[논문]자동차 현가장치재의 부식피로수명에 따른 압축잔류응력의 영향

기우태; 박성모; 문광석; 박경동

자동차 현가장치재의 부식피로수명에 따른 압축잔류응력의 영향
The Effect of Compressive Residual Stress according to Corrosion Fatigue Life of Automobile Suspension Material 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.16 no.5, 2008년, pp.1 - 7

기우태 (부경대학교 대학원 기계공학부) , 박성모 (부경대학교 대학원 컴퓨터공학과) , 문광석 (부경대학교 전자공학부) , 박경동 (부경대학교 기계공학부)

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A study of new materials that are light-weight, high in strength has become vital to the machinery of auto industries. But then, there are a lot of problems with developing such materials that require expensive tools, and a great deal of time and effort. Therefore, the improvement of fatigue strength and fatigue life are mainly focused on by adopting residual stress. And Influence of corrosive condition for corrosion fatigue crack was investigated, after immersing in 3.5%NaCl, $10%HNO_3$+3.5%HF, $6%FeCl_3$. The immersion period was performed for 365days. The compressive residual stress was imposed on the surface according to each shot velocity based on shot peening, which is the method of improving fatigue life and strength. Fatigue life shows more improvement in the shot peened material than in the un peened material in corrosion conditions. The threshold stress intensity factor range was decreased in corrosion environments over ambient. Compressive residual stress of surface on the Shot-peen processed operate resistance force of fatigue crack propagation. The fatigue crack growth rate of the Shot-peened material was lower than that of the un peened material. Also m, fatigue crack growth exponent and number of cycle of the shot peened material was higher than that of the un peened material. That is concluded from effect of da/dN.

주제어

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문제 정의

부식환경에서의 피로실험을 통해 부식피로균열 진전거동에 미치는 쇼트피닝의 영향에 대해서도 파괴 역학적 관점에서 규명하여 부식 환경에서의 피로수명을 평가 하고자 한다. 이러한 연구결과를 통해 부식 환경에서의 부식으로 인한 손상을 줄이고, 각종 부품이나 구조물의 설계 시 피로수명 평가 자료에 기여하고자 한다.
부식환경에서의 피로실험을 통해 부식피로균열 진전거동에 미치는 쇼트피닝의 영향에 대해서도 파괴 역학적 관점에서 규명하여 부식 환경에서의 피로수명을 평가 하고자 한다. 이러한 연구결과를 통해 부식 환경에서의 부식으로 인한 손상을 줄이고, 각종 부품이나 구조물의 설계 시 피로수명 평가 자료에 기여하고자 한다.

