선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 한다. 상온에 비해 고온에서 좀 더 빠른 시간에 파악된 고온 피로특성 데이터들로부터 실제 상온 조건에서의 피로특성을 구하기 위한 적절한 가속 모델을 찾고, 이를 통하여 최적 쇼트피닝 조건을 탐색하여 쇼트피닝된 재료의 피로수명을 예측하고 실제 쇼트피닝된 부품에 적용가능성을 보고자 한다. 이를 위해 쇼트피닝 가공효과를 평가하기 위해 일반적으로 항공용 소재로 쓰이고 있는 Al 7075-T6 소재를 선택하여 최적조건을 찾기 위해 회전굽힘 피로시험을 수행하였다.
- 이에 본 연구에서는 근래 국내에서 활발히 연구가 진행되고 있는 가속수명시험(Accelerated Life Test; ALT)의 개념을 쇼트피닝된 재료에 적용하고자 한다. 상온에 비해 고온에서 좀 더 빠른 시간에 파악된 고온 피로특성 데이터들로부터 실제 상온 조건에서의 피로특성을 구하기 위한 적절한 가속 모델을 찾고, 이를 통하여 최적 쇼트피닝 조건을 탐색하여 쇼트피닝된 재료의 피로수명을 예측하고 실제 쇼트피닝된 부품에 적용가능성을 보고자 한다.
제안 방법
- 가장 높은 피로수명을 가지는 피닝강도 조건을 찾기 위해 선행연구를 기초로 아크하이트-노출 시간에 따른 피로수명의 변화를 관찰하였다. 최적 조건 탐색조건은 투사시간을 6 분으로 고정하고 투사속도를 30m/s 에서 60m/s 까지 변화시켜 가면서 적용 응력이 307MPa 을 기준으로 피로 파단 수명을 측정하였다.
- 가장 우수한 피로수명을 가지는 피닝강도를 탐색하기 위해 쇼트볼의 투사속도에 따른 피로 수명의 변화를 확인하였다. Fig.
- 각각의 응력범위를 25OMPa 에서 400MPa 로 선정한 이유는 실제 피로시험시 IXIO, cycles 이전에서 3 조건의 온도(373 K, 423 K, 473 K)와 상온 조건에서의 피로특성 차이가 크지 않기 때문에 실험 결과와 비교하기 위하여 응력범위를 선정하였다.
- 고온 피로시험은 쇼트피닝 가공 후 A1 시험 편의 굽힘에 대한 피로수명의 변화를 관찰하기 위하여 회전 굽힘 피로시험을 수행하였다. 본 시험에 사용된 피로시험기는 고온챔버를 장착시킨 회전굽힘피로시험기(SHIMADZU, H7)를 사용하였다.
- 고온 회전굽힘 피로시험을 통하여 얻은 수명데이 터와 예측된 수명데이터 와의 오차를 비교하여보았다.
- 고온에서의 가속성이 성립하는지를 판별하기 위하여 적용응력 307MPa 에서 시험한 3개의 온도 조건 피로특성 데이터를 기초로 판별하였다. 수명-응력 사이의 관계에서 일반적인 가속 수명시험의 모델로 온도에 대한 하나의 웅력 인자만 고려하여 아레니우스 모형과 역거듭제곱모형 관계식을 이용하여 가속수명 모델을 평가하였다.
- 결과로부터 투사속도가 증가할수록 초기에는 피로수명이 증가하다가 투사속도 40m/s 일 때 최대의 피로수명을 가졌으며, 그 후 40m/s 를 벗어나면서 피로수명이 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 따라서 최적의 피로 수명을 가지는 투사속도를 선정할 수 있었으며 이를 피로시험으로부터 확인하였다.
- 상온 피로특성을 예측하였다. 또한 상온 조건에서도 피로시험을 실시하였는데 이는 가속 수명 모델을 이용하여 예측한 결과와 비교하기 위하여 시험을 실시하였다.
