[재료시험]피로시험의 종류(II) - 반복굽힘시험

[재료시험]피로시험의 종류(II) - 반복굽힘시험

나. 반복 굽힘 시험
a) 시험원리 : 외형이 동일한 시험편들을 돌리면서 굽힘 모멘트가 걸리도록 한다. 굽힘 모멘트가 생기도록 하는 힘은 회전하지 않는다. 시험편은 한 점이나 두 점지지 방식의 외팔보, 혹은 4점지지 방식으로 장착한다. 시험은 시험편이 파괴될 때까지, 혹은 미리 정한 회전수를 초과할 때까지 시험한다.
b) 기호 및 정의

기 호 정 의 D 장착된 시험편의 자루 부분 지름 d 응력이 최대인 부분의 시험편 지름 r 시험편의 지름이 d에서부터 커지기 시작하는 부분의 곡률 반지름1
*주1 : 곡률 반지름은 시험부에서부터 시험편의 지름이 커지는 부분의 전체 범위에 걸쳐 반드시 원형의 곡률이어야 할 필요는 없다
표 4. 기호 및 정의	그림6. 반복 굽힘 시험편의 예

c) 시험편
° 시험편의 모양

그림 7. 평행 시험편(외팔보)  그림 8. 지름이 점점 감소하는 시험편(외팔보)

그림 9. 환상면체형 시혐편(외팔보)  그림 10. 평행 시험편(2점 지지형)

그림 11. 평행 시험편(4점 지지형)  그림 12. 환상면체형 시혐편(2점 지지형)

그림 13. 환상면체형 시험편(4점 지지형)

회전형굽힘시험기

° 시험부의 형상 : 시험부는 각기 원형의 단면부를 사용
- 원통형으로서 한쪽이나 양쪽 끝이 접선의 윤곽으로 커지는 것(그림 7, 10, 11)
- 점점 가늘어지는 것(그림 8)
- 환상면체(그림 9, 12, 13)중의 하나
- 하중을 가하는 방식
ⅰ) 한(두) 점 지지 방식으로 하중을 가함 → 원통형 또는 환상면체형 시험편
ⅱ) 한점 지지의 외팔보 방식으로 하중을 가함 → 점점 가늘어지는 시험편
- 시험편의 형상이 달라지면 높은 응력을 받는 영역의 범위도 달라짐
- 가능하면 높은 응력을 받는 부위의 크기가 큰 시험 방법을 선택하는 것이 바람직함
- 경험적으로 나사 방식으로 고정하는 시험편에서는 시험부 단면적과 나사부 단면적의 비율이 최소한 3:1은 되어야 바람직함
- 높은 응력, 고속시험에서는 시험편에 과다한 열이 발생하므로, 높은 응력을 받는 부분의 크기를 작게 해야 한다.
- 만약 냉매를 사용할 경우에는 냉매가 시험편과 반응하지 않아야 함

° 시험편의 지름 : 피로 시험에 사용하는 모든 시험편의 공차는 이어야 함
- 공칭지름 : , 권장지름은 6mm / 7.5mm / 9.5mm
- 요구되는 응력을 얻기 위해 가해야 하는 하중을 계산하기 위해서는 시험편의 실제 최소 지름을 0.01mm의 정밀도로 측정해야 하며, 측정시 시험편에 상처가 나서는 안 됨
- 일정한 굽힘 모멘트를 받는 원통형 시험편(그림 8, 9) : 시험부의 평행도는 0.025mm 이내
- 다른 형상의 원통형 시험편(그림 1) : 시험부의 평행도는 0.05mm 이내
- 시험부의 양쪽 끝에서 지름이 굵어지는 부분 : 곡률반지름
- 환상면체형의 시험편 : 곡률반지름

° 시험편의 준비
- 가공방법 : 시험편의 미세조직이나 물성이 바뀌지 않아야 함
- 기계가공은 시험편 표면의 가공경화가 최소화되도록 해야 함
- 고강도 소재를 연삭으로 최종 가공할 때에는 냉각제를 충분히 공급해야 함

° 선반가공의 순서
- 지름 에서 사이에서의 선반 가공시 절삭 깊이 : 1.25mm → 0.75mm → 0.25mm
- 지름 에서부터 까지의 절삭 깊이 : 0.125mm → 0.075 → 0.05mm
- 최종 마무리 가공에서 절삭 깊이 : 1회 1회전당 0.06mm를 넘지 않아야 함

° 연삭
- 선반 가공을 할 수 없는 상태일 때에는 연삭으로 최종 가공할 것을 권장
- 열처리(강도의 증가) : 지름 까지 선반 가공한 다음에 열처리
- 최종 크기보다 0.1mm 큰 크기 까지는 0.030mm씩 연삭
- 최종 크기보다 0.025mm 큰 크기 까지는 0.005mm씩 연삭
- 최종 크기 까지는 0.0025mm씩 연삭