제안 방법

1에 시험편의 형상을 Shot peening 유무에 따라 Shot peening 시험편과 Un peening 시험편 두 가지로 나누어, 두께 20mm 판재에서 산소절단기를 이용하여 압연방향이 하중방향이 되게 L-T방향으로 채취하였고, 각부 치수는 ASTM E647-05의 기준에 따라 외형가공은 밀링(Milling)으로, 노치홈은 와이어커팅 방전가공기(Wire cutting electrical discharge machine)에서 노치 끝부분이 60°의 각도에 노즈 반지름 0.1mm가 되게 가공하였다.
각 부식 환경에서의 Shot peening의 효과를 알아보기 위한 부식용액은 부식형태 중 공식(6% FeCl₃)과 입계부식(10%HNO₃ + 3% HF), 그리고 일반해수 환경(3.5% NaCl)에서의 Shot peening 효과를 알아보기 위해 탈기처리 하지 않은 수용액을 선정하여, 부식 환경조에 부은 후 Shot peening 시험편과 Un peening 시험편을 각 조건에서 각각 3개씩 시험편을 넣어 시험편들끼리 접촉하지 않도록 고정시켰다.
기계 가공된 노치는 매우 둔한 첨단을 가지고 있어 피로균열성장실험의 기본역학인 선형탄성파괴역학(Linear Elastic Fracture Mechanics)은 이상적으로 날카로운 균열을 전제로 하고있다. 따라서, 기계가공된 노치로부터 날카로운 예비균열을 성장시켜 가공된 노치의 영향과 균열 첨단모양 및 하중 이력으로 인한 영향을 감소하고 예상 경로를 명확히 하기 위해 표면을 샌드페이퍼 #1200으로 충분히 연마하였으며 25℃ 정도의 온도환경과 항복강도 이내의 응력범위에서 ASTM E647-05 규정에 의거해 3mm의 피로예비균열을 주었다.^6-9)
2와 같이 최대값(730㎫)이 표면으로부터 110㎛깊이에 형성되었음을 X-선 잔류응력기(Rigaku-MSF2M)로 측정하였다. 또한 시험편 표면 전체에 균일한 가공면을 얻기 위해 양면을 Shot peening 가공하였다.
부식 침지실험을 위한 장치로는 부식 환경조에 상온(25°C)에서 탈기처리하지 않은 세 가지 부식용액(3.5% NaCl, 10% HNO3 + 3% HF, 6% FeCl3)을 넣은 후 12개월 동안 침지시켰다.
시험편의 초기 크랙은 초기응력확대계수 범위ΔK를 10MPa#으로 하여 초기ΔK의 95% 범위 내에서 ΔK증가법으로 하여 피로균열진전이 정지될 때까지 실험하였다.
자동차 현가장치재의 부식피로에 미치는 압축잔류응력을 부여한 스프링강의 세 가지 부식액에 12개월(365일)동안 침적시킨 후 피로균열진전시험을 통하여 피로균열진전거동에 미치는 부식형태에 따른 피로특성에 대한 연구를 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
Shot peening 가공속도는 앞선 연구결과에서 최대의 압축잔류응력을 형성하는 2200 rpm에서 실시하였다. 표면에 형성된 압축잔류응력은 Fig. 2와 같이 최대값(730㎫)이 표면으로부터 110㎛깊이에 형성되었음을 X-선 잔류응력기(Rigaku-MSF2M)로 측정하였다. 또한 시험편 표면 전체에 균일한 가공면을 얻기 위해 양면을 Shot peening 가공하였다.
피로균열진전실험은 전기유압서보 피로시험기(Instron 8821S, 100KN)에 의한 하중제어 방식으로 적용 하중 파형은 정현파로 하였다. 응력비 R=0.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시험편은 철도차량 및 자동차현가장치에 주로 사용되고 있는 와이어로드상태의 압연 스프링강(SAE 5155)으로서 Table 1은 화학적 성분, Table 2는 열처리(Quenching & Tempering)한 시편의 기계적 성질을 나타내었다.
시험편은 부식 환경에서의 피로균열 전파거동을 관찰하기 위한 컴팩트(CT) 시험편으로, 두께는 6mm로 하였고, 각부 치수는 ASTM E647-05의 기준에 따라 제작하였다. Fig.

이론/모형

피로균열진전실험은 전기유압서보 피로시험기(Instron 8821S, 100KN)에 의한 하중제어 방식으로 적용 하중 파형은 정현파로 하였다. 응력비 R=0.05, 주파수는10㎐로 적용하였으며, 피로균열길이측정은 COD 클립게이지를 이용한 컴플라이언스법으로 ASTM E647-05의 규정에 따라 상온에서 각각의 시험편을 실험하였다. 시험편의 초기 크랙은 초기응력확대계수 범위ΔK를 10MPa#으로 하여 초기ΔK의 95% 범위 내에서 ΔK증가법으로 하여 피로균열진전이 정지될 때까지 실험하였다.

