[논문]초음파 가속피로시험 적용 사례 및 연구 동향

조인식; 신충식; 김종엽; 전용호

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.6.707

[국내논문] 초음파 가속피로시험 적용 사례 및 연구 동향
Accelerated Ultrasonic Fatigue Testing Applications and Research Trends 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.6, 2012년, pp.707 - 712

조인식 ((주)엠브로지아텍) , 신충식 (삼성테크윈 소재개발그룹) , 김종엽 (삼성테크윈 소재개발그룹) , 전용호 (아주대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 초고주기 피로시험 연구를 통하여 사이클에 따른 파단면 관찰결과 2가지 타입으로 명확히 구분되는 것을 확인할 수 있었다. 첫번째로 106사이클 범위에서 확인할 수 있는 것은 표면부에서 피로크랙 사이트가 시작된 전형적인 피로 파단면이다. 두번째는 107~109사이클에서는 확연히 다른 피로파단 양상으로, 표면으로부터 $500{\mu}m$ 내부에서 피로크랙 사이트가 시작되어 크게 박리되어 나간 형상으로, 크랙 사이트 주변을 관찰한 결과 미세한 마이크로 크랙들이 입계파괴 양상으로 형성되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 내부 크랙 사이트 피로거동에 대한 연구결과와 본 시험에서 사용된 초음파피로시험기술의 이론 및 적용사례를 소개하고 현재 활발히 진행중인 연구동향을 밝히고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Very high cycle fatigue (VHCF) behavior of aerospace components has emerged much attention due to their long service life. In this study, a piezoelectric ultrasonic fatigue testing (UFT) system has been developed by Mbrosiatec Co., Ltd. to study the high cycle fatigue (HCF) strength of Ti-6Al-4V alloy. Hourglass-shaped specimens have been investigated in the range from $10^6$ to $10^9$ cycles at room temperature under completely reversed R = -1 loading conditions,. Scanning electron microscopy (SEM) analysis revealed that failures occurred in the entire range up to the gigacycle regime, and the fractures have beenfound to be initiated from the surface, unlike in steels. However, it was found from the SEM microgprahs that microcracks transformed into intergranular fractures. Thus, it can be concluded from according to the results that this test method can be applicable to commercialized automotive and railroad parts that require high cycle fatigue strength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 가속피로시험평가(Accelerated Fatigue Testing)기술로써, 새로운 공정, 새로운 재질의 응용 주기를 획기적으로 줄일 수 있는 수십 ㎑의 초음파 피로시험기술(Time Saving Method)이 그 대안으로 각광받고 있다. 따라서 본 논문에서는 초음파 피로시험법의 이론 및 적용사례를 소개하고, 초음파피로시험분야의 응용 고유기술을 확보하고 있는 (주)엠브로지아텍에서 개발한 초음파 피로시험기를 이용하여, 고특성이 요구되는 특수 부품 소재로 많이 활용되고 있는 Ti-6Al-4V합금의 20㎑ 초음파 피로시험을 통하여 초고주기 사이클 피로 거동을 분석하고자 하였다.⁽⁷⁾

제안 방법

Table 2는 Ti-6Al-4V 초음파피로시험을 위한 조건으로 응력비는 R=-1로 인장 및 압축이며, 변위조절은 33.2~43.0㎛로 0.5㎛씩 제어 하여 상온에서 냉각을 하면서 시험 하였으며, 시험편이 크랙이 날 경우 공진 주파수 리미트 (20kHz ±500Hz)를 설정하여 자동 피로수명이 계산될 수 있도록 하였다.
현재 국내에서 초음파 피로 시험법의 적용사례 및 연구동향에 대해서 소개하였으며, 또한 고특성 부품 소재로 많이 활용되고 있는 Ti-6Al-4V합금의 초음파 피로 거동을 분석한 결과를 정리하면 다음과 같다.

