금속 재료의 피로 강도에 영향을 미치는 8가지 요인

재료의 피로 강도는 다양한 내부 및 외부 요인에 매우 민감합니다.

외부 요인에는 부품의 모양, 크기, 표면 마감 및 서비스 조건이 포함되며 내부 요인에는 재료의 구성, 미세 구조, 순도 및 잔류 응력이 포함됩니다.

이러한 요인의 작은 변화만으로도 재료의 피로 성능에 변동이 생기거나 큰 변화가 생길 수 있습니다. 다양한 요인이 피로 강도에 미치는 영향을 이해하는 것은 피로 연구에서 매우 중요합니다.

이 연구는 부품의 적절한 구조 설계, 적절한 재료 선택, 냉간 및 고온 가공 기술의 효과적인 구현을 위한 기반을 제공하여 부품이 높은 피로 성능을 갖출 수 있도록 합니다.

금속 재료의 피로 강도에 영향을 미치는 요인

다음은 표 형식의 내용입니다:

01 E스트레스 집중의 영향

피로 강도를 측정하는 기존의 방법에는 세심하게 가공된 매끄러운 시편을 사용하는 것이 포함됩니다.

하지만 실제로 기계 부품에는 계단, 키홈, 나사산, 오일 구멍 등 다양한 형태의 틈이 있는 경우가 많습니다.

이러한 노치로 인해 응력이 집중되어 노치 루트의 최대 실제 응력이 부품의 공칭 응력보다 훨씬 더 커집니다.

그 결과 피로 실패 이 노치에서 시작되는 경우가 많습니다.

이론적 스트레스 집중 계수 Kt:

이상적인 탄성 조건에서 노치의 루트에서 공칭 응력에 대한 최대 실제 응력의 비율은 탄성 이론에 따라 계산됩니다.

유효 스트레스 농도 계수(또는 피로 스트레스 집중 요인) Kf:

매끄러운 시편의 피로 한계(σ-1)와 노치된 시편의 피로 한계(σ-1n)를 평가합니다.

유효 응력 집중 계수는 구성 요소의 크기와 모양뿐만 아니라 재료의 물리적 특성, 가공, 열처리 및 기타 요인에 의해서도 영향을 받습니다.

유효 응력 집중 계수는 노치 선명도가 증가함에 따라 증가하지만 일반적으로 이론적 응력 집중 계수보다 낮습니다.

피로 노치 민감도 계수 q:

피로 노치 민감도 계수는 피로 노치에 대한 재료의 민감도를 나타내며 다음 공식으로 계산됩니다:

q 값의 범위는 0에서 1 사이입니다. q 값이 작을수록 특성화 중인 재료가 노치에 덜 민감합니다.

q는 재료에 대한 상수일 뿐만 아니라 노치의 크기에 따라 달라진다는 것이 입증되었습니다.

q 값은 노치의 반경이 특정 값보다 클 때만 노치와 독립적인 것으로 간주되며, 이는 재료 또는 처리 상태에 따라 달라집니다.

02 크기 요인의 영향

재료 구조의 불균일성과 내부 결함의 존재로 인해 재료의 크기가 커질수록 고장 가능성이 높아져 피로 한계가 낮아집니다.

크기 효과 현상은 작은 실험실 시편에서 더 큰 실제 부품으로 피로 데이터를 추정할 때 중요한 문제입니다.

실제 크기의 부품의 응력 농도와 응력 기울기를 작은 샘플에 재현하는 것은 불가능하기 때문에 실험실에서 얻은 결과와 피로 실패 특정 특정 부품의

03 I표면 처리 상태의 영향

가공된 표면에는 항상 작은 틈새처럼 작용하는 고르지 않은 가공 자국이 있어 재료 표면에 응력이 집중되고 피로 강도가 감소합니다.

연구에 따르면 철강 및 알루미늄 합금를 사용하면 황삭 가공(황삭 선삭)의 피로 한계가 종방향 연마에 비해 10%에서 20% 이상 감소합니다.

강도가 높은 소재는 표면 마감에 더 민감합니다.

04 의 영향 로딩 중 경험

실제로 엄격하게 일정한 스트레스 진폭에서 작동하는 부품은 없습니다.

과부하 및 2차 하중은 재료의 피로 한계에 영향을 미칠 수 있습니다.

연구에 따르면 과부하 손상과 2차 하중 훈련은 자료에 널리 퍼져 있습니다.

