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.