대상 데이터

5㎛씩 제어 하여 상온에서 냉각을 하면서 시험 하였으며, 시험편이 크랙이 날 경우 공진 주파수 리미트 (20kHz ±500Hz)를 설정하여 자동 피로수명이 계산될 수 있도록 하였다. 그리고 본 시험에서 사용된 총 시험편수는 21개로 인장시험 및 조직관찰 그리고 초기 피로시험 규격을 설정하는데 사용되고 나머지 13개로 피로시험 데이터를 최종 확보하였다.

성능/효과

(1) 초음파 가속피로시험기를 가지고 Ti-6Al-4V 합금의 10⁶~10⁹ 피로파괴 시험결과 539.3MPa 응력 대에서 기가 사이클 피로수명을 확인할 수 있었으며, 피로 파단면을 관찰한 결과 최대응력 진폭(S)대 사이클에 따라 2가지 다른 피로 파괴 거동을 확인할 수 있었다.
(2) Ti-6Al-4V합금의 10⁷~10⁹ 사이클 범위에서는 소재 내부에서 피로 파손 현상이 일어난 것으로 확인하였으며, 이는 내부에 미세한 마이크로 크랙들이 입계를 따라 진전된 것으로 확인할 수 있었다.
8%로 확인되었다. 미세조직은 2ml HF + 2ml HNO₃ + 96ml 증류수를 사용 식각하여 분석한 결과 basketweave 타입으로 확인되었다. 전체적인 성분(Oxford EDS) 분석결과는 Al 5.
본 실험에 사용된 Ti-6Al-4V시편의 기계적 특성 값을 분석하기 위하여 변위제어 0.01mm/sec로 인장 시험 결과 Table 1에서와 같이 최대인장강도 값은 1056.16MPa이었으며, 연신율은 6.8%로 확인되었다. 미세조직은 2ml HF + 2ml HNO₃ + 96ml 증류수를 사용 식각하여 분석한 결과 basketweave 타입으로 확인되었다.
전체적인 성분(Oxford EDS) 분석결과는 Al 5.79%, V 4.11% 확인되었으며, 상에 따른 TEM 분석결과 Fig. 3과 같이 일반적인 Bimodal 타입의 조직보다 β양이 많으면서 크기도 작게 분포되어 있음을 알 수 있었다.
하지만 본 연구에서 사용된 Ti-6Al-4V 합금의 피로 파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과 사이클에 따른 피로파손의 2가지 다른 양상을 확인할 수 있었다. 첫번째는 Fig. 7과같이 10⁶ 사이클 범위로써 6개의 시험편에서 공통적으로 확인할 수 있는 것은 표면부 한 부위에서 크랙이 시작되어 beachmark 타입으로 전형적인 피로파단면이 일어난 것으로 확인할 수 있었다. 이는 응력범위대가 큰 625MPa 범위 에서는 표면의 결함부위의 응력집중으로 일어난 것으로 확인 할 수 있다.
일반적으로 피로파손의 크랙 시작 사이트는 주로 표면부의 게재물(inclusion)이나 공공등 결함(defect)부위에서 시작하여 전파되는 것으로 알려져 있다. 하지만 본 연구에서 사용된 Ti-6Al-4V 합금의 피로 파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과 사이클에 따른 피로파손의 2가지 다른 양상을 확인할 수 있었다. 첫번째는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실용화 되고 있는 고주기 내구성 피로 시험기에는 무엇이 있는가?	이에 맞추어 선진 학계에서는 ASTM이나 TMS 산하 전문 학회(Very High Cycle Fatigue)를 통해 활발하게 많은 응용 연구를 진행하고 있을 뿐 아니라 기가 사이클 이상의 시험법을 표준으로 제안하고 있다.(5,6) 하지만 현재 실용화 되고 있는 고주기 내구성 피로 시험기로는 Rotary bending 방식과 Electroforce 방식으로 약 50~200㎐의 속도가 최고 속도이므로 수십억 cycle 시험을 하기에는 너무 장시간이 소요되고 있는 실정이다. 이에 가속피로시험평가(Accelerated Fatigue Testing)기술로써, 새로운 공정, 새로운 재질의 응용 주기를 획기적으로 줄일 수 있는 수십 ㎑의 초음파 피로시험기술(Time Saving Method)이 그 대안으로 각광받고 있다.
	Ti-6Al-4V 합금에 대한 초고주기 피로시험 연구를 통하여 사이클에 따른 파단면을 관찰한 결과 확인할 수 있는 두 가지 타입은 무엇인가?	본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 초고주기 피로시험 연구를 통하여 사이클에 따른 파단면 관찰결과 2가지 타입으로 명확히 구분되는 것을 확인할 수 있었다. 첫번째로 106사이클 범위에서 확인할 수 있는 것은 표면부에서 피로크랙 사이트가 시작된 전형적인 피로 파단면이다. 두번째는 107~109사이클에서는 확연히 다른 피로파단 양상으로, 표면으로부터 $500{\mu}m$ 내부에서 피로크랙 사이트가 시작되어 크게 박리되어 나간 형상으로, 크랙 사이트 주변을 관찰한 결과 미세한 마이크로 크랙들이 입계파괴 양상으로 형성되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 내부 크랙 사이트 피로거동에 대한 연구결과와 본 시험에서 사용된 초음파피로시험기술의 이론 및 적용사례를 소개하고 현재 활발히 진행중인 연구동향을 밝히고자 한다.
	Ti-6Al-4V시편의 기계적 특성 값은?	본 실험에 사용된 Ti-6Al-4V시편의 기계적 특성 값을 분석하기 위하여 변위제어 0.01mm/sec로 인장 시험 결과 Table 1에서와 같이 최대인장강도 값은 1056.16MPa이었으며, 연신율은 6.8%로 확인되었다. 미세조직은 2ml HF + 2ml HNO3 + 96ml 증류수를 사용 식각하여 분석한 결과 basketweave 타입으로 확인되었다.

