철도차량의 제동 디스크에 사용될 수 있는 주물재료 4 종에 대해 인장강도, 압축강도, 경도, 비열, 비중, 열전도도 등 여러 특성값을 측정하였다. Ni, Cr, Mo 의 조성비에 따라 인장강도, 압축강도, 경도 등을 조절할 수 있었다. 이들 재료에 대해 열피로 시험을 수행할 수 있는 장치를 사용하여 원통형 시편에 대해 열크랙의 발생과 길이를 측정하여 재료의 내열성을 평가하였다. 그리고 열피로 시험과정을 유한요소법으로 해석하고 Manson-Coffin 식과 주변형률을 이용하여 열피로수명을 평가하여 시험결과와 비교, 검토하였다. 해석에 의한 예측수명은 관찰영역의 균열의 총 길이가 $40{\mu}m{\sim}1mm$ 사이에 있을 때의 수명에 해당함을 알 수 있다.
철도차량의 제동 디스크에 사용될 수 있는 주물재료 4 종에 대해 인장강도, 압축강도, 경도, 비열, 비중, 열전도도 등 여러 특성값을 측정하였다. Ni, Cr, Mo 의 조성비에 따라 인장강도, 압축강도, 경도 등을 조절할 수 있었다. 이들 재료에 대해 열피로 시험을 수행할 수 있는 장치를 사용하여 원통형 시편에 대해 열크랙의 발생과 길이를 측정하여 재료의 내열성을 평가하였다. 그리고 열피로 시험과정을 유한요소법으로 해석하고 Manson-Coffin 식과 주변형률을 이용하여 열피로수명을 평가하여 시험결과와 비교, 검토하였다. 해석에 의한 예측수명은 관찰영역의 균열의 총 길이가 $40{\mu}m{\sim}1mm$ 사이에 있을 때의 수명에 해당함을 알 수 있다.
We measured the mechanical and thermal properties of four types of cast irons used for manufacturing the brake discs of railway vehicles. It was found that these properties could be controlled by varying the composition of Ni, Cr, and Mo. Thermal fatigue tests were carried out by using a thermal fat...
We measured the mechanical and thermal properties of four types of cast irons used for manufacturing the brake discs of railway vehicles. It was found that these properties could be controlled by varying the composition of Ni, Cr, and Mo. Thermal fatigue tests were carried out by using a thermal fatigue tester in which thermal cycles could be controlled. Thermal crack initiation and propagation were measured on cylindrical specimens. Finally, we simulated the thermal fatigue test procedure by finite element analysis and calculated the thermal fatigue lifetimes by Manson-Coffin's equation and the maximum principal strain. The estimated thermal fatigue lifetimes corresponded to the measured lifetimes when the total crack length was $40{\mu}m{\sim}1mm$.
We measured the mechanical and thermal properties of four types of cast irons used for manufacturing the brake discs of railway vehicles. It was found that these properties could be controlled by varying the composition of Ni, Cr, and Mo. Thermal fatigue tests were carried out by using a thermal fatigue tester in which thermal cycles could be controlled. Thermal crack initiation and propagation were measured on cylindrical specimens. Finally, we simulated the thermal fatigue test procedure by finite element analysis and calculated the thermal fatigue lifetimes by Manson-Coffin's equation and the maximum principal strain. The estimated thermal fatigue lifetimes corresponded to the measured lifetimes when the total crack length was $40{\mu}m{\sim}1mm$.
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문제 정의
본 연구에서는 철도차량용 제동디스크 소재로 사용 가능한 고 내열성 주철재료 3 종과 실제로 사용되고 있는 주물 소재에 대해 기계적, 물리적 여러 특성값을 측정하고, 열피로 시험기를 이용하여 열크랙의 발생과 진전 특성을 평가한 후, 유한 요소 열해석과 피로수명 예측모델을 사용하여 효율적인 열피로 수명예측 방법을 개발하고자 하였다.
가설 설정
유한요소 해석에서 시편 표면에 가해지는 최대 (500℃), 최소(40℃)의 온도와 가열 및 냉각 시간을 실제 열피로 시험조건과 동일하게 부여하였으며 시편의 가열부위에서 유도전류에 의해 발생하는 온도분포는 일정하다고 가정하였다. 해석에는 상온 및 고온에서의 특성시험을 통해 얻은 각 재질들의 기계적, 열적 물성치가 사용되었다.