과부하 손상은 재료가 피로 한계보다 높은 하중을 일정 횟수 동안 받은 후 재료의 피로 한계가 감소하는 것을 말합니다.

아래 그림과 같이 과부하 수준이 높을수록 손상 주기가 더 빨리 발생합니다.

과부하 손상 경계

특정 조건에서는 제한된 수의 과부하가 발생해도 자료가 손상되지 않을 수 있습니다.

변형 강화, 균열 팁 패시베이션 및 잔류 압축 응력의 효과로 인해 재료도 강화되어 피로 한계가 개선됩니다.

따라서 과부하 피해에 대한 개념을 수정하고 수정해야 합니다.

2차 하중 훈련 현상은 피로 한계 이하이지만 특정 한계값을 초과하는 응력 하에서 일정 횟수의 사이클을 반복한 후 재료의 피로 한계가 증가하는 것을 말합니다.

보조 부하 훈련의 영향은 재료 자체의 특성에 따라 달라집니다.

일반적으로 가소성이 좋은 소재는 훈련 주기가 길고 훈련 스트레스가 높아야 합니다.

05 화학 성분의 영향

피로 강도와 인장 강도는 특정 조건에서 강한 상관관계가 있습니다.

따라서 특정 조건에서는 합금 원소 인장 강도를 향상시키는 물질을 사용하면 재료의 피로 강도도 향상시킬 수 있습니다.

다양한 요인 중 탄소가 가장 큰 영향을 미치는 요인은 재료의 강도.

그러나 일부 불순물이 형성되는 경우 강철의 내포물 는 피로 강도에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

06 열처리가 미세 구조에 미치는 영향

열처리가 피로 강도에 미치는 영향은 주로 미세 구조의 영향이며, 열처리에 따라 미세 구조가 달라지기 때문입니다.

동일한 구성의 재료라도 다양한 열처리를 통해 동일한 정적 강도를 얻을 수 있지만, 미세 구조에 따라 피로 강도는 크게 달라질 수 있습니다.

비슷한 강도 수준에서 플레이크 펄라이트의 피로 강도는 입상 펄라이트의 피로 강도보다 눈에 띄게 낮습니다.

시멘타이트 입자가 작을수록 피로 강도가 높아집니다.

미세 구조가 피로 속성 는 다양한 구조의 기계적 특성뿐만 아니라 복합 구조에서 구조의 입자 크기 및 분포 특성과도 관련이 있습니다.

입자 세분화는 소재의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다.

07 내포물의 영향

내포물이나 구멍이 생기면 작은 노치 역할을 하여 교대 하중 하에서 응력과 변형이 집중되고 피로 파괴의 원인이 되어 재료의 피로 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

내포물이 피로 강도에 미치는 영향은 내포물의 종류, 성질, 모양, 크기, 양, 분포뿐만 아니라 재료의 강도 수준, 가해진 응력의 상태 및 수준 등 다양한 요인에 따라 달라집니다.

다양한 유형의 내포물에는 고유한 기계적 및 물리적 특성이 있으며, 그 영향은 다음과 같습니다. 피로 속성 는 다양합니다. 황화물과 같은 플라스틱 내포물은 강철의 피로 특성에 거의 영향을 미치지 않는 반면 산화물 및 규산염과 같은 부서지기 쉬운 내포물은 상당한 악영향을 미치는 경향이 있습니다.

황화물과 같이 매트릭스보다 팽창 계수가 큰 개재물은 매트릭스의 압축 응력으로 인해 영향이 적고, 알루미나와 같이 매트릭스보다 팽창 계수가 작은 개재물은 매트릭스의 인장 응력으로 인해 영향이 더 큽니다. 인클루전 및 모재 금속의 소형화도 피로 강도에 영향을 미칩니다.

포함물의 유형도 충격에 영향을 미칠 수 있습니다. 변형이 쉽고 모재와 잘 결합하는 황화물은 충격이 적은 반면, 모재에서 분리되기 쉬운 산화물, 질화물 및 규산염은 응력 집중을 초래하여 더 큰 악영향을 미칩니다.

내포물이 재료의 피로 특성에 미치는 영향은 하중 조건에 따라 달라집니다. 높은 하중 하에서 외부 하중은 내포물의 존재 여부에 관계없이 재료에 소성 흐름을 유도하기에 충분하며 그 영향은 미미합니다.