참고문헌 (13)

Cho, I. S., Lee, C. S., Pyoun, Y. S., Park., I. G., 2010, "Ultrasonic Fatigue Testing of Al 6061-T6 Alloy on Gigacycle Fatigue" KSAE 2010 Annual conference, Vol. 486, pp. 2739-2746.
Marines, I., Bin, X. and Bathias., C., 2003 "An Understanding of very High Cycle Fatigue of Metals" International Journal of Fatigue, Vol. 25, pp 1101-1107.

상세보기
"Ultrasonic Fatigue Testing" ASM, Vol. 8, pp.718-723.
Pyoun, Y. S. and Cho, I. S., 2007, "Application of Ultrasonic Nano Crystal Surface Modification Technology for Increasing the Fatigue Strength, Weight Reduction and Decreasing the Friction Loss" Korean Society of Automotive Engineers, pp. 929-938.
www.astm.org/A01symp1111.htm
www.vhcf5.de
www.mbrosiatec.com
Hiroshi, H. and Yukio, M., 2006 NTN Technical Review, Vol. 74, pp. 54-61.
Bathias, C., 2006, "Piezoelectric Fatigue Testing Machines and Devices" International Journal of Fatigue, Vol. 28, pp. 1438-1445.

상세보기
Zuoa, J. H., Wang, Z. G. and Hana., E. H., 2008, "Effect of Microstructure on Ultra-High Cycle Fatigue" Materials Science and Engineering A, Vol. 473, pp. 147-152.

상세보기
Bathias, C., Drouillac, L., Le Francois., P., 2001 "How and why the Fatigue S-N Curve does not Approach a Horizontal Asymptote" International Journal of Fatigue, Vol.23, pp. 143-151.

상세보기
Amanov, A., Cho, I. S., Lee, J. Y., Lee, C. S., Pyoun, Y. S. and Park, I. G., 2011, "Effect of Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modification on Very High Numbers of Cycles Fatigue of Al6061-T6 Alloy" Fifth International Conference on Very High cycle fatigue, pp. 405-410.
Cho, I. S., Amanov, A., Kim, K. H., Lee, C. S., Pyoun, Y. S. and Park, I. G., 2011, "The Role of Spheroidal Cementite Particle on SAE 52100 Bearing Steel for Gigacycle Fatigue" Fifth International Conference on Very High cycle fatigue, pp. 195-200.

저자의 다른 논문 :

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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