골절 역학 101: 기본에 대한 이해
중요한 부품이 예기치 않게 고장나서 치명적인 결과를 초래한다고 상상해 보세요. 바로 이때 파손 역학이 등장합니다. 이 문서에서는 파단 역학의 기초를 살펴보고, 균열을 이해하는 것이 얼마나 중요한지 강조합니다.
고강도 볼트가 제조 과정에서 파손되는 이유는 무엇일까요? 이 글에서는 파단된 고강도 볼트에 대한 조사를 통해 주조 결함과 부적절한 열간 단조가 그 원인임을 밝힙니다. 물리적, 화학적, 기계적 특성을 조사하여 내부 결함이 어떻게 지지력 감소와 취성 파손으로 이어지는지 강조합니다. 세심한 분석 프로세스에 대해 알아보고 향후 볼트 제조에서 이러한 실패를 방지하는 방법을 알아보세요. 볼트가 엄격한 성능 표준을 충족하는지 확인하려면 계속 읽어보세요.
볼트 제조 공정 중 볼트를 곧게 펴는 과정에서 볼트 파손이 발생했습니다.
볼트 파손의 근본 원인을 파악하기 위해 파손된 볼트는 거시적 검사, 화학 성분 분석, 기계적 특성 시험, 금속학적 구조 분석, 파손 분석 등을 거쳤습니다.
그 결과 제조 공정 중 부적절한 열간 단조로 인해 볼트의 내부 주조 결함이 제거되지 않아 지지력이 감소하고 곧게 펴는 과정에서 균열이 발생한 것으로 나타났습니다.
이 작업은 사양이 M42mm, 재질 42CrMoA, 성능 등급 10.9인 고강도 육각 볼트를 일괄 생산하는 것입니다.
볼트의 가공 기술은 원자재 어닐링 → 센터리스 선삭 → 톱질 → 평평한 단면의 챔퍼링 → 인산염 윤활 → 수축 막대 → 인산염 처리 순으로 진행됩니다. 열간 단조 → 육각 헤드 모따기 → 열처리(템퍼링) → 직선화 → 압연 스레드. 템퍼링 공정은 메쉬 벨트 용광로에서 처리됩니다.
곧게 펴는 과정에서 나사 축의 약 1/2 지점에서 두 개의 볼트가 부러졌습니다(그림 1 참조).
이 배치의 나머지 볼트에 대한 직선화 프로세스는 볼트 두 개가 부러진 직후에 중단되었습니다.
볼트 파손의 원인을 파악하고 유사한 사건의 재발을 방지하기 위해 파손된 볼트에 대한 관련 검사 및 분석을 실시했습니다.
1.1.1 골절의 매크로 분석
두 볼트는 나사의 절반 정도에서 부러졌습니다. 굽힘 부분그림 1(a)에 표시된 것처럼.
골절 표면은 전체적으로 취성 골절의 특성을 나타냅니다. 골절 표면에서 중앙에서 주변으로 이어지는 방사형 줄무늬가 보입니다.
골절 표면의 바깥층은 매끄럽고 평평하게 보이며, 이는 부서지기 쉬운 골절임을 나타냅니다.
골절 표면에서 거시적인 소성 변형이나 슬래그 포함은 발견되지 않았습니다.
그림 2의 화살표에서 볼 수 있듯이, 곧게 펴는 과정에서 균열이 발견되었습니다. 균열은 중앙에서 시작되어 주변으로 확산되어 결국 볼트 파손을 초래했습니다.
1.1.2 거시적 테스트
저배율 검사의 경우, 파손된 볼트의 파단 표면에서 20mm 아래에서 횡단 샘플을 채취해야 합니다.
볼트 중앙에서 수많은 수축 공동이 발견됩니다.
검사 결과에 따라 일반 느슨함은 1등급, 중앙 느슨함은 2등급, 일반 얼룩 분리는 1등급 미만으로 분류됩니다.
자세한 내용은 그림 3을 참조하세요. 균열과 같은 다른 매크로 결함은 발견되지 않았습니다.
