항공기 구조물에 적용되는 냉간가공 알루미늄 합금의 피로특성과 피로균열 성장거동 평가 : Evaluation of Fatigue Properties and Fatigue Crack Growth Behavior of Coldworked Aluminum Alloy for Aircraft Structure원문보기
일반 기계부품과 구조물은 다양한 하중조건에 노출되게 되며, 이러한 하중은 피로하중 형태로 기체의 체결부위에 균열의 발생과 성장을 유발시켜 최종 피로파괴현상을 초래하게 한다. 체결부위는 일반적으로 홀을 가공한 후, 볼트, 리벳 및 하이락 등의 패스너를 이용하여 체결된다. 이러한 체결기구들은 조립과 분해를 용이하게 하여줄 뿐만 아니라, 구조물에 작용하는 하중을 분산하거나 전달하여 준다. 그러나 이들 체결기구의 주요결점으로는 체결을 위한 홀 부위는 응력집중부가 되어 피로강도에 중요한 영향을 미치게 된다. Coldworking은 홀 영역에 피로강도를 향상시키는 기계적인 방법으로써, 특히 항공 산업에서 널리 적용되고 있는 기법이다. 이 방법은 홀 확장을 통하여 유효한 ...
일반 기계부품과 구조물은 다양한 하중조건에 노출되게 되며, 이러한 하중은 피로하중 형태로 기체의 체결부위에 균열의 발생과 성장을 유발시켜 최종 피로파괴현상을 초래하게 한다. 체결부위는 일반적으로 홀을 가공한 후, 볼트, 리벳 및 하이락 등의 패스너를 이용하여 체결된다. 이러한 체결기구들은 조립과 분해를 용이하게 하여줄 뿐만 아니라, 구조물에 작용하는 하중을 분산하거나 전달하여 준다. 그러나 이들 체결기구의 주요결점으로는 체결을 위한 홀 부위는 응력집중부가 되어 피로강도에 중요한 영향을 미치게 된다. Coldworking은 홀 영역에 피로강도를 향상시키는 기계적인 방법으로써, 특히 항공 산업에서 널리 적용되고 있는 기법이다. 이 방법은 홀 확장을 통하여 유효한 압축잔류응력을 발생시키며, 이러한 압축잔류응력은 구조물의 균열발생과 성장을 지연시키게 한다. 비록 이러한 피로수명 증가 기법, 재료의 피로특성과 건전성 연구에 주목할 만한 성과를 보였지만 실제 재료내부의 미소균열 검출이 이루어지지 못 한다면 심각한 문제를 야기 시킬 수 있다. 현재 일반적으로 방사선 투과, 초음파 및 와전류 탐상기법 등의 다양한 비 파괴적 평가 기법이 적용되고 있지만, 이러한 기법으로 결함 검출시 이미 균열은 임계균열에 근접하여 손상에 대처할 시간이 충분하지 않을 수 있다. 본 연구에서는, 다양한 에지거리 및 재질에 대하여 coldworking에 적용에 따른 피로특성과 최적의 가공조건을 제시하였다. 적용된 재질은 항공기 주 부재로 일반적으로 적용되고 있는 Al2024-T351과 Al7050-T7451 이다. Coldworking 처리에 따른 홀 확장율, 초기잔류응력 및 반복하중에 따른 잔류응력이완을 측정하였으며, coldworking 및 non coldworking시험편에 대한 S-N 곡선과 da/dN-ΔK 곡선의 특성을 평가하기 위한 피로시험이 수행되었다. Al2024-T351의 에지마진 2.00에서, coldworking에 따른 mandrel 출구 쪽에서의 홀의 접선방향의 최대압축잔류응력은 항복강도의 1.6배 정도로 나타났으나, 에지마진 1.00에서는 항복강도의 0.5배 정도의 비교적 낮은 압축잔류응력이 생성되었다. 또한, 초기잔류응력은 반복하중에서의 작용응력이 높을 수 록 그 이완은 높게 나타났다. 피로시험 및 잔류응력 측정결과를 통하여, 효과적인 냉간가공을 위해서는 최대 약 4.0 %의 홀 확장율과 에지마진이 1.25이상 되어야 함을 알 수 있었다. 시험편 홀에 coldworking 적용에 따라 에지마진 2.00에서 Al2024-T351의 피로한도응력은 약 1.3배 증가하였으며, 7050-T7451은 약 1.1배 정도 증가하였다. 또한 Al2024-T351의 에지마진 1.50에서 다른 에지마진에 비하여 약 1.4배 정도의 가장 높은 피로한도응력의 증가를 보였으나, 에지마진 1.00에서는 약 1.1배 정도로 피로한도응력의 증가가 크게 감소되었다. Coldworking에 따라 Paris 법칙에서 균열 진전율과 직접적인 관계가 있는 지수 "m" 은 Al2024-T351에서는 큰 감소를 보였으나, Al7050-T7451은 비교적 작은 감소를 보였다. 이러한 피로특성 결과를 통하여 mandrel 및 split sleeve를 이용한 coldworking 적용에서는 Al2024-T351이 Al7050-T7451에 비하여 비교적 효과적인 coldworking 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 잔류응력이 생성된 coldworking 및 non coldworking 시험편의 피로수명예측을 위하여 notch가 없는 동일한 재질의 S-N curves에 대하여 피로노치계수와 coldworking에 따른 피로한도응력의 증가비를 적용함으로써 피로수명예측이 가능하였다. 또한 내재된 부위의 초기균열발생 및 균열거동을 실시간으로 검출하기 위하여 음향방출(Acoustic Emission, AE)기법의 적용으로, AE hits 수의 급격한 변화와 누적된 분포를 통하여 내재된 부위의 초기균열발생과 균열거동을 예측할 수 있었다. 특히 AE 변수, 파형 및 주 파수의 특성을 분석함으로써 재료의 강도변화 및 소성변형에 따른 평가가 가능함을 제시하였다.