그러나 재료의 피로 한계 응력 범위에서 내포물의 존재는 국부 변형률 집중을 유발하고 소성 변형의 제어 요소가 되어 피로 강도에 큰 영향을 미칩니다.

즉, 내포물은 주로 재료의 피로 한계에 영향을 미치며 높은 응력 조건에서 피로 강도에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 재료의 피로 성능을 개선하기 위해 진공 제련, 진공 탈기, 진공 제련과 같은 정제 제련 방법과 일렉트로슬래그 재용융은 강철의 불순물 함량을 효과적으로 줄이는 데 사용할 수 있습니다.

08 표면 특성 변화 및 잔류 응력의 영향

앞서 언급한 표면 마감 외에도 표면 상태의 영향에는 표면 기계적 특성의 변화와 다음과 같은 효과도 포함됩니다. 잔류 스트레스 피로 강도에 영향을 미칩니다.

표면층의 기계적 특성의 변화는 표면층의 화학적 조성 및 미세 구조가 다르거나 표면의 변형 강화로 인한 것일 수 있습니다.

침탄과 같은 표면 열처리, 질화및 탄질화는 부품의 내마모성을 높일 뿐만 아니라 피로 강도, 특히 부식 피로 및 피팅에 대한 내성을 향상시킬 수 있습니다.

표면 화학 열처리가 피로 강도에 미치는 영향은 하중 모드, 층의 탄소 및 질소 농도, 표면 경도 및 구배, 표면 경도와 코어 경도의 비율, 층의 깊이, 형성된 잔류 압축 응력의 크기 및 분포에 따라 크게 달라집니다. 표면 처리.

수많은 테스트 결과, 노치를 먼저 가공한 후 화학 열처리로 처리하는 경우 일반적으로 노치가 날카로울수록 피로 강도가 더 크게 향상되는 것으로 나타났습니다.

표면 처리가 피로 특성에 미치는 영향은 로딩 모드에 따라 달라집니다.

축 방향 하중에서는 층의 깊이에 따라 응력 분포가 고르지 않으므로 표면과 층 아래의 응력이 동일합니다.

이 시나리오에서 표면 처리는 코어 재료가 강화되지 않기 때문에 표면층의 피로 성능만 향상시킬 수 있으므로 피로 강도 향상에 한계가 있습니다.

굽힘 및 비틀림 조건에서 응력은 표면층에 집중되고 잔류 스트레스 표면 처리와 외부 응력이 중첩되어 표면의 실제 응력이 감소합니다.

동시에 표면 소재의 강화는 굽힘 및 비틀림 조건에서 피로 강도를 향상시킵니다.

반면 침탄, 질화, 탄질화와 같은 화학적 열처리는 다음과 같은 이유로 인해 부품의 표면 강도가 감소하면 재료의 피로 강도가 크게 감소할 수 있습니다. 탈탄 열처리 중입니다.

마찬가지로 Cr 및 Ni와 같은 표면 코팅의 피로 강도는 코팅의 균열로 인한 노치 효과, 모재 내 코팅으로 인한 잔류 인장 응력으로 인해 감소합니다. 수소 취성 전기 도금 공정 중 수소 흡수로 인해 발생합니다.

저경화성 강재의 유도 담금질, 표면 화염 담금질 및 쉘 담금질은 일정 깊이의 표면 경도층을 생성하고 표면층에 유리한 잔류 압축 응력을 형성하여 부품의 피로 강도 향상에 효과적인 방법이 될 수 있습니다.

표면 롤링 및 샷 피닝 은 시편 표면에 일정 깊이의 변형 경화 층을 생성하고 잔류 압축 응력을 생성하여 피로 강도를 향상시키는 효과적인 방법이기도 합니다.

표면 가공 최적화를 통해 재료의 피로 강도를 어떻게 향상시킬 수 있을까요?

표면 가공 조건의 최적화를 통해 소재의 피로 강도를 향상시키는 방법은 여러 가지가 있습니다:

잔여 압축 스트레스를 소개합니다: 부품 가공이 끝날 무렵에는 샷 피닝과 같은 방법을 사용하여 일정한 크기와 깊이의 압축 응력을 도입합니다. 이를 통해 표면 무결성을 효과적으로 개선하고 피로 수명과 강도를 높일 수 있습니다. 잔류 압축 응력은 엔지니어링 소재의 피로 저항성과 응력 내식성을 향상시키는 중요한 강화 메커니즘이라는 것은 널리 알려져 있습니다.