- 회전굽힘 피로시험을 통해 얻어진 최적조건을 바탕으로 쇼트피닝 가공조건을 결정하고 각각 온도가 다른 3 조건(373 K, 423 K, 473 K)에서 고온 피 로시험 을 실시하여 변화를 고찰하였다. 또한 온도 조건으로부터 예측된 결과를 검증하기 위하여 상온 조건에서 회전 굽힘 피로시험을 실시하여 예측한 상온 피로 특성과 비교하였고 고온에서 가속성이 성립하는지 검증하였다.
- 하중은 파단강도를 증가시키면서 실시하였으며, 고온챔버내의 초기 온도제어는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어방식으로 정해진 온도에서 하중을 가하면서 실험하였다. 또한, 온도 조건으로부터 예측된 결과를 검증하기 위하여 상온 조건에서 피로시험을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 근래 국내에서 활발히 연구가 진행되고 있는 가속수명시험의 개념을 쇼트피닝 처리한 시험편에 적용하여 상온에 비해 좀더 빠른 시간에 파악된 고온피로특성 데이터들로부터 상온 피로 특성을 예측하여 적절한 가속모델을 찾고 예측한 결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 쇼트볼은 컷 와이 어 라운드 쇼트볼(cut wire rounded shot ball)을 사용하였으며, 쇼트볼의 직경은 0.8mm 이고 경 도는 약 670 Hv 이다. Table 3은 쇼트피 닝 가공조건을 나타낸 것이다.
- 쇼트피닝 처리한 시험편의 피로특성을 알아보기 위해 S-N 선도를 구하고자 회전굽힘 피로 시험으로 피로 강도를 평가하였다. Fig.
- 쇼트피닝에는 임펠러 투사방식인 쇼트피닝 머신 (PMI-0608)을 이용하였으며, 피로시험편 끝단의 요철 발생을 방지하기 위하여 마스킹테이프를 감고 시험편의 중앙부위를 쇼트피닝 가공하였다. 쇼트볼은 컷 와이 어 라운드 쇼트볼(cut wire rounded shot ball)을 사용하였으며, 쇼트볼의 직경은 0.
- 시 험온도는 각각 온도가 다른 3 조건(373 K, 423 K, 473 K)으로 선정하여 피로시험을 수행하였으며, 모터의 회전수는 피로시험기에 무리가 가지 않는 범위인 1800~2200rpm을 유지하면서 실험하였다. 하중은 파단강도를 증가시키면서 실시하였으며, 고온챔버내의 초기 온도제어는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어방식으로 정해진 온도에서 하중을 가하면서 실험하였다.
- 우선 알멘스트립의 한쪽 면을 거울 면과 같이 연마하여 쇼트피닝을 실시하였다. 알멘스트립의 피닝 가공에 의한 압흔의 밀집도를 광학현미경 40 배율의 이미지로 분석하여 100% 커버리를 탐색하였다.
- 앞서 시행한 온도별 피로시험의 결과로부터 온도에 대한 가속수명 식인 아레니 우스모형 과 역 거 듭제곱모형 관계식을 이용하여 각각의 온도별 응력 범위를 선정하여 피로특성을 예측하여 보았다. 그 결과를 Fig.
- 100% 커버리지를 탐색하였다. 우선 알멘스트립의 한쪽 면을 거울 면과 같이 연마하여 쇼트피닝을 실시하였다. 알멘스트립의 피닝 가공에 의한 압흔의 밀집도를 광학현미경 40 배율의 이미지로 분석하여 100% 커버리를 탐색하였다.
- 상온에 비해 고온에서 좀 더 빠른 시간에 파악된 고온 피로특성 데이터들로부터 실제 상온 조건에서의 피로특성을 구하기 위한 적절한 가속 모델을 찾고, 이를 통하여 최적 쇼트피닝 조건을 탐색하여 쇼트피닝된 재료의 피로수명을 예측하고 실제 쇼트피닝된 부품에 적용가능성을 보고자 한다. 이를 위해 쇼트피닝 가공효과를 평가하기 위해 일반적으로 항공용 소재로 쓰이고 있는 Al 7075-T6 소재를 선택하여 최적조건을 찾기 위해 회전굽힘 피로시험을 수행하였다. 회전굽힘 피로시험을 통해 얻어진 최적조건을 바탕으로 쇼트피닝 가공조건을 결정하고 각각 온도가 다른 3 조건(373 K, 423 K, 473 K)에서 고온 피 로시험 을 실시하여 변화를 고찰하였다.
