금속 피로

반복 하중을 받는 금속 구조물의 피로 파괴는 구조물의 극한 강도보다 현저히 낮은 하중에서 경고 없이 발생할 수 있습니다. 이러한 거동을 모델링하는 것은 어렵기 때문에 실험실에서 피로 특성을 평가하고 현장에서 피로 균열을 모니터링하는 것이 중요합니다.

1967년 오하이오 강을 가로지르는 실버 브리지(Silver Bridge)의 붕괴로 인해 금속 피로의 중요성이 공학계의 주목을 받게 되었습니다. 다리는 부식 피로로 인해 부서지기 쉬운 방식으로 무너져 46명이 사망했습니다. 피로 파괴는 검사자가 볼 수 없는 아이바 연결부에서 발생했으며, 이는 아마도 제조상의 결함으로 인한 것일 수 있습니다.

피로 파괴는 재료가 최종 강도의 30-40%에 불과할 수 있는 응력에서 많은 하중 사이클을 경험할 때 발생할 수 있습니다. 이러한 유형의 반복 하중 중 균열 성장 및 전파는 경고 신호가 거의 없는 갑작스러운 피로 파괴를 초래할 수 있습니다. 피로는 피로 저항에 영향을 미치는 많은 요인이 있는 복잡한 프로세스입니다.

높은 사이클, 낮은 응력 범위 조건은 교량 위의 자동차 또는 제조 공장의 회전 기계와 같이 움직이는 부품 또는 하중이 있는 장비 또는 구조에서 발생합니다. 낮은 사이클, 높은 응력 범위 피로는 지진과 같은 상황에서 발생합니다.

이 비디오는 치명적인 피로 파괴를 방지하기 위해 재료에 대한 실험실 테스트 및 반복적인 낮은 응력, 높은 사이클 하중에 노출되는 구조물 모니터링의 필요성을 보여줍니다.

피로 균열은 일반적으로 수직 응력에 대한 각도에서 시작하지만 그 후 기본 인장 응력에 수직으로 회전하여 증가합니다. 균열은 인장 응력 또는 순면 응력 하에서는 전파되지만 압축 응력 하에서는 전파되지 않습니다.

반복적인 하중 가해 후 균열은 임계 길이에 도달하고 갑자기 음속으로 전파되어 즉각적인 고장으로 이어집니다. 초기 균열 성장은 피로 파괴 표면에 특징적인 해변 자국을 생성합니다. 갑자기 파손되는 재료 표면에 더 거친 파괴 표면이 생성됩니다.

피로 파괴는 사이클 수와 파괴에 대한 응력 범위로 정의됩니다. 적용된 응력 범위가 증가하면 파손 사이클 수가 감소합니다. 대부분의 금속 및 철 합금에는 내구성 한계가 있으며 그 이하에서는 사이클 수에 관계없이 파손되지 않습니다. 특정 응력 범위에서의 싸이클은 실제 반복 하중에서 무작위입니다. 이 때문에 하나 이상의 스트레스 범위와 실패에 대한 사이클을 나타내는 하나 이상의 해당 숫자가 있습니다.

Miner's rule은 일련의 응력 범위를 정의하고 사이클을 이러한 범위로 그룹화하여 사용됩니다. 예상되는 하중 사이클의 수는 각 응력 범위에 대한 파손 사이클로 나누고 합산됩니다. 합이 1보다 크면 피로 파괴가 가능합니다. 이 방정식에 대한 물리적 기반은 없지만 엔지니어링 설계 목적에 유용합니다. 회전 빔 테스트를 사용하여 많은 수의 응력 범위와 고장 주기를 테스트할 수 있습니다.

이 시험에서는 시편이 회전하는 동안 캔틸레버 굽힘 구성이 사용됩니다. 적용할 하중은 항복 강도를 사용하여 응력 범위 세트를 계산하여 결정됩니다. 예를 들어, 일반적인 구조용 강철의 항복 강도는 50ksi이고 플러스 마이너스 15%의 첫 번째 응력 범위를 계산하면 플러스 또는 마이너스 7.5ksi의 하중이 제공됩니다. 이 하중이 가해지고 시편은 각 회전 동안 최대 장력과 최대 압축을 경험합니다.

응력 범위를 실패에 대한 사이클 수의 로그 값과 관련하여 S-N 곡선이 생성됩니다. 다음 섹션에서는 재료에 대한 S-N 곡선을 생성하기 위해 더 회전하는 빔 기계를 사용하여 강철 시편을 테스트합니다.

