[논문]압축잔류응력을 부여한 스프링강의 부식피로 수명평가

박경동; 기우태; 신영진

압축잔류응력을 부여한 스프링강의 부식피로 수명평가
An Evaluation on Corrosion Fatigue life of Spring Steel by Compressive Residual Stress 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.15 no.1, 2007년, pp.1 - 7

박경동 (부경대학교 기계공학부) , 기우태 (부경대학교 기계공학부) , 신영진 (부경대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the influence of compressive residual stress and corrosive condition for corrosion fatigue crack was investigated, after immersing in 3.5%NaCl, $10%HNO_3+3%HF,\;6%FeCl_3$. The immersion period was performed for 90days. The fatigue characterization of a spring steel with processed shot peening were performed by considering the several corrosion environments in the range of stress ratio of 0.05 by means of opening mode displacement. By using the methods mentioned above, the following conclusions have been drawn: The fatigue life shows more improvement in the shot peened material than that in the un peened material. And the fatigue life shows improvement in ambient than in corrosion conditions. Threshold stress intensity factor range of the shot peened materials has higher than of the un peened materials. And the threshold stress intensity factor range was decreased in corrosion environments over ambient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 주로 자동차 현가장치나 스프링 재료로 사용되 고 있는 스프링 강에 쇼트피 닝가공을 실시하여 각종 부식 환경에서 부식 피로 균열 성장 거동을 연구하여 압축잔류응력과 부식 생성기구와의 관계를 규명하고자 한다. 이를 위해 세 가지 부식용액(3.
압축잔류응력 을 부여 한 스프링 강의 세 가지 부식 액에서 피로균열진전거동에 미치는 부식의 영향과 부식 형태에 따른 피로특성에 대한 연구를 하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 이는 차량용 현가장치의 부식설계에 응용하고자 한다.
결론을 얻었다. 이는 차량용 현가장치의 부식설계에 응용하고자 한다.

제안 방법

그 후 엔진밸브 스프링 제조용 쇼트피닝 기를 사용하여 Table 3과 같은 조건하에서 볼의 투사속도 57%, 70%, 83%, 96%로 압축잔류 응력을 부여한 결과Fig. 2와 같이 최적의 투사속도 70 %, 즉 2200rpm에서 표면으로부터 110um깊이에 730MPa의 최대 압축잔류응력이 형성되었음을 X- 선 잔류응력 측정기(RIGAKU-MSF2M)로 측정하였디.
부식 환경에 따른 피로균열진전거동을 관찰하기 위해 용존산소를 제거하지 않은 세 가지 부식용액 (3.5%NaCl, 10%HNO₃+3%HF, 6%FeCh)을 1 £ 용량의 특수용기에 담근 후 언피닝 시험편과 쇼트피닝 시험편을 각각 침지시켰다. 시험편은 각각 세 개씩침지시켜 각 시험편이 겹치지 않도록 고정시켜 90 일 동안 침지시켜 평균값으로 결과를 나타내었다.
5%NaCl, 10%HNO₃+3%HF, 6%FeCh)을 1 £ 용량의 특수용기에 담근 후 언피닝 시험편과 쇼트피닝 시험편을 각각 침지시켰다. 시험편은 각각 세 개씩침지시켜 각 시험편이 겹치지 않도록 고정시켜 90 일 동안 침지시켜 평균값으로 결과를 나타내었다. Fig.
관계를 규명하고자 한다. 이를 위해 세 가지 부식용액(3.5%NaCL 10%HNO₃+3%HF, 6%FeCh)에서 90일 동안 침지시킨 후 피로균열진전실험을 실시하여 각종 부식액에서의 쇼트피닝의 영향, 부식형 태와 압축잔류응력과의 관계를 분석하여 부식 피로 수명 평 가 자료로 사용함으로써 각종 부품의 안전설계에 기 여 하고자 한다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 재료는 자동차 스프링 재료로 사용되고 있는 스프링강이며, 화학적 성분을 Table 1 에 나타내었고, 기계적 성질을 Table 2에 나타내었다.
피로균열진전거동을 관찰하기 위한 CT 시험편은 두께를 6mm로 하였고 시험편의 채취는 열간 압연 된 프렛바 상태에서 압연방향과 균열의 전파 방향이 직각이 되도록 채취하였다. 각 부 치수는 ASTM E647-93의 기준에 따라 Fig.

이론/모형

3은 본 연구에 사용된 피로시험 기(INSTRON 8821S)를 나타내고 있다. 실험은 서보전기 유압식 피 로 시 험 기 를 이 용하여 하중감소 제 어 방식 으로 주파수는 10Hz, 응력 비 R=0.05으로 하였고, 피로 균열 길이 측정은 크립게 이지에 의한 컴플라이언스 법에의 해 측정하였다.
피로실험은 ASTM E647-93에 따라 /IK감소법으로 하여 피로균열이 정지될 때까지 실험하였다.