- 최적 조건 탐색조건은 투사시간을 6 분으로 고정하고 투사속도를 30m/s 에서 60m/s 까지 변화시켜 가면서 적용 응력이 307MPa 을 기준으로 피로 파단 수명을 측정하였다. 이때 피로수명의 극대값을 갖는 알 멘 강도를 최적피닝(optimumpeening)이라 정하였다.
- 최적의 피닝강도를 선정하기 위해 요구되는 중요 인자인 100% 커버리지를 탐색하였다. 우선 알멘스트립의 한쪽 면을 거울 면과 같이 연마하여 쇼트피닝을 실시하였다.
- 포화선도로부터 투사속도 70m/s 와 50m/s 의 두 조건에 대해서 100% 커버리지를 탐색하였다. Fig.
- 이러한 최적 피닝강도는 아크하이트와 커버리지로 표시되며 일반적으로 100% 커버리지에 서의 아크 하이트를 기준으로 하며, SAE 규정에 의거하여 알멘스트립 A 형(Ahnen strip A type)에 투사속도 40 ~ 70m/s, 투사시간은 30 초에서 16 분까지 변화시켜가며 아크하이트를 측정하였다. 피닝 후 각각 5 개씩 굽어진 만곡의 높이를 알멘게이지로 측정하여 평균 정리하였다.
- 실험하였다. 하중은 파단강도를 증가시키면서 실시하였으며, 고온챔버내의 초기 온도제어는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어방식으로 정해진 온도에서 하중을 가하면서 실험하였다. 또한, 온도 조건으로부터 예측된 결과를 검증하기 위하여 상온 조건에서 피로시험을 수행하였다.
- 이를 위해 쇼트피닝 가공효과를 평가하기 위해 일반적으로 항공용 소재로 쓰이고 있는 Al 7075-T6 소재를 선택하여 최적조건을 찾기 위해 회전굽힘 피로시험을 수행하였다. 회전굽힘 피로시험을 통해 얻어진 최적조건을 바탕으로 쇼트피닝 가공조건을 결정하고 각각 온도가 다른 3 조건(373 K, 423 K, 473 K)에서 고온 피 로시험 을 실시하여 변화를 고찰하였다. 또한 온도 조건으로부터 예측된 결과를 검증하기 위하여 상온 조건에서 회전 굽힘 피로시험을 실시하여 예측한 상온 피로 특성과 비교하였고 고온에서 가속성이 성립하는지 검증하였다.
대상 데이터
- 피로시험을 수행하였다. 본 시험에 사용된 피로시험기는 고온챔버를 장착시킨 회전굽힘피로시험기(SHIMADZU, H7)를 사용하였다. 고온챔버의 온도제어범위는 0~900笆이다.
- 본 실험에 사용한 시험편 재료는 고강도 알루미늄 합금인 Al 7075-T6 를 사용하였으며, 재료의 화학적 성분과 기계적 성질을 Table 1과 Table 2 에 나타내었다. 피로 시험편은 중앙부의 최소 직경이 8mm 가 되게 가공하였으며, 가공 후에 #2000 사포로 연마하고 다시 금속연마액으로 연마하였다.
- 피로 시험편은 중앙부의 최소 직경이 8mm 가 되게 가공하였으며, 가공 후에 #2000 사포로 연마하고 다시 금속연마액으로 연마하였다. Fig.
