[논문]쇼트피닝 가공한 스프링강의 고온 피로 파괴 특성에 관한 연구

박경동; 신영진

쇼트피닝 가공한 스프링강의 고온 피로 파괴 특성에 관한 연구
Characteristics of High Temperature Fatigue Fracture in Spring Steels after Shot Peening 원문보기

The lightness of components that was required in automobile and machinery industry requires high strength of components. In particular, manufacturing process and new materials development for solving the fatigue facture problem attendant upon high strength of suspension of automobile are actively advanced. In this paper, the effect of compressive residual stress of spring steel(JISG SUP-9)by shot-peening on fatigue crack growth characteristics in high temperature($100^{\circ}C,\;150^{\circ}C,\;180^{\circ}C$)was investigated with considering fracture mechanics. So, we can obtaint the followings. (1) Compressive residual stress is decreased with increasing the test temperature. (2) The effect of compressive residual stress on fatigue crack growth behavior in high temperature is increased below ${\Delta}K=17{\sim}19MPa{\sqrt{m}}$. (3) It was investigated by SEM that the constraint of compress residual stress for plastic zone of fatigue crack tip was decreased in high temperature as compared with room temperature.

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문제 정의

이와 같은 피로 수명을 향상하기 위한 연구가 최근 활발하게 이루어지고 있다2, 3).본 논문에서는 스프링강(jiSG SUP-9) 의 표면에 쇼트피닝가공하여 형성된 압축 잔류응력을 정성적으로 조사하고, 전기유압서어보 피로시험기에서 고 온 환경하의 피로균열진전거동에서의 피로 균열 안정성장 구간과 피로균열진전이 정지되는 하한계응력확대계수를 측정하고 피로 균열 진전 파면 양상을 관찰하기로 한다.

제안 방법

CT 시험 편의 피로균열진전 파면의 양상을 관찰하기 위해서 압축 잔류응력이 부여되지 않은 언 피닝 시편의 상온(25°C) 실험 파단면과 본 실험의 쇼트피닝 가공된 시편에 대한 고온환경 실험파단면을 비교하였다. Fig.
쇼트피닝가공한 스프링강(JUSG SUP-9)의 압축 잔류응력이 고온 환경에서 피로 균열 진전거동에 미치는 영향을 조사하였으며 그 결과는 다음과 같다. 1) 쇼트피닝재에서 압축 잔류응력은 상온 환경에서 735MPa, 100°C에서 694MPa, 150°C에서 665MPa, 180 °C에서 650MPa로고온환경에서 100 °C에서 6%, 150°C에서 10%, 180°C에서 12%의 압축잔류응력이소멸되었다.
시험 편의 초기 크랙은 초기 응력 확대 계수 범위 AK 를 lOMPaJ打 로 하여 초기 AK의 95% 범위 내에서 AK증가법으로 진행하였고 초기크랙 진전길이 3~5 mm 지점에서 다시 95%범위 내의 AK저감법으로 하여 피로 균열 진전이 정지될 때까지 실험하였다. 본 실험에 적용된 응력확대 계수 범위 AK의 계산 식은 다음과 같다 '.
완성된 CT시험편의 피로진전 실험은 전기유압서어보 피로시험기(INSTRON 8501)에 의한 하중 제어방식으로 실험하였다. 적용하중파형은 정현파로 하고 적용 응력비는 R=0.
피로 균열 진전파 단면의 양상은 주사식 전자현미경(SEM, HITACHI S-2150)으로 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 시험편은 철도차량 및 자동차 현가장치에 주로 사용되어지고 있는 스프링강(JISG SUP-9)이며, 이 재료의 화학적 성분을 Table 1에 표시하였고 Table 2는 시험편 재료의 기계적 성질로서 Fig. 1과 같은 조건에서 열처리(Quenching & Tem- pering)한 후의 결과이다.기계적 성질을 시험하기 위한 인 장 시험 편은 KSB-08의 규격 4로 가공하였다.
기계적 성질을 시험하기 위한 인 장 시험 편은 KSB-08의 규격 4로 가공하였다. 피로균열 진전거동을 관찰하기 위한 CT 시험편은 두께 12.5로 하였으며, 시험 편의 채취는 열간 압연 된 프렛 바 상태에서 L-T방향으로 채취하였다. 한편 시험편의 열처리는 Fig.