성능/효과

1) 각 부식수용액에서의 피로균열진전속도는 전반적으로 쇼트피 닝 재가 언피 닝 재 에 비 해 낮은 피로 균열속도를 나타내었다 이는 압축잔류응력이 균열진전과정 에서 균열선단의 구속력으로 작용하여 피로 균열진전속도 지 연효과가 나타난 것으로 판단된다.
2) 하한계응력확대 계수에는 상온보다 부식 환경에서 낮은 값을 보였다 이는 낮은 주파수와 응력확대계수범 위에서는 균열선단에서의 전기화학적 작용으로 부분적인 부식피트 발생 및 성장으로 낮은 값을 나타낸 것으로 판단된다.
3) 세 가지 부식액 중에서 10%HNO₃+3%HF 수용액에서 가장 높은 피로수명을 나타내었고, 언 피닝 재는 3.5%NaCl 수용액에서 가장 낮은 값을 나타내어 부식형태 중에서 입계부식에서 쇼트피닝의 효과가 크게 나타났다.
4) 부식 환경에서는 쇼트피닝 가공 시 재료에 형성된 압축 잔류응력이 부식의 진행에 따라 생성된 성장응력과의 상호작용에 의해 보호피막의 생성 시간이 길어져 언피닝재의 비해 부식에 대해 저항성이 높은 것으로 나타났다.
Table 5는 균열길이 30mm 지점을 기준으로 하여 수치로 비교한 것이다. 각 조건에서의 사이클 수는 쇼트피닝 재가 언피닝 재보다 상온에서는 453%, 6% FeCh 수용액에서는 371%, 10%HNO₃+3%HF 수용액에서는 502%, 3.5%NaCl 수용액에서는 270%가증가되었다.
것을 알 수가 있다. 또한 부식 수용액 중에서 10%HNO₃+3%HF 수용액에서 즉 부식 형태 중에서 입계부식에서 쇼트피닝 효과가 크게 나타나고 있는 것을 알 수가 있다.
또한 상온에 비해 부식 환경에서는 낮은 피로 균열진전지수 값을 나타내고 있으며 하한계 응력 확대 계수와는 비례적인 관계를 나타내고 있었다. 반면에 재료 상수는 하한계 응력확대계수 값이 낮을수록 높은 값을 나타내어 피로균열진전지수와 재료상수는 서로 반대의 경향이 나타났다.
또한 상온에 비해 부식 환경에서는 낮은 피로 균열진전지수 값을 나타내고 있으며 하한계 응력 확대 계수와는 비례적인 관계를 나타내고 있었다. 반면에 재료 상수는 하한계 응력확대계수 값이 낮을수록 높은 값을 나타내어 피로균열진전지수와 재료상수는 서로 반대의 경향이 나타났다.

참고문헌 (14)

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D. E. Bray and R. K. Stanley, Nondestructive Evaluation, CRC Press, New York, 1997
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S. Tekeli, 'Enhancement of Fatigue Strength of SAE 9245 Steel by Shot Peening,' Materials Letters Vol.57, pp.604-608, 2002

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S. G. Jung and S. H. Lee, A Guide of Shot peening Proceeding, SeHwa Pub, pp.6-12, 2001
S. K. Cheong, S. H. Lee and S. C. Chung, 'Effect of the Peening Intensity by Shot Peening,' KSME, Vol.25, No.10, pp.1590-1596, 2001

원문보기 상세보기
K. D. Park, 'A Study on the Effect of Compressive Residual Stress on Fatigue Crack Propagation Behavior of the Shot-peened Spring Steel,' Tansactions of KSAE, Vol.11, No.4, 2003
ASTM, 'Standard Test Method for Determining The Effective Elastic Parameter for X-ray Diffraction Measurement of Residual Stress,' ASTM E1426-94, pp.932-935. 1994
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Y. B. Lee, H. K. Kim and J. S. Jung, Fundamentals of Fatigue Analysis, Chungmungak, Seoul, Korea, pp.99-125, 1999
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D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion, 2nd Edition, Prentice Hall, New Jersey, pp.31-34. 1995
Y. C. Lin and S. C. Chen, 'Effect of Residual Stress on Thermal Fatigue in a Type 420 Martensitic Stainless Steel Weldment,' Journal of Materials Processing Technology, 2003
M. G. Fontana, Corrosion Engineering, 3rd Edition, McGraw-Hill, New York, 1986

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