표면 변형 최적화: 나노 단위의 가공 경화를 추구하면 강도를 위해 연성을 희생할 수 있지만 균열 전파를 가속화하여 피로에 해로울 수 있습니다. 따라서 표면 변형의 경화 효과를 과도하게 추구하는 것은 피로 성능에 악영향을 미치지 않도록 피해야 합니다.

롤링 강화: 기계적 표면 강화 기술 중 하나인 압연 강화 공정은 재료의 피로 성능, 내마모성, 내식성 및 손상 허용 오차를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 이 기술은 항공기 엔진 블레이드와 같은 표면 개질 처리에 적용되었습니다.

표면 수정 기술: 표면 개질 기술을 통해 재료 표면 경도, 내마모성 및 내식성을 향상시키는 동시에 피로 손상 가능성을 줄일 수 있습니다. 소재의 무결성을 최적화하면 내부 결함과 잔류 응력을 줄여 피로 성능을 개선할 수 있습니다.

열처리 및 미세 구조의 영향: 열처리 상태에 따라 미세 구조가 달라지므로 열처리가 피로 강도에 미치는 영향은 본질적으로 미세 구조의 영향입니다. 열처리 공정을 제어함으로써 피로 강도 향상에 더 도움이 되는 미세 구조를 얻을 수 있습니다.

환경 습도가 다양한 소재의 피로 강도에 미치는 구체적인 영향은 무엇인가요?

환경 습도가 다양한 재료의 피로 강도에 미치는 구체적인 영향은 주로 다음과 같은 측면에 반영됩니다:

고강도 크롬강의 경우 환경 습도가 내구성에 큰 영향을 미칩니다. 특정 습하고 뜨거운 조건에서는 재료의 피로 수명이 영향을 받아 균열 전파가 가속화됩니다.

금속 재료의 피로 성능은 주변 환경, 특히 부식 피로의 경우에도 영향을 받습니다. 이는 부식성 매질과 주기적 하중의 상호 작용 효과에 따른 금속 재료의 반응을 말하며, 수성 환경에서 재료의 피로 거동을 설명하는 데 자주 사용됩니다.

다양한 환경 조건(상온 건조 상태, 저온 건조 상태, 고온 습한 상태 등)에서 탄소 섬유 복합 라미네이트의 인장 피로 성능에 대한 연구에 따르면 습하고 뜨거운 환경이 이러한 복합 재료의 기계적 특성에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나임을 알 수 있습니다.

습하고 고온의 환경에서 CFRP(탄소섬유 강화 폴리머)의 피로 성능 저하 추세와 메커니즘에 대한 연구에 따르면 이러한 조건은 CFRP의 매트릭스, 섬유 및 섬유-매트릭스 계면에 다양한 형태와 정도의 손상을 유발하여 CFRP의 기계적 특성을 저하시키는 것으로 나타났습니다.

60℃/95% RH 환경에서 CFRP/알루미늄 합금 접착 조인트의 피로 성능은 노화 시간이 증가함에 따라 감소하며, 피로 강도 감소는 노화 초기 단계에서 더 두드러집니다.

연구에 따르면 습한 환경은 피로 손상의 메커니즘과 정도 모두에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 상대 습도가 높을수록 피로 손상이 더 심해집니다.

다양한 환경 조건에서 부식이 금속 및 합금의 피로 강도에 미치는 영향은 무엇입니까?

다양한 환경 조건에서 금속 및 합금의 피로 강도에 대한 부식의 영향은 주로 다음과 같은 측면에 반영됩니다:

사전 부식의 영향: 사전 부식은 알루미늄 합금의 피로 S-N 곡선 및 피로 균열 개시 거동에 큰 영향을 미칠 수 있지만 균열 전파 거동에는 영향을 미치지 않습니다. 사전 부식 후 균열 개시 수명은 전체 수명의 20% 미만을 차지하여 피로 수명이 급격히 감소합니다.

부식성 환경에서의 변형: 의료용 금속 소재는 일반적인 공기 환경에서 피로 과정을 거치는 동안 특정 변형을 겪습니다. 하지만 부식성 환경에서는 이러한 변형이 더욱 심해져 피로 성능에 영향을 미칩니다.

