[재료시험]피로시험의 종류(I) - 반복인장압축시험

[재료시험]피로시험의 종류(I) - 반복인장압축시험

피로 시험에서 응력을 반복할 때는 정적으로 하는 것과 동적으로 가하는 것 등이 있다. 정적 방식은 내구 강도를 결정하려고 할 때에 사용되는 보통 시험이고, 동적 방법은 내구한도 이상의 응력을 가하고 파괴될 때까지의 반복 횟수를 결정한다.
a) 반복 인장압축 시험 : 시편의 축 방향에 인장 및 압축력이 교대로 작용할 때

b) 반복 굽힘 시험
° 왕복 반복 굽힘 시험 : 시편에 왕복 반복력이 작용하여 반복 굽힘이 되어 시편의 한쪽 단면에는 인장력과 압축력이 교대로 생긴다.

° 회전 반복 굽힘 시험 : 굽힘 하중을 걸고 시편을 회전시키는 반복 시험이다.
c) 반복 비틀림 시험 : 반대 방향으로 반복 비틀림이 생기는 피로 시험으로, 전단응력이 가해진다.
d) 복합 응력 피로시험 : 몇 개의 응력이 복합하여 작용하는 피로 시험이다

가 반복 인장 압축 시험(KS B ISO 1099 참조)
a) 시험원리 : 동일한 호칭 시험편들을 축 하중 형식의 피로 시험기에 고정하고, 반복 응력 형태의 하중을 가한다. 시험은 시험편이 파단되거나 혹은 미리 정해진 반복 응력 횟수를 초과할 때까지 한다.

b) 기호 및 정의

기호 정 의 D 평평한 시험편 물림부 끝의 지름 또는 나삿니 끝의 총 지름 d 최대 응력이 걸리는 부위의 시험편 지름 Lc 평행부의 길이 r 지름 d 또는 나비 b에서 물림부 끝의 지름 D 또는 나비 B로   변화가 시작되는 시험편 끝 부위의 반지름1 a 사각 단면 시험편의 시험부 두께 b 최대 응력이 가해지는 사각 단면 시험편의 나비 B 사각 단면 시험편 물림부의 나비
*주1 :그림 1a)와 그림 2a) 형태의 시험편에 있어서 이 곡선은 시험부위의 끝 지점과 지름 또는 나비가 확장된 물림부의 시작 지점 사이의 전 거리에 걸쳐진 원호일 필요는 없다
표 1. 기호 및 정의	그림 1. 반복 인장 압축 시험편의 예

c) 시험편
° 시험편의 모양

그림 2. 원형 단면 시험편 1 그림 3. 원형 단면 시험편 2

 

그림 4. 사각 단면 시험편 1 그림 5. 사각 단면 시험편 2

- 시험부와 양끝 사이에 걸쳐 접선이 연속적으로 변하는 어깨부이거나(그림 2) 또는 양끝 사이에 연속적인 반지름을 가진(그림 3) 원형단면 시험편
- 시험부와 물림부 양끝 사이에 접선이 연속적으로 변하는 어깨부이거나(그림 4) 또는 양끝 사이에 연속적인 반지름을 가지면서(그림 5) 시험 부위에 걸쳐 두께가 균일한 사각형 단면 시험편
*주2:사각형 단면 시험편에서 시험 부위의 나비와 두께를 모두 축소하도록 요구될 수도 있다. 이 경우에는 나비와 두께 방향 모두에서 연속적으로 변하는 어깨부를 가져야한다.
- 시험편의 양끝은 사용 시험기 형식 및 시험 재료에 적당한 형태여야 한다.
- 시험편의 물림부 양끝은 축 또는 단면이 감소된 시험 부위의 축에 대하여 대칭이어야 한다.
- 시험기에 관계없이 시험편의 양끝은 축 또는 시험 부위의 축에 대해 직각이어야 한다.
- 시험부위가 연속적인 반지름으로 이루어진 시험편 :
- 재료에 대한 기본적인 피로 특성을 결정하려면 원형 단면적의 시험편을 사용

° 시험편의 치수 및 주의사항

원 형 단 면 사 각 형 단 면 - 최대 응력지점에서의 지름 : 6mm ≤ d ≤ 12.5mm - 응력이 최대로 걸리는 단면적 : 32.2mm2 ≤ ab ≤645mm2 - 원통형 부분의 평행도 : 0.02mm 이내 - 사각형 단면의 평행도 : 0.02mm 이내 - 매우 짦은 시험편의 경우 : 6mm 미만의 시험편 사용 가능 - 요구응력을 얻기 위해 가하는 하중을 계산하기 위해서 다면적은 각각 ± 0.5% 이하의 허용차를 가지는 길이로부터 측정 - 요구응력을 얻기 위해서는 시험편의 최소 지름을 0.01mm 정확도로 측정 - 응력주기에 압축이 있는 시험 : Lc/d < 4 - 시험편을 측정하는 동안 표면 손상이 없어야 함   - 응력 주기에 압축이 있는 시험 : Lc/d < 4

표 2. 그라파이트 그리스의 권장 특성

 

° 시험편 준비
- 가공방법 : 화염 절단에 의한 윤곽 성형과 같은 절단이나 혹은 블랭크에서 시험편을 채취하여 가공할 때 시험편의 크기로 만드는 기계적 가공이 시험편의 조직이나 특성을 바꾸지 않아야 한다.
- 기계 가공에 의한 절단은 시험편 표면의 가공경화가 최소화 되도록 해야 한다.
- 단단한 강을 시험편 크기로 마무리 가공할 때 연마가 사용될 수 있다

° 선삭 : 공작물을 회전시키면서 절삭하는 작업
- 지름 에서 까지 시험편을 황삭(Rough cutting : 한꺼번에 많은 양의 소재를 절삭)할 때 절삭 깊이는 단계적으로 감소시켜야 한다.(는 일반적으로 지름 에 표면 마무리 가공을 위한 적절한 가공여유를 더한 값이다) → 추천 절삭 깊이 : 1.25mm → 0.75mm → 0.25mm
- 지름 에서 까지 절삭 깊이를 단계적으로 더욱 감소시켜야 한다.
→ 추천 절삭깊이 : 0.125mm → 0.075mm → 0.05mm
- 마무리 절단에 대하여 이송은 회전당 0.06mm를 초과하지 않도록 한다.