Moore 회전 빔 기계에서 회전식 캔틸레버 설정을 사용하여 테스트할 5개의 A572 등급 시편을 구합니다. 사용된 시편의 치수와 하중 지점까지의 거리는 사용 중인 시험기에 따라 다릅니다.

이러한 치수는 자체 테스트 설정에 따라 달라질 수 있습니다. 우리의 표본은 길이가 2.40인치이고 직경이 0.15인치입니다. 각 표본의 작은 목이 있는 부분은 길이가 0.50인치이고 직경이 0.04인치입니다.

첫 번째 표본을 빔 중앙 근처에 넥이 있는 부분이 오도록 기계에 장착합니다. 시편 중심에서 하중 지점까지의 거리를 측정합니다. 빔이 흔들림 없이 자유롭게 회전하도록 시편을 조심스럽게 정렬한 다음 캔틸레버 끝에 하중을 가합니다. 캔틸레버 시편은 일련의 스프링에 의해 생성된 점 하중을 사용하여 팁에 하중을 가하고 그 값은 로드 셀에 의해 모니터링됩니다. 하중은 베어링을 통해 적용되어 빔이 회전할 때 힘이 항상 아래쪽으로 가해집니다.

기계 속도가 1400rpm으로 설정되고 사이클 카운터가 0으로 설정되며 테스트가 시작됩니다. 속도, 시편 크기 및 적용된 응력은 시험기에 따라 달라집니다. 시편이 고장날 때까지 기다렸다가 고장날 사이클 수를 기록합니다. 시험기에서 고장난 시편을 제거하고 파괴 표면을 검사합니다.

시험할 각 응력 범위에서 하나의 시편을 시험하는 작업을 반복합니다. 통계적으로 유효한 데이터를 얻기 위해 각 응력 범위에서 더 많은 시편을 테스트해야 합니다.

응력 범위와 싸이클 수를 표로 만들고 결과를 플롯합니다. 시편의 실제 항복 응력은 65.3ksi이고 인장 강도는 87.4ksi였습니다. 여기에 표시된 응력 범위는 수율의 23%에서 92% 사이에 해당합니다.

이 데이터는 응력 범위가 15ksi를 초과하고 사이클이 100,000 미만인 경우 응력 범위와 사이클 수의 로그 사이에 선형 관계가 감소한다는 것을 보여줍니다. 그런 다음 최적선은 25ksi의 응력 범위에 대해 실패까지의 사이클 수가 약 31,000임을 나타냅니다.

15ksi의 응력 범위 이하에서는 고장이 표시되지 않습니다. 이것은 지구력 한계로 간주됩니다. 내구성 한계의 신뢰성은 10ksi에서 20ksi 사이의 더 많은 시편을 테스트하여 향상시킬 수 있습니다.

교량의 반복 하중 이력이 여러 사이클과 응력 범위로 구성된다고 가정하고 재료의 피로 거동을 알고 있는 경우 Miner의 법칙을 사용하여 실패 사이클을 계산할 수 있습니다.

예상대로 백분율 측면에서 볼 때 스트레스 범위가 높을수록 손상 누적에 훨씬 더 큰 영향을 미칩니다. 구조는 값이 1.0에 가깝기 때문에 설계 피로 수명 용량에 가까운 것으로 보입니다.

이제 피로 파괴에서 순환 하중, 테스트 및 모니터링의 역할에 대해 알아보았으므로 피로가 우리가 매일 사용하는 구조에 어떤 영향을 미치는지 예를 살펴보겠습니다.

교량은 매일 주기적인 하중을 경험합니다. 델라웨어주 윌밍턴의 브랜디와인 강 다리에서 다행히 치명적인 실패는 피할 수 있었습니다. 1997년 아래 트레일에서 조깅하는 사람이 발견한 심각한 균열은 휘두르는 결함으로 인해 전파되는 것으로 밝혀졌습니다. 수리가 이루어졌으며 다리는 사용을 모니터링하면서 6차선의 교통량을 계속 운반하고 있습니다.

엔지니어들은 1950년대에 비행 중 3대의 비행기가 폭발한 후 가압 및 감압을 시뮬레이션하기 위해 동체를 수영장에 잠겼습니다. 창문 모서리의 응력 집중으로 인한 반복적인 하중 후에 피로 파괴가 발생하는 것으로 확인되었습니다. 결과적으로, 현대의 비행기 설계에는 이러한 힘에 대응하고 응력 집중을 줄이기 위해 더 둥근 모서리가 포함됩니다.

당신은 방금 JoVE의 Introduction to the Fatigue of Metals를 시청했습니다. 이제 순환 하중의 개념과 금속의 피로 파괴에 미치는 영향을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!