피로 골절: 유형, 특성 및 수정 사항
금속 부품이 예고 없이 갑자기 파손되는 이유가 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 금속 피로와 파손의 매혹적인 세계를 탐구합니다. 반복적인 스트레스가 어떻게 이어질 수 있는지 알아보세요.
금속이 겉보기에는 낮은 응력에서도 고장 나는 이유가 궁금한 적이 있으신가요? 이 글에서는 재료의 피로의 매혹적인 세계를 탐구하여 주기적인 응력이 어떻게 예기치 않은 고장으로 이어지는지 알아봅니다. 다양한 유형의 피로, 피로 강도에 영향을 미치는 요인, 엔지니어가 이러한 문제를 해결하는 방법에 대해 알아보세요.
피로는 재료, 특히 금속이 주기적인 응력이나 변형을 받을 때 구조적 성능이 저하되어 궁극적으로 고장으로 이어지는 것을 말합니다.
피로 장애는 널리 퍼져 있는 장애 형태입니다.
연구에 따르면 피로 고장은 다양한 기계에서 발생하는 고장의 60~70%를 차지합니다.
피로 골절 파손은 저응력 취성 파손으로 분류되며, 주로 국부적인 소성 변형으로 인해 발생하고 구조적 약점에서 발생하기 때문에 피로 중에 상당한 소성 변형을 감지하기 어렵습니다.
빈도가 피로 장애에 영향을 미칠 수 있지만, 일반적으로 빈도보다는 사이클 수와 관련이 있습니다.
피로 장애를 유발하는 스트레스의 특성에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다:
사이클 시간과 관련하여 피로는 다음과 같이 더 나눌 수 있습니다:
부하 속성의 관점에서 피로는 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
그리고 작업물의 작업 환경에 따라 피로는 다음과 같이 나눌 수 있습니다:
주목할 만한 점은 재료의 강도 를 '피로 한계'라고 하며, 피로 손상 전의 구조를 '피로 한계'라고 합니다.
반복적인 충격 하중으로 인한 피로를 말합니다.
충격 횟수인 N이 500~1000회 미만인 경우 부품이 손상될 수 있으며 부품의 파단 형태는 한 번의 충격과 비슷해집니다.
충격 횟수가 105를 초과하면 부품 골절로 분류됩니다. 피로 골절전형적인 피로 골절 특성을 나타냅니다.
설계 계산에서 충격 횟수가 100을 초과하는 경우 피로 분석과 유사한 방법을 사용하여 강도를 계산해야 합니다.
주기적인 접촉 응력의 영향으로 부품은 국부적인 수준에서 점진적이고 영구적인 손상을 입게 됩니다.
일정 횟수의 사이클이 지나면 접촉 표면에 구멍이 생기거나 얕은 박리 또는 깊은 박리가 발생하는 것을 접촉 피로도라고 합니다.
접촉 피로는 기어, 구름 베어링 및 캠 샤프트의 일반적인 고장 모드입니다.
온도 변화로 인한 주기적인 열 스트레스로 인해 피로를 경험하는 소재 또는 부품을 열 피로라고 합니다.
온도의 주기적인 변화는 재료의 부피에 주기적인 변화를 가져옵니다.
재료가 자유롭게 팽창하거나 수축하는 능력이 제한되면 주기적 열 응력 또는 주기적 열 변형이 발생합니다.
열 스트레스에는 크게 두 가지 종류가 있습니다:
부품의 열팽창과 수축은 고정된 부품의 제약 조건에 영향을 받아 열 스트레스로 이어집니다.
외부 제약이 없는 경우 두 부품의 온도가 일정하지 않으면 열팽창과 수축이 고르지 않아 열 스트레스가 발생하게 됩니다.
온도 변화는 또한 재료의 내부 구조에 변화를 일으켜 강도와 가소성을 감소시킵니다.
열 피로 조건에서는 온도 분포가 균일하지 않아 심각한 소성 변형, 큰 온도 구배 및 열 변형 농도를 초래합니다.
열 변형이 탄성 한계를 초과하면 열 응력과 열 변형 사이의 관계는 더 이상 선형이 아니며 탄성 관계로 취급해야 합니다.
열 피로 균열은 표면에서 시작하여 표면에 수직으로 안쪽으로 확장됩니다.
열 스트레스는 열팽창 계수에 비례하며, 계수가 클수록 열 스트레스가 커집니다.
따라서 재료 선택 열팽창 계수의 차이가 너무 크지 않은 재료의 매칭을 고려해야 합니다.
동일한 열 변형 조건에서 재료의 탄성 계수가 클수록 열 응력이 높아집니다.