이론/모형
- 가속조건과 사용조건의 관계를 나타내는 가속시험 모델식에는 여러가지 모델식들이 있으나, 본연구에서는 압축 잔류응력과 온도와의 관계로부터 온도에 대한 가속수명식인 아레니우스모형 (Arrhenius model), 역 거듭제곱모형 (inverse power law)을 사용하였다.°)
- 고온 피로시험을 통하여 얻은 결과를 가지고 아레니우스 모형과 역거듭제곱모형 관계식을 이용하여 상온 피로특성을 예측하였다. 또한 상온 조건에서도 피로시험을 실시하였는데 이는 가속 수명 모델을 이용하여 예측한 결과와 비교하기 위하여 시험을 실시하였다.
- 수명-응력 사이의 관계에서 일반적인 가속 수명시험의 모델로 온도에 대한 하나의 웅력 인자만 고려하여 아레니우스 모형과 역거듭제곱모형 관계식을 이용하여 가속수명 모델을 평가하였다.
성능/효과
- (1) 피 로한도 1X io, cycles 을 기준으로 아레 니 우스모형을 이용하여 예측된 상온 피로한도는 실제 상온 회전굽힘 피로시험한 시험편의 피로한도와 약 5.45%의 오차를 가지며, 역거듭제곱모형 관계식은 약 1.36%의 오차를 가져 역거듭제곱모형 관계식이 쇼트피닝된 재료의 온도-수명 관계에 잘 적용되었다.
- (2) 빠른 시간에 파악된 고온 피로특성 데이터로부터 가속모델을 적용하면 실제 운전조건인 상온 피로특성을 예측할 수 있었으며, 여러 온도 범위의 피로특성 예측이 가능하였다.
- 각각의 S-N 선도에서 피로시험편은 5 개씩 실험하여 평균 정리하였으며 결과로부터 373 K 에서 피로 시험한 시험편 보다 423 K 와 473 K 에서 피로 시험한 시험편이 피로강도 및 피로수명이 모두 감소하였다. 또한 I X io' cycles 이 전, 후에서 피 로수명은 온도에 따른 수명차이가 크게 일어나지 않았다.
- 7 은 투사시간을 6 분으로 고정하고 투사속도를 변화시켜 가면서 적용응력 307MPa 을 기준으로 피로 파단수명을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 결과로부터 투사속도가 증가할수록 초기에는 피로수명이 증가하다가 투사속도 40m/s 일 때 최대의 피로수명을 가졌으며, 그 후 40m/s 를 벗어나면서 피로수명이 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 따라서 최적의 피로 수명을 가지는 투사속도를 선정할 수 있었으며 이를 피로시험으로부터 확인하였다.
- 비교한 결과이다. 고온조건(373 K, 423 K, 473 K)에서의 총 피로수명과 상온에서의 피로 수명을 비교한 결과 300MPa 에서는 상온조건보다 약 37.5%, 250MPa 에서는 약 68.3% 시험시간이 절약되었다. 그러나 350MPa 에서는 상온조건보다 시험 시간이 길게 나타났다.
- 14에 나타냈으며 응력범위는 250MPa 에서 400MPa 까지 25MPa 씩 증가시켜 가면서 예측하여 보았다. 그래프에서 보이듯이 온도가 증가할수록 피로수명이 감소함을 알 수 있었다. 또한 온도가 다른 3 조건(373 K, 423 K, 473 K)에서 두 모델의 피로수명은 일치하고 있으며 상온 조건에서는 피로 수명의 차이를 보이고 있으나 위에서 예측한 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.
- 2는 일정 온도에서 노출시간의 경과에 따른 응력완화의 정도를 나타낸 것이다. 두 그래프에서 보이듯이 200 ~ 300P 사이에서 응력완화가 확연히 관찰되고, 고온노출 5 시간 전후로 급격히 응력완화가 되는 것을 알 수 있다.
- 그래프에서 보이듯이 온도가 증가할수록 피로수명이 감소함을 알 수 있었다. 또한 온도가 다른 3 조건(373 K, 423 K, 473 K)에서 두 모델의 피로수명은 일치하고 있으며 상온 조건에서는 피로 수명의 차이를 보이고 있으나 위에서 예측한 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.