제안 방법
(5) 나머지, σ'f , ε'f 및 c 값은 ASM 핸드북(8)에서 그 물성이 서로 유사한 것으로 판단되는 GG25 (기존품 재질과 유사) 및 GG35 (B, C, D 소재들과 유사)의 피로 물성을 적용하였다.
(5) 일정한 사이클의 열피로가 가해진 시편은 디지털 현미경을 통해 표면 열균열의 발생 및 진전을 관찰한다. 기본적으로 매 30 사이클마다 시편표면을 디지털 현미경으로 촬영, 열균열의 진전을 관찰하였다. 하지만 시험 시작부터 150 사이클까지의 수명 초기에는 표면 열균열 발생 시점을 보다 정확히 판단하기 위하여 관찰 주기를 매 10 사이클로 하였다.
)과 함께, 연구를 통해 개발된 3 종의 재질(B, C 및 D)로 제작된 시편이 사용되었다. 기존품 시편은 실물 제동 디스크를 절단하여 제작하였다. 열피로 시험을 통한 관찰 결과, 40 µm 의 균열이 관찰된 시점은 Conv.
Conv.는 기존품을 의미하며 B, C, D 는 기존품의 C, Mn 성분을 약간 조정하고, Ni, Cr, Mo, Mg 등을 첨가하고 흑연의 조직을 연충형(Vermicular)으로 하여 강도와 인성을 증가시켜 내열성이 향상되도록 하였다. Table 2는 인장강도, 항복강도, 압축강도, 연신율 및 탄성계수 측정값을 보여준다.
일반적인 재료 피로수명의 초기에는 가공 경화(Strain hardening)와 가공 연화(Strain softening)와 같은 천이거동이 발생하며 그 이후에 안정된 상태에 도달하게 되며 안정화 시점은 파단 수명의 20~50% 정도가 된다. 따라서 본 해석에서는 열피로 실험 결과에서 열균열이 100 사이클 전후에서 발생하는 것을 고려하여 그 50%에 해당하는 50회 외에 20 회의 사이클 반복을 추가, 총 70 회의 열피로 사이클까지 해석을 수행 하였다.
철도차량 제동 디스크 재질로 기존의 편상흑연주철과 Ni, Cr, Mo 을 첨가한 3 종의 신 재질에 대해 기계적, 물리적 특성 평가, 열피로 특성평가 그리고 유한요소 해석을 통한 수명평가를 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
하지만 시험 시작부터 150 사이클까지의 수명 초기에는 표면 열균열 발생 시점을 보다 정확히 판단하기 위하여 관찰 주기를 매 10 사이클로 하였다. 총 6 곳으로 지정된 관찰 지점을 각각 촬영하여 분석 후 전체 균열길이를 합하여 비교하였다. 또한 각 시편의 관찰 지점을 동일하게 하여 관찰 위치에 따라 발생할 수 있는 오차를 최소화 하였다.
기본적으로 매 30 사이클마다 시편표면을 디지털 현미경으로 촬영, 열균열의 진전을 관찰하였다. 하지만 시험 시작부터 150 사이클까지의 수명 초기에는 표면 열균열 발생 시점을 보다 정확히 판단하기 위하여 관찰 주기를 매 10 사이클로 하였다. 총 6 곳으로 지정된 관찰 지점을 각각 촬영하여 분석 후 전체 균열길이를 합하여 비교하였다.
유한요소 해석에서 시편 표면에 가해지는 최대 (500℃), 최소(40℃)의 온도와 가열 및 냉각 시간을 실제 열피로 시험조건과 동일하게 부여하였으며 시편의 가열부위에서 유도전류에 의해 발생하는 온도분포는 일정하다고 가정하였다. 해석에는 상온 및 고온에서의 특성시험을 통해 얻은 각 재질들의 기계적, 열적 물성치가 사용되었다. 반경방향 온도 특성을 보면, 가열 시에는 가열부 반경방향에 전체적으로 최고온도에 가깝게 가열되며 다른 비가열 부분과의 온도차이가 발생하고 냉각시에는 시편 표면에서부터 급격한 온도변화가 발생하여 잔열이 남아있는 시편 내부와의 온도 구배가 급격해지며, 이러한 과정에서 열팽창에 의한 열변형 차이에 의해 열응력이 발생된다.