그림 1 파손된 볼트
화학 성분 분석을 위해 볼트의 파단 위치 근처 약 20mm에서 샘플을 채취해 주세요.
이 작업을 위해 독일 OBLF에서 생산한 QSN750 직접 판독 분광기를 사용할 것입니다. 재료의 화학 성분은 스펙트럼 분석을 통해 이 재료의 볼트의 화학 성분에 대한 GB/T 3077-1999 합금 구조용 강철의 요구 사항을 충족하는지 테스트할 것입니다. 결과는 표 1을 참조하세요.
파손된 볼트에서 채취한 시료의 산소, 질소, 수소 함량을 측정하기 위해 미국 리코사의 산소, 질소, 수소 분석기 ONH-836을 사용하겠습니다. 분석 결과에 따르면 산소, 질소 및 수소 함량은 각각 0.0011%, 0.0090% 및 0.0001%입니다.
O, N, H 함량이 낮다는 점에 주목할 필요가 있습니다.
표 1 파손된 볼트의 화학 성분(w, %)
| 요소 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu |
| 탐지 값 | 0.42 | 0.34 | 0.69 | 0.010 | 0.004 | 1.10 | 0.20 | 0.04 | 0.02 |
| 0.43 | 0.33 | 0.70 | 0.010 | 0.006 | 1.07 | 0.20 | 0.04 | 0.02 | |
| 0.39 | 0.33 | 0.67 | 0.010 | 0.004 | 1.06 | 0.19 | 0.04 | 0.02 | |
| 표준 값 | 0.38-0.45 | 0.17-0.37 | 0.50-0.80 | 0.025 | 0.025 | 0.90~1.20 | 0.13~0.25 | ＜0.30 | ＜0.25 |
인장 테스트를 위해 동일한 배치에서 볼트 하나를 선택합니다.
인장 샘플의 직경은 10mm이지만 실제 볼트는 아닙니다.
Wance Group의 마이크로 컴퓨터 제어 전자 유압 서보 범용 테스트 장비인 HUT605A는 기계적 성능 테스트를 수행하는 데 사용됩니다.
테스트 결과는 표 2를 참조하세요.
경도 테스트는 파손된 볼트의 금속학적 샘플을 대상으로 실시하며, 테스트 결과는 표 3에 나와 있습니다.
볼트 표면과 중심부의 경도에 큰 차이가 없으며, 기계적 물성 시험 결과는 패스너의 기계적 특성 - 볼트, 나사 및 스터드(GB/T 3098.1-2010)의 요구 사항을 준수합니다.
표2 기계적 특성 테스트 결과
| 속성 | 인장 강도 Rm/MPa | 수율 강도 Rel/MPa | 신율 A/% | 면적 감소 Z/% |
| 탐지 값 | 1069 | 970 | 14.6 | 53.5 |
| 표준 값 | ≥1040 | ≥940 | ≥9 | ≥48 |
표 3 경도 테스트 결과
| Part | 표면/HBW | 코어/HBW |
| 탐지 값 | 333、329、337 | 321、329、329 |
| 표준 값 | 316~375 | |
파손된 볼트 파단부 근처의 표면과 코어에서 금속학적 샘플을 채취하고 OLYMPUS-GX51 금속 현미경을 사용하여 금속학적 검사를 실시했습니다.
연마한 결과, 그림 3 (a)와 같이 중앙에 수많은 구멍이 관찰되었으며 표면에는 뚜렷한 이상이 발견되지 않았습니다.
볼트의 표면과 코어의 미세 구조는 모두 강화 소르바이트였습니다.
그림 3 (b)와 같이 표면 근처의 미세 구조는 상대적으로 적은 수의 구멍을 가졌습니다.
코어의 미세 구조는 그림 3 (c)와 같이 상대적으로 많은 수의 구멍을 가지고 있습니다. 보이지 않음 탈탄 가 볼트 표면에서 발견되었습니다(그림 3 (d) 참조).
그림 4 볼트 프랙처의 미세 구조
초음파 세척 후 IT300 주사 전자 현미경을 사용하여 골절 형태를 분석했습니다.