- 상온조건에서 피로한도는 247.8MPa, 373 K 에서는 199MPa 로 상온 최적피닝 시험편에 비해 약 19.7% 감소하였고, 423 K 에서는 155.1MPa 로서 약 37.4% 감소, 423 K 에서는 104.7MPa 로서 약 57.7% 감소하였다. 상온 쇼트피닝 가공에 의한 시험편 모두 온도가 증가할수록 피로특성이 감소하였는데 이는 고온으로 인한 재료표면의 압축 잔류응력이 열응력에 의해 감소하고 연성이 증가하기 때문으로 사료된다.
- 10 은 523 K 에서 시간에 따른 표면 경도의 변화를 나타낸 것이다. 설정한 시간은 30 분에서 24시 간까지 설정 하였으며 초기 2시간까지는 급격하게 표면경도가 감소하다가 그 이후 시간부터는 경도가 수렴하였다. 이러한 결과로 볼 때 재료가 고온에 노출시 재료 내부의 응력이 상당히 감소되었으며, 약 523 K 이전의 온도에서 약 1 시간까지는 쇼트피닝에 의한 재료표면의 압축 잔류응력이 존재하였다.
- 예측된 아레니우스모형과 고온 피로시험 S-N 선도 결과에서 각각의 고온 피로시험 S-N 선도와 예측된 아레니우스모형 S-N 선도는 큰 오차없이 잘 일치함을 보였다.
- 온도가 증가할수록 일정한 간격으로 피로수명이 감소하였다. 이러한 결과로 보아 재료표면의 압축잔류응력은 온도가 증가할수록 감소하여 피로수명이 감소되는 것을 확인하였다.
- 설정한 시간은 30 분에서 24시 간까지 설정 하였으며 초기 2시간까지는 급격하게 표면경도가 감소하다가 그 이후 시간부터는 경도가 수렴하였다. 이러한 결과로 볼 때 재료가 고온에 노출시 재료 내부의 응력이 상당히 감소되었으며, 약 523 K 이전의 온도에서 약 1 시간까지는 쇼트피닝에 의한 재료표면의 압축 잔류응력이 존재하였다. 이러한 결과로부터 온도 적용 범위는 열 가속인자 수준에 맞게 373 K ~ 473 K 사이에서 3수준을 정 하였다.
- 이상의 결과를 종합해 볼 때 고온조건(373 K, 423 K, 473 K)에서 회전굽힘 피로시험을 실시하였을 때 상온 및 각각의 온도수명을 예측할 수 있었으며 실험결과와도 큰 오차없이 일치하였다. 또한 역거듭제곱모형 관계식이 쇼트피닝된 재료의 온도-수명 관계에 잘 적용되는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 실제 쇼트피닝 가공한 금속 부품에도 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 5 는 포화선도(saturation curve)로서 쇼트피닝 가공공정의 기준이 되는 기초자료로 이용된다. 투사속도를 40m/s ~ 70m/s 까지, 투사시간을 30 초에서 16 분까지 변화시켜가며 아크하이트를 측정한 결과 약 4 분정도까지는 급격한 증가를 보이다가 서서히 소량증가를 보였으며, 최소 0.078 mmA 로부터 최대 0.528 mmA 의 다양한 아크하이트를 얻었다.
- 16은 예측한 상온 S-N 선도를 점선으로 나타내었으며 실제 피로시험한 상온 데이터를 실선으로 나타내고 이를 비교한 것이다. 피로한도 1 X IO, cycles 을 기준으로 실제 피로 시험한 시험편의 피로한도는 247.8MPa 이고 예측된 아레니우스 모형의 피로한도는 261.3御a 로서 약 5.45% 의 오차를 가지며, 예측된 역거듭제곱모형의 피로한도는 251.1MPa 로서 약 1.36%의 오차를 가진다.
후속연구
- 또한 역거듭제곱모형 관계식이 쇼트피닝된 재료의 온도-수명 관계에 잘 적용되는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 실제 쇼트피닝 가공한 금속 부품에도 적용 가능할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.