대상 데이터
2). 시험에는 기존 철도차량 제동디스크 재질(Conv.)과 함께, 연구를 통해 개발된 3 종의 재질(B, C 및 D)로 제작된 시편이 사용되었다. 기존품 시편은 실물 제동 디스크를 절단하여 제작하였다.
이러한 이유로 본 해석에는 온도의 변화와 그에 따른 열응력 변화를 동시에 계산하는 완전 연성(Fully coupled) 해석 방법을 사용하였다. 총 9,961 개의 노드와 3,200 개의 CAX8RT 요소가 사용되었으며 축 대칭성을 고려하여 시편의 회전 단면을 모델링하였다. 대칭면에는 단열 경계조건을 부여하였다.
데이터처리
저주기 피로에서는 응력과 변형률이 선형적인 관계를 갖지 않게 되므로 본 연구에서의 수명 평가에는 변형률-수명 관계를 고려해야 하는 것으로 판단되었다. 이를 고려하여 Manson-Coffin(7)이 제안한 변형률-수명 식 (Equ. 1)을 이용하여 수명을 계산하였으며, 각 해석결과를 열피로 시험에서 얻은 열균열 발생수명 결과와 비교하였다.
이론/모형
이러한 이유로 본 해석에는 온도의 변화와 그에 따른 열응력 변화를 동시에 계산하는 완전 연성(Fully coupled) 해석 방법을 사용하였다.
성능/효과
(1) 원통형 시편 주위에 열이 가해지는 경우 시편의 표면에는 여러 곳에서 균열이 발생하여 성장하다가 이웃하는 균열끼리 서로 이어져 큰 균열이 형성되었다.
(2) 열피로에 의한 균열의 발생과 진전은 기계적 하중에 의한 균열의 발생과 진전과 차이가 있지만 본 연구에서는 기계적 하중에 의한 저주기 피로수명평가에 적용되는 피로수명 평가방법을 적용하는 절차를 개발하여 소재의 내열성을 효율적으로 평가할 수 있음을 보였다.
(3) Manson-Coffin 식과 최대 주변형률을 적용하여 계산한 열피로 수명은 본 연구의 시험법으로 균열길이를 측정했을 때 총 균열길이가 40 µm 와 1mm 사이에 있을 때의 수명을 예측하는 것을 알았으며, 이러한 방법은 소재의 열피로 수명평가에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
한편, 열 사이클의 시작과 끝에서의 변형률이 0 이 아닌 일정한 값을 갖는데 이는 열응력에 의해 매 사이클마다 비탄성 영구변형이 누적되는 현상인 열 라체팅에 의한 것으로 볼 수 있다.(6) 영구변형량은 E11성분이 가장 크며 시편의 길이방향 성분 E33 은 거의 영에 가깝다. E11의 크기는 기존재질, B, C, D 순으로 1.
40℃에서 500℃까지의 온도범위에서 수행된 열피로 시험 결과, 최대 110 사이클 이하에서 모든 소재들에서 열균열이 관찰되었고 해석 결과에서도 탄성영역을 넘어서는 변형률이 발생되어 저주기피로 (Low cycle fatigue) 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 저주기 피로에서는 응력과 변형률이 선형적인 관계를 갖지 않게 되므로 본 연구에서의 수명 평가에는 변형률-수명 관계를 고려해야 하는 것으로 판단되었다.
상온에서 기존품의 인장강도는 260MPa, B, C, D의 경우는 400MPa 이상으로 상당히 높으나 경도는 낮아 상대재인 패드의 마모를 줄이는 효과가 있을 것으로 기대된다. 그리고 기존의 회주철에 비해 연신율이 크게 증가되어 내열성도 향상될 것으로 예측된다. 4가지 소재 모두 압축강도가 인장강도에 비해 크게 높음을 알 수 있다.
계산에 의한 수명은 시험에서 총 균열길이가 40 µm 와 1mm 사이에 있을 때의 수명에 해당함을 알 수 있다. 따라서 Manson-Coffin 식과 유한요소 해석에서 얻은 최대 주변형률을 사용하여 열피로 수명을 어느 정도 정확히 예측하는 것이 가능함을 알 수 있다.