파단 표면의 방사형 영역에서 SEM 형태를 관찰한 결과, 그림 4와 같이 파단 표면이 명백한 균열 파단 특성을 나타내며 국부적인 위치에 이차 균열과 소수의 구멍이 있음을 알 수 있습니다.
그림 5 골절의 SEM 형태학
파손된 볼트의 화학 성분이 표준 요구 사항을 충족합니다. 파손은 가로 균열을 나타내며 파손 표면의 매크로 분석 결과 취성 파손 특성이 있는 것으로 나타났습니다.
파단 표면은 파단 표면 중앙의 균열 시작원 영역과 중앙에서 주변으로 퍼지는 방사형 확장 영역의 두 부분으로 구성됩니다. 파단 가장자리에는 소성 변형이 없어 취성 파단 특성을 나타냅니다.
낮은 배율에서 테스트 표면에서 심각한 중심 느슨함 문제(중심 느슨함 레벨 2)가 발견되었습니다. 테스트 중 캐스팅 프로세스이 느슨한 시스템은 용융된 강철을 표면에서 중앙으로 서서히 응고시키고, 원주 결정 영역은 수상 돌기 형태로 중앙을 향해 성장합니다.
첫 번째 결정화된 수상 돌기는 비교적 순수하고 녹는점이 높습니다. 분리된 원소, 기체, 비금속 내포물, 수상돌기 사이에는 소량의 비고형화된 용융강이 풍부하게 존재합니다.
온도가 낮아지면 응고된 부분이 수축합니다. 수상 돌기 사이의 용융되지 않은 용강이 간격을 보충하기에 불충분하면 수축 공동이 형성됩니다. 느슨한 결함을 일반 느슨함이라고 합니다. 중앙 등축 영역에 다공성이 발생하면 이를 중앙 다공성이라고 합니다. 금속 조직학적 테스트 결과는 저배율 테스트 결과와 일치하는 작은 구멍을 보여줍니다.
골절 분석 는 분열 골절 형태를 보이며, 골절 표면에 이차 균열과 적은 수의 구멍이 있습니다. 기계적 특성 테스트 결과는 관련 표준 요구 사항을 충족합니다.
따라서 균열은 가로 균열을 나타내며 미세 구조 및 기계적 특성 지수는 표준 요구 사항을 충족합니다. 또한 볼트 균열은 다음에 의해 발생하지 않았습니다. 담금질 및 템퍼링 메쉬 벨트 퍼니스가 공정에 사용되었고 시기적절한 템퍼링이 없었기 때문입니다.
균열은 중앙에서 시작되어 바깥쪽으로 진행되었습니다. 수소 함량이 부족하여 다음과 같은 원인이 발생했습니다. 수소 취성에서 수소 취화 특징(닭 발톱 패턴)이 발견되지 않았습니다. 따라서 볼트 균열은 수소로 인한 지연 균열로 인한 것이 아닙니다.
저배율 검사 결과 볼트 중심에서 명백한 중앙 느슨함이 발견되었으며, 이는 파단 표면의 균열원 위치와 일치합니다. 균열 시스템이 횡방향으로 균열되어 균열 중 축방향 인장 응력이 존재함을 나타냅니다.
따라서 볼트 제조 공정에 따라 원자재 결함으로 인해 볼트의 중앙이 느슨해졌다고 판단할 수 있습니다.
열간 단조 공정에서 주조 결함 가 제거되지 않았고, 막대 수축 과정에서 지속적인 축방향 인장 응력으로 인해 볼트의 구멍이 점차 바깥쪽으로 확장되는 균열이 시작되었습니다. 곧게 펴는 과정에서 취성 균열이 발생하여 볼트가 고장났습니다.
볼트 파손의 근본 원인은 열간 단조 공정 중에 제거되지 않은 볼트 블랭크의 주조 결함(중앙 느슨함)이 존재하여 볼트의 지지력이 감소했기 때문입니다. 그런 다음 보정 과정에서 인장력을 받아 균열이 발생했습니다.
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