온도 사이클의 변화, 즉 상한 온도와 하한 온도의 차이가 클수록 열 스트레스가 높아집니다.
소재의 열전도율이 낮을수록 온도 구배가 가파르고 급가속 또는 냉각 시 열 스트레스가 커집니다.
부식 매체와 주기적 응력의 공동 작용으로 인해 발생하는 피로를 부식 피로라고 합니다.
부식 매체와 정적 응력의 결합 작용으로 인한 손상을 응력 부식이라고 합니다.
이 둘의 주요 차이점은 응력 부식은 특정 부식 환경에서만 발생하는 반면, 부식 피로는 주기적 응력의 영향을 받는 모든 부식 환경에서 발생할 수 있다는 점입니다.
응력 부식 균열의 경우 KISCC라는 임계 응력 강도 계수가 있습니다. 응력 강도 계수 KI가 KISCC보다 작거나 같으면 응력 부식 균열이 발생하지 않습니다. 그러나 부식 피로에 대한 임계 응력 강도 계수는 없으며 부식 환경에 주기적인 응력이 있는 한 균열이 발생합니다.
부식 피로와 공기 중 피로의 차이점은 스테인리스강과 질화강을 제외하고는 부식 피로를 받는 기계 부품의 표면이 변색된다는 점입니다. 또한 부식 피로는 하나의 균열이 아니라 많은 수의 균열을 초래합니다. 부식 피로에 대한 S-N 곡선에는 수평 부분이 없습니다.
부식 피로 한계는 조건부일 뿐이며 특정 수명을 기준으로 한다는 점에 유의하세요. 부식에 영향을 미치는 요인 피로 강도 는 공기 중 피로에 영향을 미치는 것보다 더 복잡합니다. 예를 들어, 피로 테스트 주파수는 1000Hz 미만인 경우 공기 중 피로 한계에는 영향을 미치지 않지만 전체 주파수 범위에 걸쳐 부식 피로에는 영향을 미칩니다.
재료 또는 기계 부품이 고장 나면 총 수명은 보통 세 부분으로 구성됩니다:
상당수의 엔지니어링 연구에 따르면 기계 부품의 균열 개시 수명은 실제 사용 중 총 피로 수명에서 최대 90%까지 큰 비중을 차지합니다.
대부분의 경우 미세 균열의 깊이가 약 0.1mm에 도달하면 재료 또는 구성 요소의 일부를 따라 지속적으로 성장합니다.
금속 재료의 피로에는 주로 다음이 포함됩니다:
평균 응력(통계적 응력)이 증가하면 재료의 동적 피로 방지 응력이 감소합니다.
동일한 특성을 가진 힘의 경우 평균 응력 σ가 클수록m로 설정할수록 응력 진폭 σa 의 수명을 연장할 수 있습니다.
작업 조건이나 가공 기술의 요구로 인해 부품에는 계단, 작은 구멍, 키홈 등과 같은 특징이 있는 경우가 많습니다. 이러한 특징은 단면에 갑작스러운 변화를 일으켜 국부적인 응력 집중으로 이어져 재료의 피로 한계를 크게 감소시킵니다.
실험에 따르면 피로 한도의 감소는 스트레스 농도 계수에 정비례하지 않는 것으로 나타났습니다.
기계 부품의 피로 성능을 정확하게 예측하려면 응력이 높은 영역이나 제조 결함의 균열 시작 수명을 추정해야 합니다.
문헌 검토에서는 다음과 같은 영향만 고려하는 것이 적절하다고 강조합니다. 잔류 스트레스 높은 사이클 피로 하에서 금속 피로 강도에 미치는 영향. 이는 잔류 응력이 낮은 사이클 피로의 높은 변형 진폭에서 크게 완화되므로 낮은 사이클 피로에는 거의 영향을 미치지 않기 때문입니다.
표면 잔류 압축 응력은 축 방향 하중을 받는 부품과 피로 균열이 표면에서 발생하는 경우에 유리합니다. 그러나 외부 하중이 가해진 후 코어 영역에서 잔류 인장 응력의 항복으로 인한 잔류 응력 완화 문제를 인식하는 것이 중요합니다.
잔류 응력이 부품의 노치 피로 강도에 미치는 영향은 매우 중요합니다. 잔류 응력은 응력 농도를 포함하고 피로 균열 성장에 더 큰 영향을 미치기 때문입니다.
그러나 잔류 응력의 응력 집중은 노치 형상뿐만 아니라 다음과 같은 요소와도 관련이 있습니다. 재료 속성.
σ-1로 표시되는 재료의 피로 한계값은 일반적으로 직경이 7~12mm인 작은 샘플을 사용하여 결정됩니다. 그러나 실제 부품의 단면은 이 크기보다 큰 경우가 많습니다.