40℃에서 500℃까지의 온도범위에서 수행된 열피로 시험 결과, 최대 110 사이클 이하에서 모든 소재들에서 열균열이 관찰되었고 해석 결과에서도 탄성영역을 넘어서는 변형률이 발생되어 저주기피로 (Low cycle fatigue) 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 저주기 피로에서는 응력과 변형률이 선형적인 관계를 갖지 않게 되므로 본 연구에서의 수명 평가에는 변형률-수명 관계를 고려해야 하는 것으로 판단되었다. 이를 고려하여 Manson-Coffin(7)이 제안한 변형률-수명 식 (Equ.
후속연구
Table 2는 인장강도, 항복강도, 압축강도, 연신율 및 탄성계수 측정값을 보여준다. 상온에서 기존품의 인장강도는 260MPa, B, C, D의 경우는 400MPa 이상으로 상당히 높으나 경도는 낮아 상대재인 패드의 마모를 줄이는 효과가 있을 것으로 기대된다. 그리고 기존의 회주철에 비해 연신율이 크게 증가되어 내열성도 향상될 것으로 예측된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제동패드와 제동디스크 마찰면에 작용하는 접촉압력의 크기는 얼마인가?
철도 차량은 승용차에 비해 중량이 훨씬 무겁고 제동디스크의 단위면적당 작용하는 부하도 크다. 제동패드와 제동디스크 마찰면에 작용하는 접촉압력의 크기는 0.5~2MPa 정도로 매우 작지만 마찰열에 의한 열응력은 디스크 재료의 항복응력을 초과할 정도이므로 디스크의 손상에 미치는 영향은 기계적 하중에 의한 것보다는 주로 마찰열에 의한 것이라고 할 수 있다. 따라서 안전성과 신뢰성 확보, 그리고 유지보수 관점에서 고 내열성 디스크 개발은 많은 연구자들의 관심을 끌어 왔다.
Ni, Cr 을 함유한 합금 주철의 특징은?
따라서 안전성과 신뢰성 확보, 그리고 유지보수 관점에서 고 내열성 디스크 개발은 많은 연구자들의 관심을 끌어 왔다. Mackin 등(1)은 자동차용 제동 디스크를 대상으로 유한요소해석을 통하여 균열의 발생수명을 예측하였고, Yamabe 등(2)은 트럭용 고 내열성 디스크 재질을 개발하고 시험기를 이용하여 균열의 발생과 진전특성을 평가하였는데 결정 내에 분포된 흑연 입자의 수가 많을 수록 균열의 진전이 작음을 보였고, Sakamoto 등(3)은 철도차량용 주물 제동디스크를 개발하고 시험평가를 실시하여 Ni, Cr 을 함유한 합금 주철이 높은 내열성을 가짐을 보여 주었다.
참고문헌 (8)
Mackin, T. J., Steven C. N., Ball, B. C., et al., 2002, "Thermal Cracking in Disc Brakes," Engineering Failure Analysis, vol. 9, pp. 63-76.
Yamabe, J., Takagi, M., Matsui, T., Kimura T. and Sasaki, M., 2002, "Development of Disc Brake Rotors for Trucks with High Thermal Fatigue Strength," JSAE Review, Vol. 23, pp. 105-112.
Sakamoto, H. and Hirakawa, K., 2005, "Fracture Analysis and Material Improvement of Brake Discs," JSME International Journal, Series A, Vol. 48, No. 4, pp. 458-464.
Fissolo, A., Marini, B., Nais, G. and Wident, P., 1996, "Thermal Fatigue Behaviour for a 316L Type Steel," Journal of Nuclear Materials, Vol. 233-237, pp. 156-161.
Lim, C. H. and Goo, B. C., 2011 "Development of Compacted Graphite Cast Iron for Railway Brake Discs," Metals and Materials International, Vol. 17, No. 2, pp. 199-205.
Lee, H. Y., Kim, J. B. and Lee. J. H, 2002 "Test and Analysis of Thermal Ratcheting Deformation for 316L Stainless Steel Cylindrical Structure," Trans. Of the KSME A, Vol. 26, 479-486, pp. 479-486.
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