일반 기계부품과 구조물은 다양한 하중조건에 노출되게 되며, 이러한 하중은 피로하중 형태로 기체의 체결부위에 균열의 발생과 성장을 유발시켜 최종 피로파괴현상을 초래하게 한다. 체결부위는 일반적으로 홀을 가공한 후, 볼트, 리벳 및 하이락 등의 패스너를 이용하여 체결된다. 이러한 체결기구들은 조립과 분해를 용이하게 하여줄 뿐만 아니라, 구조물에 작용하는 하중을 분산하거나 전달하여 준다. 그러나 이들 체결기구의 주요결점으로는 체결을 위한 홀 부위는 응력집중부가 되어 피로강도에 중요한 영향을 미치게 된다. Coldworking은 홀 영역에 피로강도를 향상시키는 기계적인 방법으로써, 특히 항공 산업에서 널리 적용되고 있는 기법이다. 이 방법은 홀 확장을 통하여 유효한 압축잔류응력을 발생시키며, 이러한 압축잔류응력은 구조물의 균열발생과 성장을 지연시키게 한다. 비록 이러한 피로수명 증가 기법, 재료의 피로특성과 건전성 연구에 주목할 만한 성과를 보였지만 실제 재료내부의 미소균열 검출이 이루어지지 못 한다면 심각한 문제를 야기 시킬 수 있다. 현재 일반적으로 방사선 투과, 초음파 및 와전류 탐상기법 등의 다양한 비 파괴적 평가 기법이 적용되고 있지만, 이러한 기법으로 결함 검출시 이미 균열은 임계균열에 근접하여 손상에 대처할 시간이 충분하지 않을 수 있다. 본 연구에서는, 다양한 에지거리 및 재질에 대하여 coldworking에 적용에 따른 피로특성과 최적의 가공조건을 제시하였다. 적용된 재질은 항공기 주 부재로 일반적으로 적용되고 있는 Al2024-T351과 Al7050-T7451 이다. Coldworking 처리에 따른 홀 확장율, 초기잔류응력 및 반복하중에 따른 잔류응력이완을 측정하였으며, coldworking 및 non coldworking시험편에 대한 S-N 곡선과 da/dN-ΔK 곡선의 특성을 평가하기 위한 피로시험이 수행되었다. Al2024-T351의 에지마진 2.00에서, coldworking에 따른 mandrel 출구 쪽에서의 홀의 접선방향의 최대압축잔류응력은 항복강도의 1.6배 정도로 나타났으나, 에지마진 1.00에서는 항복강도의 0.5배 정도의 비교적 낮은 압축잔류응력이 생성되었다. 또한, 초기잔류응력은 반복하중에서의 작용응력이 높을 수 록 그 이완은 높게 나타났다. 피로시험 및 잔류응력 측정결과를 통하여, 효과적인 냉간가공을 위해서는 최대 약 4.0 %의 홀 확장율과 에지마진이 1.25이상 되어야 함을 알 수 있었다. 시험편 홀에 coldworking 적용에 따라 에지마진 2.00에서 Al2024-T351의 피로한도응력은 약 1.3배 증가하였으며, 7050-T7451은 약 1.1배 정도 증가하였다. 또한 Al2024-T351의 에지마진 1.50에서 다른 에지마진에 비하여 약 1.4배 정도의 가장 높은 피로한도응력의 증가를 보였으나, 에지마진 1.00에서는 약 1.1배 정도로 피로한도응력의 증가가 크게 감소되었다. Coldworking에 따라 Paris 법칙에서 균열 진전율과 직접적인 관계가 있는 지수 "m" 은 Al2024-T351에서는 큰 감소를 보였으나, Al7050-T7451은 비교적 작은 감소를 보였다. 이러한 피로특성 결과를 통하여 mandrel 및 split sleeve를 이용한 coldworking 적용에서는 Al2024-T351이 Al7050-T7451에 비하여 비교적 효과적인 coldworking 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 잔류응력이 생성된 coldworking 및 non coldworking 시험편의 피로수명예측을 위하여 notch가 없는 동일한 재질의 S-N curves에 대하여 피로노치계수와 coldworking에 따른 피로한도응력의 증가비를 적용함으로써 피로수명예측이 가능하였다. 또한 내재된 부위의 초기균열발생 및 균열거동을 실시간으로 검출하기 위하여 음향방출(Acoustic Emission, AE)기법의 적용으로, AE hits 수의 급격한 변화와 누적된 분포를 통하여 내재된 부위의 초기균열발생과 균열거동을 예측할 수 있었다. 특히 AE 변수, 파형 및 주 파수의 특성을 분석함으로써 재료의 강도변화 및 소성변형에 따른 평가가 가능함을 제시하였다.
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