테스트 결과 시편 직경이 커질수록 피로 한계가 감소하는 것으로 나타났습니다.
특히 고강도 강철의 경우 저강도 강철보다 피로 한계가 더 빠르게 떨어집니다.
부품의 표면은 피로 균열이 발생하기 쉬우며, 교번 굽힘 또는 교번 비틀림 하중을 받는 부품의 표면 응력이 가장 큽니다.
부품 표면의 거칠기와 가공 공구 자국의 존재 여부는 피로 강도에 영향을 미칠 수 있습니다.
공구 자국이나 마모 자국과 같은 표면 손상은 표면 노치로 작용하여 응력 집중을 유발하고 피로 한계를 감소시킵니다.
재료 강도가 높을수록 노치에 더 민감하며, 가공된 표면 품질이 피로 한계에 미치는 영향도 커집니다.
피로 행동 금속 소재 는 주변 액체 또는 기체 환경의 영향을 받습니다. 부식 피로'는 다음과 같은 반응을 의미합니다. 금속 소재 일반적으로 수성 환경에서 부식성 매질과 주기적인 하중이 결합된 효과에 대해 설명합니다.
부식 피로, 저온 피로, 고온 피로, 다양한 기압 및 습도 등 다양한 환경 조건이 모두 재료의 피로 거동에 영향을 미칠 수 있습니다. 대기 환경에서는 일반적으로 재료의 고장 주기가 진공 환경보다 짧고 진공 환경의 균열 시작 수명이 더 깁니다.
공작물이 임계 공기압(Pcr)에 가깝게 작동하면 피로 수명이 매우 민감해집니다. 일반적으로 진공 환경보다 낮은 대기 환경에서의 재료의 피로 수명은 온도가 상승함에 따라 감소하여 균열 성장을 가속화합니다.
환경 습도는 고강도 크롬강의 내구성에 큰 영향을 미칩니다. 특히 실온에서 수증기는 응력 수준, 하중 비율 및 기타 하중 조건에 따라 대부분의 금속 및 합금의 내파괴성을 약화시킬 수 있습니다.
미세 구조와 환경 사이에는 강한 상호 작용이 있으며, 가스 환경은 균열 형태와 전위 미끄러짐 메커니즘에 영향을 미칩니다. 환경은 특히 임계값에 가까운 영역에서 균열 폐쇄와도 상호 작용합니다. 환경의 영향은 균열 표면 형태, 특히 깊이 방향에 따라 달라집니다.
저온에서, 금속 강도 가 증가하는 반면 가소성은 감소합니다. 결과적으로 매끄러운 시편의 높은 사이클 피로 강도는 저온에서 더 높지만 낮은 사이클 피로 강도는 더 낮습니다. 노치가 있는 시편의 경우 인성과 가소성이 더욱 감소합니다. 저온은 파단 시 임계 피로 균열 길이가 급격히 감소하기 때문에 노치와 균열에 특히 손상을 줄 수 있습니다.
"일반화된 고온 피로"는 정상보다 높은 온도에서 발생하는 피로를 말합니다. 일부 부품은 실온보다 높은 온도에서 작동할 수 있지만, 고온 피로는 온도가 녹는점(Tm)의 0.5배를 초과하거나 재결정 온도 이상일 때만 관찰됩니다. 이러한 고온에서는 크리프와 기계적 피로가 모두 발생하여 고온 피로가 발생합니다.
다양한 하중에서 피로 한계는 회전 굽힘 < 평면 굽힘 < 압축 하중 < 비틀림 하중의 순서로 발생합니다.
부식성 환경에서는 로딩 빈도가 균열 진행에 미치는 영향이 분명합니다.
상온 및 테스트 환경에서 기존 주파수(0.1-100Hz)는 강철과 황동의 균열 성장에 미치는 영향이 미미합니다.
일반적으로 테스트 하중 주파수가 250Hz 미만인 경우 금속 재료의 피로 수명에 대한 주파수의 영향은 미미합니다.
균열은 일반적으로 용접부(아일렛), 주강(느슨한) 또는 표면(국부 변형률을 변화시키는 큰 내포물) 등 표면에서 발생하지만 내부에서 발견되는 경우는 드뭅니다.
균열의 시작은 또한 내포물의 수, 크기, 유형 및 분포뿐만 아니라 가해지는 외부 힘의 방향에 따라 달라집니다.
내포물과 매트릭스 사이의 결합 강도를 간과해서는 안 됩니다.
