6.3.3 피로한도와 기계적 성질과의 관계, `생각하기` 부분
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Transcript 6.3.3 피로한도와 기계적 성질과의 관계, `생각하기` 부분
6.3.3 생각하기
20147089 최현우
1. 피로강도와 정적강도가 다른 점
피로강도란?
피로파괴에 대한 강도
피로한도와 S-N 곡선 등으로 나타내어지는 되풀이하중에
대한 피로수명이 있다.
정적강도란?
인장시험과 같은 규격화된 시험법에 의해 단조롭게 증가하는
하중, 즉 일방향 하중을 부하했을 때 얻어지는 강도
항복강도, 인장강도 등 재료의 기계적 성질이 있다.
근본적인 차이점은 하중이 되풀이되느냐 아니냐에 있다.
2. 강 재료에서 피로한도가, 항복강도나 연신률에 비해
인장강도 또는 경도와 밀접한 관계가 있는 이유(1/2)
피로한도 기구
되풀이 소성변형이 일어나지 않는 경우
미시적인 균열이 발생하지 않는 경우
미시적인 균열이 발생해도 그 균열이 진전하지 않는 경우
피로한도 응력레벨에서 시험한 재료에 미시균열이 관찰되는
경우가 적지 않으며, 또한 미시균열이 있는 시험편을 피로시험
해보면 피로한도가 나타난다.
거시적인 균열이 발생하여 진전하나 도중에 멈추는 경우
미시적인 균열이 발생해도 그 균열이 진전하지 않는 이유
변형률시효(strain aging) – 코트렐(Cottrell) 효과
재료 내의 용질원자인 탄소나 질소 원자가 전위가 있는 곳으로
확산하여, 전위를 고착(anchoring) 시키기 때문이다.
전위가 고착되어 매우 한정된 범위에서만 왕복운동을 하므로
미끄럼 운동이 제한된다.
< 전위 운동의 모식
도>
< 고착화된 전위 >
2. 강 재료에서 피로한도가, 항복강도나 연신률에 비해
인장강도 또는 경도와 밀접한 관계가 있는 이유(2/2)
단축 인장시험에서의 미끄럼운동
항복강도
하중이 항복강도에 이르면 재료 내 전위들의 이동이 시작되고
이는 소성변형의 시작을 의미한다.
가공경화
재료의 소성변형을 가져오는 하중이 전위를 이동시킬 뿐만
아니라 새로운 전위들을 만든다.
변형률이 증가할수록 전위의 밀도가 높아지게 된다.
인장강도
재료 내 전위밀도가 높아져 전위들의 운동이 구속 받게 된다.
가장 약한 부분에 변형이 집중되기 시작하여 네킹이 발생하고,
그곳에서 전위의 운동인 미끄럼운동이 재개되면서 재료의 단면적
감소가 국부적으로 일어난다.
< 연성재료의 인장시험시
의 전형적인 S-e 곡선 >
피로한도는 변형률시효에 의해, 그리고 인장강도는 가공경
화에 의해 각각 억제된 미끄럼 운동을 재개시킬 수 있는 하
중이라는 점에서 관계 있다고 생각한다.
3. 예리한 노치가 있는 시험편의 경우나 부식환경에서
피로한도와 인장강도가 거의 관계가 없는 이유(1/3)
노치가 있는 경우
고되풀이수피로 영역에서는 소성변형이 작으므로 균열발생이
어려워, 피로수명은 균열발생에 의해 주로 지배된다.
노치가 기하학적 응력집중원이 되어 피로균열발생이 쉽다.
피로수명이 인장강도보다 노치에 민감하게 반응하게 된다.
< 피로수명에 미치는 기하학적 응력집중원의 효과 – UTS=2000MPa 를 갖는 300M steel 의 상온에서의 S-N 곡
선>
3. 예리한 노치가 있는 시험편의 경우나 부식환경에서
피로한도와 인장강도가 거의 관계가 없는 이유(2/3)
부식환경의 경우(1/2)
피팅(pitting) 의 발생
재료 표면에 국부적으로 군데군데 깊숙이 발생하는 부식이다.
염화물, 황화물, 브롬화물 이온이 전기화학적 산화환원반응을
가속화시킨다.
이 피팅이 응력집중원이 되어 피로균열발생을 야기한다.
< 피팅 발생의 원리 >
< 4140 steel 에 발생한 피팅의
예>
3. 예리한 노치가 있는 시험편의 경우나 부식환경에서
피로한도와 인장강도가 거의 관계가 없는 이유(3/3)
부식환경의 경우(2/2)
피로균열진전과정에서 부식의 영향
부식환경이 피로균열성장을 가속화시킨다.
부식을 늦추는 산화철의 코팅이 균열선단에
발생하여도, 되풀이하중에 의해 균열면의
개폐가 반복되면서 이 코팅의 지속을 막는다.
Polished specimens
따라서 부식이 연속적이고 가속화된다.
부식에 의한 효과가 피로균열발생과
진전과정에 큰 영향을 미치게 되어
피로수명에 지배적인 인자가 된다.
Severely notched specimens
Corroding specimens
< 피로한도에 미치는 노치와 부식환경의 효과 >
4. 보통 시험편의 경우, 인장강도가 매우 높아져 어느
이상이 되면 반대로 피로한도가 감소하는 이유(1/2)
피로강도와 표면상태, 표면거칠기
재료가 피로하중을 받으면 재료 표면에서 먼저 소성변형이
발생한다.
이후 균열이 발생하여 이로부터 파괴에 이르는 경우가 많다.
따라서 재료의 표면상태에 따라 피로강도가 크게 달라지는
경우가 많다.
표면거칠기
재료표면의 불규칙한 정도
표면계수, 𝑚 =
표면거칠기가 클 수록 피로한도가 낮아지므로,
표면계수 m 이 작아진다.
표면거칠기가 𝐻인 경우의 피로한도, 𝜎𝑤𝐻
표면거칠기가 𝐻<1𝜇 인 경우의 피로한도, 𝜎𝑤𝐻<1
4. 보통 시험편의 경우, 인장강도가 매우 높아져 어느
이상이 되면 반대로 피로한도가 감소하는 이유(2/2)
< 표면 처리에 따른 표면계수와 인장강도의 관계>
인장강도가 매우 높아지면 표면상태의 영향이 커지게
되어 피로한도가 감소하게 된다.