로 표면 처리 방식이 거칠수록 피로 강도 감소에 미치는 영향이 커집니다.

표면 처리 조건이 피로 강도에 미치는 영향은 표면 처리 계수(β)로 표현됩니다.

여기서 σ_β 는 특정 표면 상태의 표준 매끄러운 샘플의 피로 한계를 나타내며, σ_β0 는 연마된 표준 매끄러운 샘플의 피로 한계를 나타내며, '해외'는 표면이 연마된 표준 매끄러운 샘플을 의미합니다.

야금학적 관점에서 거친 가공은 고강도 소재의 피로 강도에 큰 영향을 미치므로 고강도 강재는 거친 가공 상태에서는 피로 강도를 향상시키지 못할 수 있습니다. 이는 주로 거친 표면에 대한 고강도 소재의 높은 노치 민감도와 고강도 강철 표면에 대한 가공의 최소한의 가공 경화 효과 때문입니다.

표면 결함의 영향에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았습니다. 탈탄, 표면 범프 자국, 스크래치 등이 피로 강도에 영향을 미칩니다. 그러나 우발적인 원인으로 인한 표면 결함은 피로 강도에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 설계, 특히 제조 공정에서 이러한 문제에 충분한 주의를 기울여야 합니다.

매끄러운 소재의 경우 표면 열처리 및 기타 표면 변형 방법으로 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 그러나 실제 부품과 같이 노치가 있는 소재의 경우 이러한 방법은 효과가 거의 없으며 오히려 역효과가 발생할 수도 있습니다. 결과적으로, 샷 피닝 및 압연은 종종 작업 경화 및 표면에 잔류 압축 응력을 생성하여 부품의 피로 강도를 향상시키는 데 사용됩니다.

그러나 이 두 가지 방법은 일반적으로 구멍이 있는 부품의 피로 강도를 크게 향상시키지 못합니다. 최신 연구에 따르면 간단한 금속 다이 을 사용하여 구멍의 가장자리를 소량 모따기하면 피로 강도를 크게 향상시키고 노치의 영향을 제거하여 피로 한계를 줄일 수 있습니다.

과거에는 표면 플라스틱 가공 방법에서 피로 강도가 개선되는 주된 이유가 표면에 발생하는 잔류 압축 응력이 작업 응력의 일부를 상쇄하기 때문이라고 일반적으로 생각했습니다.

그러나 노치의 잔류 압축 응력에 의해 생성되는 압축 집중 응력은 노치의 부정적인 영향을 상쇄합니다. 소성 변형은 노치 근처의 약한 부분을 강화하여 구조를 더욱 균일하게 만들고 전체 강도를 개선하여 피로 균열을 생성하는 응력 수준을 개선합니다.

또한 잔류 압축 응력으로 인해 피로 균열이 성장을 멈추고 유지 균열이 됩니다.

4. 평균 스트레스의 영향

앞서 언급했듯이 피로 실패 는 동적 응력이지만 정적 응력 성분 또는 평균 응력도 피로 한계에 어느 정도 영향을 미칩니다. 특정 범위의 정적 응력에서 압축 정적 응력이 증가하면 피로 한계가 높아지는 반면 인장 정적 응력이 증가하면 피로 한계가 낮아집니다.

다음과 같은 사실은 널리 알려져 있습니다. 잔류 스트레스 는 평균 응력과 피로 한계에 비슷한 영향을 미칩니다. 주어진 재료에 대해 다양한 평균 응력 또는 응력 비율(R)에 따른 피로 한계 결과를 바탕으로 피로 한계 다이어그램을 그릴 수 있습니다.

아래 다이어그램은 차원이 없는 양, 평균 응력의 비율(σ_m) 또는 잔류 스트레스)를 강도 한계(σ_b), x축의 응력 진폭 비율(σ_a)를 대칭 주기적 피로 한계(σ_-1)를 Y축에 표시합니다.

그림은 대부분의 테스트 데이터 포인트가 직선과 곡선 사이에 있음을 나타냅니다. 직선을 굿맨 선이라고 하고 곡선을 거버 포물선이라고 합니다. 소더버그 선은 강도 한계(σ_b)와 수율 한계(σ_s). 마찬가지로, 모로우 라인은 σb를 실제 파단 응력(σ_f).

굿맨 라인:

거버 라인:

소더버그 라인:

모로우 라인:

굿맨 선은 연성 금속에 대한 보수적이고 간단한 접근법으로 피로 설계에 널리 사용되는 방법입니다. 또 다른 자주 사용되는 방법은 이상적으로 개선된 굿맨 다이어그램입니다.

다음 그림은 굽힘 피로 하중을 받는 I형 강철 버트 빔의 이상적 개선 굿맨 다이어그램을 보여줍니다. X축은 최소 응력(σ_분), Y축은 최대 응력(σ_최대), 선형 방정식은 다음과 같습니다:

여기서, m은 굿맨 선의 기울기, b는 Y축 선의 절편, 최소 응력이 0일 때 맥동 주기의 피로 한계입니다.

피로 한계를 최대 응력, 즉 σ로 표현할 때 σ _w= σ _최대응력비 R= σ _최대/ σ _Min.

모로우 라인에는 다음이 포함됩니다:

주어진 응력비(R)에서의 피로 한계는 위의 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 그러나 차량의 실제 구조는 S-N 곡선을 구한 테스트 조건보다 훨씬 더 복잡합니다. 용접 유형 스트레스 농도.

미국 AAR 표준은 다양한 용접 구조물의 피로 강도에 대한 유용한 지침을 제공하므로 실제 계산에서 "b"와 "m"의 값은 AAR 표준에서 가져옵니다.

테스트 결과 정적 하중 성분이 응력 집중 계수, 치수 계수 및 표면 계수에 미치는 영향은 미미하며 무시할 수 있는 것으로 나타났습니다.