이론/모형

1과 같은 조건으로 970°C에서 20분간 가열한 후유중에서 담 금질하여 정상적인마르텐사이트 조직이 형성되었고, 이 시험 편을 다시 490°C에서 80분간 뜨임하였으며, 정상적인 소르바이트 조직의 확인은 금속 현미경(Versmet-2)에서 400 배로 확대한 현미경 조직 사진에 의하여 관찰되었다. 그리고 열처리된 시험편은 ASTM-95a 규정에 따라 가공하였고, 노치의 슬로터가공은 와이어 커팅머신에 의하여 가공한 후 표면을 그라인 딩 머신으로 연마하였다. 시험편의 형상과 치수는 Fig.
1과 같은 조건에서 열처리(Quenching & Tem- pering)한 후의 결과이다.기계적 성질을 시험하기 위한 인 장 시험 편은 KSB-08의 규격 4로 가공하였다. 피로균열 진전거동을 관찰하기 위한 CT 시험편은 두께 12.
실험하였다. 적용하중파형은 정현파로 하고 적용 응력비는 R=0.3, 주파수는 10Hz로 하였으며 피로 균열 길이 측정은 크립게이지를 이용한 compli- ance법으로 ASTM E-647-95a 규정에 따라 상온환경(25°C)과 고온 환경(100°C, 150°C, 180©에서 실험하였다.

성능/효과

5는 균열진전 길이 a와 하중 가진 횟수 N과의 관계 그래프이며, Table 5는 피로진전크랙길 이 a=28 mm에서 하중가진 횟수를 수치로 비교하였다. 피로 수명은 쇼트피닝 시편이 언피닝 재 시편보다 상온 25°C에서 98%, 100°C에서 39%, 150笆에서 63%, 180"C에서 54%가 증가되었다. 여기에 상온과 100C 사이에 압축 잔류응력의 최대 값이 급감하여 급속한 피로 균열 진전 속도비를 보였으나 온도가 증가하는 구간에서는 균열진전 속도비가 완만한 감소 현상과 피로 균열선단 소성역의 탄소성 변형기구의 작용으로 180°C의 수명이 100°C수명보다 동일 온도에서 증가된 것으로 판단된다.
같다. 1) 쇼트피닝재에서 압축 잔류응력은 상온 환경에서 735MPa, 100°C에서 694MPa, 150°C에서 665MPa, 180 °C에서 650MPa로고온환경에서 100 °C에서 6%, 150°C에서 10%, 180°C에서 12%의 압축잔류응력이소멸되었다.
2) 중간속도영역(Stage II)에서 AK=10MPaV^ 일 때 언피닝재에 비하여 쇼트피닝재의 피로 균열진전속도는 상온 25°C에서 52%, 100°C에서 30%, 150°C 에서 32%, 180°C에서 38%가 감소되었다.
3) 피로균열 진전 파면을 주사식 전자현미경(SEM) 으로 관찰한 결과 피로 균열 파면 양상에서 상온 환경에 비하여 고온 환경 피로균열 파면이 피로 균열 선단의 소성영역에 대한 구속력을 감소시키는 양상이 관찰 되 었다.
4) 언피닝재에 비하여 쇼트피닝재의 피로 수명이 상온 25°C에서 98%, 100°C 39%, 150C에서 63%, 180 °C에서 54%가 증가되고 있다. 피로 수명의 향상은 극표면에 압축 잔류응력이 생성되어 표면에서 균열 선단을 구속하기 때문으로 판단된다.
3은 상온(25 °C)에서의 압축 잔류응력의 분포와 고온환경(100°C, 150°C, 180°C)에서 실험 후 변화된 압축 잔류응력의 분포를 나타내고 있다. 여기서 압축 잔류응력은 상온 환경 735MPa에 비하여 H)0°C 환경에서 41MPa(6%), 150°C 환경에서 70MPa(10%), 180°C환경에서 85MPa(12%)가 소멸됨으로서 온도가 상승할수록 압축 잔류응력은 소멸되는 것이 관찰되었다.
피로 수명은 쇼트피닝 시편이 언피닝 재 시편보다 상온 25°C에서 98%, 100°C에서 39%, 150笆에서 63%, 180"C에서 54%가 증가되었다. 여기에 상온과 100C 사이에 압축 잔류응력의 최대 값이 급감하여 급속한 피로 균열 진전 속도비를 보였으나 온도가 증가하는 구간에서는 균열진전 속도비가 완만한 감소 현상과 피로 균열선단 소성역의 탄소성 변형기구의 작용으로 180°C의 수명이 100°C수명보다 동일 온도에서 증가된 것으로 판단된다.

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