° 밀링 : 사각형 단면 시험편의 경우 빌렛이나 판으로부터 시험편 블랭크를 채취하고, 마무리 시험편의 크기로 기계 가공하는데 적용 가능하다.
- 절삭속도와 이송속도를 선택 → 소재의 특성을 고려, 마무리 절단에서 요구되는 표면 품질 고려
- 절삭속도 및 절삭 깊이는 플레인 밀링(Plain milling)과 페이스 밀링(Face milling), 재료성분과 조건에 따라서 달라진다.

피 삭 재 료 절 삭 속 도 m/min ft/min 알루미늄합금 300 ~ 3000 1000 ~ 10000 회주철 90 ~ 1300 300 ~ 4200 구리합금 90 ~ 1000 300 ~ 3300 고온합금 30 ~ 550 100 ~ 1800 강 60 ~ 450 200 ~ 1500 스테인리스강 90 ~ 500 300 ~ 1600 열가소성 및 열경화성 플라스틱 90 ~ 1400 300 ~ 4500 티타늄합금 40 ~ 150 130 ~ 500

표 3. 밀링작업의 절삭속도

인장압축시험기

° 연마 : 쉽게 선삭할 수 없는 재료의 시험편에 대하여서는, 연마에 의해 마무리 작업을 할 것을 권장
- 시험편의 크기로 연마할 때 절삭 깊이는 단계적으로 감소시켜야 한다.
- 추천 절삭 깊이
→ 0.1mm 가공 여유까지는 0.030mm 절삭 깊이
→ 0.025mm 가공 여유까지는 0.005mm 절삭 깊이
→ 최종 크기까지는 0.0025mm 절삭 깊이

° 표면 마무리
- 기계 가공 및 연마 후 단계적으로 미세한 등급의 연마지나 천을 사용하여 수작업 또는 기계 작업으로 다듬질
- 다듬질은 길이방향으로 한다.
- 중간 단계에서는 거친 등급의 연마지나 천에 의해 생성된 길이 방향의 흠집을 확실히 제거할 수만 있다면, 어떤 방향으로 하여도 무방하다.
- 다듬질은 마무리된 시험 부위의 거칠기가 0.025㎛(중심선 평균) 이하가 되어야 한다.

° 시험 전 보관
- 최종 시험편 준비와 실제 시험 사이에 시차가 있다면, 보관 기간 동안 표면에 손상이 없었음을 확인하기 위해 적절한 방법으로 검사
- 만일 부식 피트(pits : 부식으로 인한 작은 구멍)와 같은 손상이 있었다면 다시 다듬질한다.

° 시험편 물림 : 각 시험편은 적용 하중에 의해 부가되는 응력 이외에 다른 응력이 걸리지 않아야 한다.

° 시험 속도
- 응력 주기의 주파수는 사용된 시험기의 형식과 시험편의 강성에 의존한다.
- 주파수는 재료, 시험편 및 시험기의 특별한 조합에 가장 적합하도록 선택하여야 하며, 이는 시험편에서 변형에너지의 빠른 발산으로 인해 발생할 수 있는 열과 관련이 있다.
- 범용 축하중 피로 시험기의 주파수 : 약 250 ~ 18000회/min

° 하중의 적용
- 시험의 초기 단계 동안, 요구조건이 지속되는지를 보증하기 위해 자주 하중을 점검
- 하중 유지 장치와 시험편 파괴 차단 스위치를 조절하여 설정
- 적절한 동적 교정 방법에 의해 결정된 평균 하중 및 하중 범위는 반복 주기의 최대 하중의 3%이내, 또는 시험기의 최대 하중의 0.5% 이내에 있어야 한다.

° 내구한도
- 주어진 반복 주기에서 명백한 기울기의 변화를 보인 후 수평축에 평행한 S/N 곡선의 내구한도 : 107 반복주기
- 주어진 반복 주기에서 연속적인 곡선을 나타내어 수평축에 점차 근접하는 S/N 곡선의 내구한도 : 108 반복주기

° 시험 보고서
- 시험 재료, 치수, 금속학적 특성 및 시험편의 표면조건 ,재료생산과 관련된 규격
- 응력 주기의 형태, 평균응력, 응력 범위, 사용 시험기의 형식
- 시험편의 형태 및 치수
- 응력 주기의 주파수
- 실질적인 시험편의 온도
- 상대 습도가 50 ~ 70% 범위를 초과 : 상대 습도의 범위 → 시험이 지속되는 동안 계속 측정
- 시험 종료기준
→ 시험기간(2× 106 반복주기), 피로 균열의 발생, 시험편의 완전파손
→ 시험편의 소성 변형, 균열 전파속도
- 시험 동안 요구 조건을 벗어난 모든 사항
- 시험편에 행한 열처리 내용