해양 환경에서의 마모와 부식: 해양 환경에서 금속 재료의 부식 및 마모 특성에 대한 연구에 따르면 마모 메커니즘이 마모성 마모에서 마모 가속 부식 피로에 의해 지배되는 메커니즘으로 점차 전환되는 것으로 나타났습니다.

침식 환경에서의 피로 강도 감소: 부식성 환경 조건에서 금속 또는 합금의 피로 강도 감소 정도는 환경 조건과 테스트 조건에 따라 달라집니다. 예를 들어, 공기 중 강철에서 관찰되는 겉보기 피로 강도 한계는 부식성 환경에서는 더 이상 명확하지 않습니다.

열악한 대기 부식 환경에서의 부식 피로 특성: 가혹한 대기 부식 환경과 고속철도 동적 하중 조건이 결합된 알루미늄 합금의 부식 피로 파괴 분야에서는 여전히 연구해야 할 많은 문제가 있습니다. 이는 부식이 이러한 특정 환경에서 금속 및 합금의 피로 강도에 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.

부식 피로의 S-N 곡선 특성: 부식 피로의 S-N 곡선에는 수평 부분이 없으므로 부식 피로 한계가 특정 수명 아래의 값, 즉 조건부 부식 피로 한계만 있음을 나타냅니다. 이는 부식 환경에서 피로 강도에 영향을 미치는 요인이 공기보다 더 복잡하다는 것을 시사합니다.

특정 부식성 환경에서의 피로 성능: 3.5% NaCl 부식 환경에서 항공우주 알루미늄 합금 소재의 피로 성능에 대한 연구에 따르면 부식 환경에서의 피로 성능은 금속 및 합금의 피로 강도에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

미세 구조(초미립자, 나노 입자)가 금속 재료의 피로 강도에 미치는 영향의 메커니즘은 무엇인가요?

금속 재료의 피로 강도에 대한 미세 구조(초미립자, 나노 입자)의 영향은 주로 다음과 같은 측면에서 반영됩니다:

입자 크기 조정과 피로 강도 사이의 관계:

연구에 따르면 특정 조성을 가진 재료의 경우 입자 크기를 넓은 범위에서 조정하여 강도를 변화시키면 인장 강도가 증가함에 따라 재료의 피로 강도가 증가하다가 감소하는 것으로 나타났습니다. 이는 일정 범위 내에서 입자 크기를 줄이면 재료의 피로 강도를 향상시킬 수 있지만 입자 크기를 어느 정도 줄이면 지나치게 정제된 입자는 피로 강도를 저하시킬 수 있음을 의미합니다.

입자 경계 부피 비율의 효과입니다:

초미립자 및 나노메탈 소재는 입자가 작고 입자 경계 부피 분율이 커서 독특하고 우수한 특성을 제공합니다. 그러나 이러한 소재는 입자 정련 과정에서 많은 결함이 발생하여 인성과 가소성이 크게 감소하고 가공 경화 능력이 사라져 저주기 피로 성능에 영향을 미칩니다.

소성 변형이 피로 강도에 미치는 영향:

금속 소재에 가혹한 소성 변형(SPD)을 가하면 초미립자, 나노 입자 등의 미세 구조가 생성되어 소재의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 하지만 구리로 대표되는 순수 금속의 피로 강도는 SPD 처리 후 포화 값에 도달하는 것으로 나타나 SPD 공정을 최적화하여 피로 강도를 더욱 향상시키는 데는 한계가 있는 것으로 나타났습니다.

결함 에너지 스택의 역할:

주기적 변형 동안 적층 결함 에너지가 감소함에 따라 입자 성장으로 인한 미세 구조적 불안정성과 변형률 국부 전단 밴드가 모두 눈에 띄게 개선되는 것을 볼 수 있습니다. 이는 재료의 피로 손상의 미세한 메커니즘이 입자 경계 이동이 지배적인 입자 성장에서 점차 다른 형태로 전환되어 피로 성능에 영향을 미친다는 것을 시사합니다.

스트레스 조절과 긴장 조절에 따른 피로 성능의 차이:

금속 재료의 입자를 초미립자 또는 나노 입자로 정제하면 응력 제어 조건에서 높은 사이클 피로 성능을 향상시킬 수 있지만 변형률 제어 조건에서는 낮은 사이클 피로 성능이 저하되는 경우가 많습니다. 이는 주로 입자가 서브미크론 또는 나노미터 수준으로 정제된 후 재료의 미세 구조가 변경되어 피로 성능에 영향을 미치기 때문입니다.