성능/효과

1) 부식 환경에서는 쇼트피닝 가공 시 재료에 형성된 압축잔류응력이 부식의 진행에 따라 생성된 성장응력과의 상호작용에 의해 보호피막의 생성시간이 길어져 언피닝재에 비해 부식에 대해 저항성이 높은 것으로 나타났다.
많은 철강재료의 경우에는 부식과정에 있어서 금속의 용해로 인해 상온에서보다 부식 환경에서 균열속도가 더 빨리 진전이 된다.¹⁾ 최근 환경오염이 심각해 해수환경의 경우 일반 해수와 다른 질산화물이나 황산화물 등 각종 오염물질이 많이 배출되고 있고, 산성비와 염화나트륨의 사용량이 많아 각종 기계 자동차 부품이나 선박 등 각종 해양구조물의 강도를 저하시키는 원인이 되고 있다.
2) 각 부식수용액에서의 피로균열진전속도는 전반적으로 쇼트피닝재가 언피닝재에 비해 낮은 피로균열속도를 나타내었다. 이는 압축잔류응력이 균열진전과정에서 균열선단의 구속력으로 작용하여 피로균열진전속도 지연효과가 나타난 것으로 판단된다.
3) 부식환경에서의 피로균열진전거동은 상온과 달리 균열선단에서의 화학적 손상과 기계적 손상의 복합작용으로 빠른 균열속도를 나타내었다.
4) 하한계 응력확대계수에는 상온보다 부식 환경에서 낮은 값을 보였다. 이는 낮은 주파수와 응력 확대계수범위에서는 균열선단에서의 전기화학적 작용으로 부분적인 부식피트 발생 및 성장으로 낮은 값을 나타낸 것으로 판단된다.
5) 피로수명에 있어서는 상온에서는 shot peening 시험편이 Un peening 시험편보다 453% 증가하였고, 세 가지 부식액에 침지시킨 후 6% FeCl₃수용액의 경우 294%, 10% HNO₃ + 3% HF수용액의 경우는 488%, 3.5% NaCl수용액에서는 366%로 입계부식에서 Shot peening 효과가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.
Table 4는 균열길이 30mm지점을 기준으로 하여 수치로 비교한 것이다. 각 조건에서 사이클 수는 shot peening 시험편이 un peening 시험편보다 상온에서 453%증가하였고, 부식 환경에서는 6% FeCl₃수용액의 경우 294%, 10% HNO₃ +3% HF수용액의 경우는 488%, 3.5% NaCl수용액에서는 366%가 증가 되었다. 즉 입계부식에서 Shot peening효과가 크게 나타나고 있음을 알수 있다.
전반적으로 Un peening 시험편이Shot peening 시험편보다낮은피로균열진전지수값을 나타내고 있다. 피로실험 결과를 보면 상온보다부식환경에서재료상수의값이증가하는경향이 고, 피로균열진전지수는 그와의 반대의 경향을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기계 가공된 노치는 무엇을 전제로 하고 있나?	기계 가공된 노치는 매우 둔한 첨단을 가지고 있어 피로균열성장실험의 기본역학인 선형탄성파괴 역학(Linear Elastic Fracture Mechanics)은 이상적으로 날카로운 균열을 전제로 하고있다. 따라서, 기계가공된 노치로부터 날카로운 예비균열을 성장시켜 가공된 노치의 영향과 균열 첨단모양 및 하중 이력으로 인한 영향을 감소하고 예상 경로를 명확히 하기 위해 표면을 샌드페이퍼 #1200으로 충분히 연마하였으며 25°C 정도의 온도환경과 항복강도이내의 응력범위에서 ASTM E647-05 규정에 의거해 3mm 의 피로예비균열을 주었다.
	쇼트피닝가공은 어떻게 금속의 표면에 소성 변형을 일으키게 되나?	쇼트피닝가공은 많은양의 쇼트볼을 일정한 속도로 금속표면에 투사하여 발생되는 운동에너지를 전이(transformation)시킴으로써 금속의 표면은 소성 변형을 일으키게 된다. 이러한 소성변형은 표면에 가공경화층과 압축잔류응력층을 형성하게되고, 여기서 표면의 가공경화는 피로강도에 영향을 주지 않지만 표면에 형성된 압축잔류응력은 피로강도에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
	철강재가 고강도화 되어야 한다는 것이 필수적인 사항이 되고 있는 이유는?	재료의 피로파괴는 환경에 따른 강도, 부식과 더불어 재료의 수명을 단축하고 구조물의 내구연한을 결정짓는 가장 중요한 사항으로써 피로수명평가의 필요성이 증대되고 있다. 따라서 부품에 사용되는 재료, 특히 철강재는 고강도화 되어야 한다는 것이 필수적인 사항이 되고 있다.

참고문헌 (11)

D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion, 2nd Edn., Prentice Hall, New Jersey, 1995
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, pp.117-124, 2003
K. D. Park and C. G. Jung, "The Effect of Compress Residual Stresses for Fatigue Strength of DIN50CrV4-SAE9254 Steel," KSOE, Vol.15, No.3, pp.94-99, 2001
K. D. Park, "A Study of High Temperature Fatigue Crack Growth and Crack Propagation of Low-alloy Steel for Atomic Reactor," Ph. D. Dissertation, Dong-A University, 1983
K. Hideo, Fracture Mechanics, Tokyo, Public Publication, pp.57-63, 131-135, 1993
ASTM : E647-05, Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates, pp.1-45, 2005
Y. B. Lee, H. K. Kim and J. S. Jung, Basic of Fatigue Analysis, pp.99-125, 1999
The Japan Society of Mechanical Engineers, Standard Method of Test for Elastic-Plastic Fracture Toughnees JIC, JSME S 001-1981
Advanced Fatigue Crack Propagation, Instron 2490 Series Application Programs, pp.1-4, 1991
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 Book Company, New York, 1986

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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