[논문]구상흑연주철 극저사이클 피로파괴의 시뮬레이션 구현

김민건; 임복규

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.12.1573

[국내논문] 구상흑연주철 극저사이클 피로파괴의 시뮬레이션 구현
Simulation of Extremely Low Cycle Fatigue Fracture in Ductile Cast Iron 원문보기

In this study, fatigue tests were carried out under push-pull loading condition using spheroidal graphite cast iron in order to clarify the internal fatigue fracture mechanism in an extremely low cycle fatigue regime. It is found that a successive observation of internal fatigue damage it is found that the fracture processes go through three stages, that is, the generation, growth and coalescence of microvoids originated from debonding of graphite-matrix interface. It is also found that the crack which is initiated from the void propagates by coalescence of neighboring cracks and the fatigue crack growth rate can be expressed in form of the Manson-Coffin rule type. In this paper, quantitative analyses of fatigue properties for realization of simulation about fatigue life evaluation are also presented.

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문제 정의

평가하여 보이드의 전파법칙을 이끌어내고, 이 보이드의전파법칙을 변형하여 Manson-Coffin 법칙형의 피로 수명식을 유도한다. 또한 여기에 관련된 피로 현상을 지배하는 제반 인자들을 정량화하고, 이를 바탕으로 실제 실험을 하지 않고서도 피로 특성을 파악할 수 있는 시뮬레이션 기법을 개발하고자 한다.
본 연구에서는, 기계 및 구조재로 많이 사용되고 있는 구상혹연주철을 대상으로 하여, 소성변형 진폭(plastic strain range, Ae»)의 증가에 따른 내부손상의 축적거동을 정량적으로 측정 . 평가하여 보이드의 전파법칙을 이끌어내고, 이 보이드의전파법칙을 변형하여 Manson-Coffin 법칙형의 피로 수명식을 유도한다.

제안 방법

2에 제시된 시험편 형상은 $10, R20의 모래시계형이며, 시험 부를 에머리페이퍼와 알루미나 파우더를 사용하여경면으로 연마하였다. 그 후 기계가공으로 인한 잔류응력을 제거하기 위해 600X2에서 1시간 동안 진공 풀림처리를 하였다.
13과 같은 시뮬레이션 기법을 구축하게 되었다. 그리고 이러한 시뮬레이션 구현에 필요한 보이드의 발생과정, 성장과정, 연결과정을 각각 수식으로 도출하였다. 본 연구의 피로파괴 시뮬레이션 기법은 향후 전문가 프로그램(Expert program) 개발을 위한 기초를 제공함과 동시에 막대한 비용과 시간이 소요되는 실물실험을 생략할 수 있게 되어, 기계 및 구조물의 신속한 설계 및 최적설계에 기여하게 될 것이다.
또한 소정의 반복 사이클에서 내부 손상량을 관찰하기 위해, 각각의 사이클 최대 인장점에서 피로시험을 중단하고, 시험편을 액체질소 (Liquid nitrogen)로 냉각시켰다. 이 후, 시험편을 인장 취성파단시켜서, 피로손상을 받은 파단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰한다.
이러한 파면을 종합적으로 관찰하면 재료내부에서 발생된 미소균열은 파단직전에 급속하게 성장하여, 인접한 균열과의 연결과정을 거쳐서 최종파단 된다고 판단된다. 미소균열 성장거동을 더욱 상세히 관찰하기 위하여 주사형 전자현미경(SEM)을 사용한 관찰을 수행하였다.
보이드 사이의 연결 난이도는 보이드를 형성하는 흑연 입자지름과 흑연간 거리가 관련되어 있다고 판단하여 绳, =0.06에 n=12의 반복부하 후 극저온에서 인장 취성파단시켜, 그 파면을 이용해서 흑연의 입자지름과 흑연사이의 거리 측정을 했다. 측정 할 때에는 Fig.
본 연구에서는, 구상흑연주철의 극저사이클 영역에서의 피로파괴 거동을 상세히 고찰하고, 각흑연 조직인자의 정의와 균열 발생과 진전, 연결과정의 모델화를 통하여, Fig. 13과 같은 시뮬레이션 기법을 구축하게 되었다. 그리고 이러한 시뮬레이션 구현에 필요한 보이드의 발생과정, 성장과정, 연결과정을 각각 수식으로 도출하였다.
시험은 응력비 /?=-1, 주파수는 20Hz, 인장과 압축이 일정한 정현파로 실시하였다. 실험 시의 최소 직경 부의 변형률의 측정은 시험편 중앙에 변위 게이지를 부착하여 발생된 신호를 A/D변환기(Converter) 를 통해 소성변형진폭(厶勺)을 일정하게 제어하였다.
냉각시켰다. 이 후, 시험편을 인장 취성파단시켜서, 피로손상을 받은 파단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰한다.
있는 구상혹연주철을 대상으로 하여, 소성변형 진폭(plastic strain range, Ae»)의 증가에 따른 내부손상의 축적거동을 정량적으로 측정 . 평가하여 보이드의 전파법칙을 이끌어내고, 이 보이드의전파법칙을 변형하여 Manson-Coffin 법칙형의 피로 수명식을 유도한다. 또한 여기에 관련된 피로 현상을 지배하는 제반 인자들을 정량화하고, 이를 바탕으로 실제 실험을 하지 않고서도 피로 특성을 파악할 수 있는 시뮬레이션 기법을 개발하고자 한다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시험편은 구상흑연주철(GCD 45)이다. 화학성분은 Table 1에 나타내었으며, 흑연 조직인자의 특성은 Table 2에 정리하였다.

성능/효과

1. 흑연을 기점으로 발생한 보이드는 재료 내부에서 응력집중원으로 작용하고, 그 크기는 흑연의 지름과 비례한다C\D» 이런 생각을 수평면상에서 원으로 표현하였고, 이 원은 모든 방향에서 인접한 보이드와 연결이 가능하다고 판단하였다.
그것에 비해, , z/M=0・9의 단계에서는 파면 중심 부분에서 거시적인 피로손상부가 관찰되었다. 이러한 파면을 종합적으로 관찰하면 재료내부에서 발생된 미소균열은 파단직전에 급속하게 성장하여, 인접한 균열과의 연결과정을 거쳐서 최종파단 된다고 판단된다. 미소균열 성장거동을 더욱 상세히 관찰하기 위하여 주사형 전자현미경(SEM)을 사용한 관찰을 수행하였다.
연결을 되풀이 하고(b, c), 파단직전에는 보이드사이의 연결이 급속하게 일어나 거시적 내부균열을 형성하게 된다. 즉, 극저사이클 피로파괴 과정은 흑연주위의 보이드의 생성, 성장, 연결, 합체로 이어진다는 것을 관찰할 수 있었다.

후속연구

그리고 이러한 시뮬레이션 구현에 필요한 보이드의 발생과정, 성장과정, 연결과정을 각각 수식으로 도출하였다. 본 연구의 피로파괴 시뮬레이션 기법은 향후 전문가 프로그램(Expert program) 개발을 위한 기초를 제공함과 동시에 막대한 비용과 시간이 소요되는 실물실험을 생략할 수 있게 되어, 기계 및 구조물의 신속한 설계 및 최적설계에 기여하게 될 것이다.

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