미세 균열은 재료에서 가장 위험한 결함으로, 수명이 100만 사이클에 달합니다. 미세 구조는 10억 사이클의 수명으로 재료의 수명을 제어합니다.
마이크로 크기의 재료에서 결함이 발생할 확률이 재료 표면보다 훨씬 크다는 점을 감안할 때, 재료의 초고주기 피로 하중에서 균열이 시작될 확률은 당연히 표면보다 더 큽니다.
부서지기 쉬운 소재는 응력 감소나 작업 경화를 거치지 않습니다.
노치가 있는 경우 낮은 공칭 응력에서 골절이 발생할 수 있습니다.
노치가 있으면 금속의 피로 한계가 감소하고 가소성이 낮은 재료의 피로 한계에 더 큰 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다.
피로 테스트 시료의 준비 과정이 테스트 결과의 변동성에 영향을 미치는 중요한 요소라는 점은 여러 문헌에서 강조되고 있습니다.
예를 들어 선삭, 밀링, 직선화 및 기타 가공 방법은 모두 시편 준비의 최종 품질에 영향을 미칩니다.
이는 준비 방법과 열처리 요인, 특히 열처리가 재료의 피로 성능에 영향을 미칠 수 있어 동일한 배치, 크기 및 형태의 시험에서도 일관된 결과를 얻기가 어렵기 때문입니다.
공작물의 생산 및 가공 요인으로 인해 부품의 실제 피로 수명이 분석을 통해 계산된 예상 수명 값에서 벗어날 수 있음이 분명합니다.
재료의 경도는 높은 사이클 피로 강도의 핵심 요소입니다(N > 10인 경우6), 인성은 중간 및 낮은 사이클 피로를 나타내는 중요한 지표입니다.
고강도 강철은 인성이 낮기 때문에 높은 응력 조건에서 피로 성능이 낮습니다. 그러나 낮은 응력 조건에서는 피로 저항성이 우수합니다.
저강도 강철은 피로 성능이 중간 정도입니다.
일반적으로 탄성 계수가 높을수록 균열 증가 속도가 느려집니다.
입자 크기가 균열 성장에 미치는 영향은 극단적인 경우(△ K → △ Kth 및 △ Kmax → △ KC)에서만 중요하며, 중간 속도의 균열 성장에는 거의 영향을 미치지 않습니다.
전파 속도는 골절 인성 KIC(또는 KC)와 관련이 있습니다.
재료의 인성을 높이면 균열 증가율이 줄어든다는 것은 널리 알려진 사실입니다.
피로 테스트 데이터의 분산은 테스트 장비와 샘플 자체에 기인할 수 있습니다.
문헌에 따르면 실제 하중과 비교한 공칭 하중에서 3% 오차가 발생하면 피로 수명에서 60% 오차가 발생할 수 있으며, 극단적인 경우 수명에 120% 오차가 발생할 수 있습니다.
피로 시험기에서는 3% 오차가 허용되지만, 주조 재료 및 유리와 같이 강도 분산이 큰 재료의 경우에도 정적 파괴 시험에서는 큰 분산이 없는 것으로 나타났습니다.
피로 시험 결과의 변동성은 재료 고유의 특성, 시험 준비 과정 및 외부 환경 등 재료 특성에 의해 영향을 받습니다. 특히 열처리와 같은 준비 과정은 데이터 분산으로 이어지는 가장 중요한 요소입니다.
재료의 내포물 및 2상 입자도 데이터 분산에 중요한 원인이지만, 그 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다.
안전한 생활 방법:
설계 응력이 피로 한계보다 낮으며 구조에 결함이 없는 것으로 간주됩니다.
실패 안전 방법:
설계 응력은 평면 결함 발생 시 잔류 강도와 관련이 있으며, 이 설계 방법은 이러한 결함의 허용 가능한 수준을 수용합니다.
안전 균열 방법:
물론 확실하게 예측할 수 있는 균열의 전파는 허용됩니다.
로컬 장애 방법:
1990년대에 등장한 초고주기 피로 시험 기술은 슬래그 포함, 다공성, 단조로 인해 형성된 큰 입자와 같은 작은 미세 결함도 재료의 피로 수명에 큰 영향을 미칠 수 있음을 입증했습니다.
강철 소재의 경우 피로 시험 데이터를 사용할 수 없는 경우 소재의 인장 강도 한계에 따라 대략적인 S-N 곡선을 그릴 수 있습니다.
피로 한계를 시편의 인장 강도 및 파단 연신율과 연관시키는 이 추정 방법은 매우 정확합니다.
재료 및 구조 피로 분석에서는 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 위해 탄성-플라스틱 계산에만 의존하지 않고 테스트 결과에 의존하는 것이 필수적입니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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