재료의 피로한계란?

피로한계란?

피로 한계 또는 내구성 한계는 피로 파괴를 일으키지 않고 재료에 무한한 수의 하중 주기를 적용할 수 있는 응력 수준입니다.

철 합금 및 티타늄 합금과 같은 일부 금속에는 뚜렷한 한계가 있는 반면 알루미늄 및 구리와 같은 다른 금속은 작은 응력 진폭에서도 결국에는 파손되지 않으며 결국 파손될 것입니다.

재료에 뚜렷한 한계가 없는 경우 피로 강도 또는 내구 강도라는 용어가 사용되며 재료가 피로 파괴 없이 지정된 주기 동안 견딜 수 있는 완전히 반전된 굽힘 응력의 최대값으로 정의됩니다.

피로 수명은 주기적 응력, 잔류 응력, 재료 특성, 내부 결함, 입자 크기, 온도, 설계 형상, 표면 품질, 산화, 부식 등에 의해 영향을 받습니다. 일부 재료, 특히 강철 및 티타늄의 경우 응력에 대한 이론적인 값이 있습니다. 피로 한계, 내구성 한계 또는 피로 강도라고 하는 사이클 수에 대해 재료가 파손되지 않는 진폭.

엔지니어는 재료의 피로 수명을 결정하기 위해 다양한 방법을 사용합니다. 가장 유용한 것 중 하나는 응력-수명 방법이 일반적으로 Wöhler 곡선으로도 알려진 S-N 곡선으로 특징지어집니다. 이 방법은 그림에 설명되어 있습니다. 구성 요소 수명 또는 실패까지의 주기 수(N)에 대해 적용된 응력(S)을 표시합니다.

응력이 높은 값에서 감소함에 따라 구성 요소 수명은 처음에는 천천히 증가하다가 나중에는 상당히 빠르게 증가합니다. 취성 파괴와 같은 피로는 이러한 가변적인 특성을 가지므로 곡선을 그리는 데 사용되는 데이터는 통계적으로 처리됩니다. 결과의 분산은 정밀하게 제어할 수 없는 여러 테스트 및 재료 매개변수에 대한 피로 민감도의 결과입니다.

 

피로 한계를 발견한 사람은?

지구력 한계의 개념은 1870년 August Wöhler에 의해 도입되었습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 금속 재료에는 내구성 한계가 존재하지 않으며 충분한 응력 주기가 수행되면 가장 작은 응력도 결국 피로 파괴를 생성합니다.

 

정의

S-N 곡선에 대해 다음 용어가 정의됩니다.

피로 한계 또는 내구성 한계는 피로 파괴를 일으키지 않고 재료에 무한한 수의 하중 주기를 적용할 수 있는 응력 수준입니다.

피로 한계

피로 한계(때때로 내구 한계라고도 함)는 피로 파괴가 발생하지 않는 응력 수준입니다. 이 한계는 S-N 곡선이 더 높은 N 값에서 수평이 되는 일부 철(철 기반) 및 티타늄 합금에만 존재합니다. 알루미늄 및 구리와 같은 기타 구조용 금속은 뚜렷한 한계가 없으며 작은 응력 진폭에서도 결국 파손됩니다. 강철에 대한 한계의 일반적인 값은 최대 인장 강도의 1/2이며 최대 290MPa(42ksi)입니다.

피로 강도

ASTM은 피로 강도, SNf를 특정 사이클 수(예: 107 사이클) 후에 파손이 발생하는 응력 값으로 정의합니다. 예를 들어, 풀림된 Ti-6Al-4V 티타늄 합금의 피로 강도는 107에서 약 240MPa입니다. 사이클 및 응력 집중 계수 = 3.3.

피로 수명

피로 수명은 재료의 피로 거동을 특징으로 합니다. S–N 플롯에서 가져온 지정된 응력 수준에서 고장을 일으키는 사이클 수입니다.

피로 파괴의 과정은 세 가지 단계로 특징지어집니다.

▷ 높은 응력 집중의 어떤 지점에서 작은 균열이 형성되는 균열 개시.
▷ 이 균열이 각 응력 주기와 함께 점진적으로 진행되는 동안 균열 전파. 대부분의 피로 수명은 일반적으로 균열 성장 단계에서 소모됩니다.
▷ 진행 중인 균열이 임계 크기에 도달하면 극한 파괴가 매우 빠르게 발생합니다.

피로 파괴와 관련된 균열은 응력 집중의 특정 지점에서 거의 항상 구성 요소 표면에서 시작(또는 핵 생성)합니다. 응력 집중과 균열의 발생으로 이어지는 모든 것은 피로 수명을 단축시킵니다.

따라서 연삭에 비해 표면 조도를 높이고 연마하면 피로 수명이 향상됩니다. 금속 부품의 표면층의 강도와 경도를 높이면 피로 수명도 향상됩니다.

 

전형적인 값

강철에 대한 한계(Se)의 일반적인 값은 최대 인장 강도의 1/2이며 최대 290MPa(42ksi)입니다. 철, 알루미늄 및 구리 합금의 경우 (Se)는 일반적으로 극한 인장 강도의 0.4배입니다.

철의 최대 일반 값은 170MPa(24ksi), 알루미늄 130MPa(19ksi), 구리 97MPa(14ksi)입니다. 이 값은 매끄러운 "노치가 없는" 시험편에 대한 것입니다. 노치가 있는 시편의 내구성 한계는 상당히 낮습니다.

고분자 재료의 경우 피로 한계는 균열을 확장하기 위해 파열되어야 하는 고분자 사슬의 공유 결합의 고유 강도를 반영하는 것으로 나타났습니다. 다른 열화학 공정이 중합체 사슬을 끊지 않는 한, 하중이 고유 강도 미만으로 유지될 때 중합체는 균열 성장 없이 무기한 작동할 수 있습니다.