° 표면 마무리 가공
- 지름 까지 연삭한 다음에 손이나 기계장치로 사포나 헝겊을 사용하여 등급을 높여가면서 경면 가공함
- 경면가공은 시험편의 축방향으로 하여야 하며, 중간 단계에서는 낮은 등급의 사포를 사용할 때 생긴 길이 방향의 흠집을 없애기 위하여 임의의 방향으로 할 수도 있음
- 시험부의 최종 상태가 표면 결이 최소한 0.025㎛(중심축 평균)이 되어야 함 → 내수성 SiC 600 추천

° 시험 전 시험편의 보관
- 최종 시험편 준비와 실제 시험 사이에 시차가 있다면, 보관 기간 동안 표면에 손상이 없었음을 확인하기 위해 적절한 방법으로 검사
- 0.5mm 공차의 목적 : 열처리 과정에서 생기는 표면 현상, 즉 탈탄, 뒤틀림 등을 제거
*탈탄(Decarburization) : 탄소를 포함하는 합금을 열처리하거나, 열간 가공할 때 산소와 같은 반응매체의 존재로 인해 표면의 탄소를 잃는 현상

° 시험편 장착(시험기 제작사의 권장사항이 우선)
- 각 시험편은 적용 하중에 의해 부가되는 응력 이외에 다른 응력이 걸리지 않아야 한다.
- 하중을 받치는 베어링이 분리형 콜릿으로 시험편에 고정하는 방식 : 비틀림 변형률이 가해지는 것을 피하기 위하여 시험편을 시험기에 장착하기 전에 콜릿을 먼저 시험편에 부착하고 단단하게 조이는 것이 바람직함
- 간섭형 치구로 장착할 경우에도 위와 비슷한 순서가 필요
- 시험 기간 중의 진동을 피하기 위하여 시험편과 시험기 회전축과의 동축성을 근사한 한계 이내로 유지해야 함
- 척의 끝부분 : ± 0.025mm
- 외팔보나 일부 2점 지지형 시험기의 하중을 받지 않는 자유로운 끝부분 : ± 0.013mm
- 기타 다른 피로시험기에서의 실제 시험부의 두 군데 위치에서 측정한 편심률의 허용공차 : ± 0.013mm

° 시험 속도
- 1000rpm ~ 9000rpm의 시험속도 내에서 시험
- 시험편 선회현상(Whirling : 기하학적 중심과 질량적 중심이 일치하지 않을 때 굽음 진동을 일으키는 현상)이 일어나는 속도는 피함

° 시험 하중 부하 : 각 시험편마다 전 시험 하중을 가하는 순서가 같아야 한다.
- 시험 하중을 가하기 전에 시험기를 작동시켜 시험 속도에 먼저 도달하도록 한다.
- 시험 속도에 도달 후 충격이 없는 범위 안에서 가능한 빠르게 시험 하중에 이를 때까지 시험 하중을 단계적으로, 또는 연속적으로 높인다.
- 만약, 특정한 주파수가 요구될 경우에는 하중 부하가 끝난 다음에 시험 속도를 소폭 조정할 수 있다
- 시험편에 가해지는 굽힘 모멘트의 정확도는 1%이어야 한다.

° 내구한도
- 주어진 회전수 범위 안에서 곡선의 후반부가 수평축과 평행하게 되는 분명한 기울기의 변화를 일으키는 소재의 S/N 곡선의 내구한도 : 107 회전수
- 연속선의 형상으로 수평축에 접근하는 양상을 나타내는 소재의 S/N 곡선의 내구한도 : 108 회전수

° 시험 결과 보고
- 시험편의 소재 종류, 금속학적 특징, 소재 생산에 적용된 관련 국제 규격
- 응력을 가한 방법, 시험기의 종류, 시험기의 교정 방법 → 국제 규격과 일치하지 않을 시 기입
- 시험편의 형식, 크기, 표면 상태 및 하중 부하 위치
- 응력 회전 주파수
- 시험편의 온도(시험 환경보다 시험편의 온도가 높은 경우)
- 시험 상대 습도(상대 습도가 50~70%의 범위를 벗어날 경우)
- 시험 종료기준, 즉, 수명 또는 시험편의 파괴 혹은 다른 기준
*육안으로 확인되는 피로균열의 생성, 완전 파괴
*시험편의 소성변형, 균열 진전속도
- 시험 기간 중 나타난 시험 조건의 변화
- 시험편을 열처리하였을 경우 열처리 내용