본 논문에서는 고주파 열처리된 SAE1055 베어링강의 경도에 따른 피로 거동 및 이의 확률론적 평가를 수행하였다. 이를 위하여 경도 수준에 따른 5 종류의 시험편(A : 원재료, B : HV390-전경화, C : HV510-전경화, D : HV700-전경화 및 E : HV-700 표면경화)를 준비하였다. 피로시험은 4 점 회전굽힘 피로시험기를 이용하여 응력비 R=-1 의 조건하에서 수행하였다. 그 결과, SAE1055 강의 피로 거동은 경도에 따라 크게 변화하였으나 HV510 수준이상에서는 피로한도의 증가는 관찰되지 않았다. 또한 피로 파손기구에 대한 경도의 영향을 평가하기 위하여 SEM(scanning electron microscope)을 이용한 파면 관찰을 수행하였다. 피로수명의 통계적 특성은 P-S-N(probabilistic S-N) 곡선을 이용하여 평가되었으며 이에 대한 경도의 영향은 잔류치 해석(residue analysis)을 통하여 수행하였다.
본 논문에서는 고주파 열처리된 SAE1055 베어링강의 경도에 따른 피로 거동 및 이의 확률론적 평가를 수행하였다. 이를 위하여 경도 수준에 따른 5 종류의 시험편(A : 원재료, B : HV390-전경화, C : HV510-전경화, D : HV700-전경화 및 E : HV-700 표면경화)를 준비하였다. 피로시험은 4 점 회전굽힘 피로시험기를 이용하여 응력비 R=-1 의 조건하에서 수행하였다. 그 결과, SAE1055 강의 피로 거동은 경도에 따라 크게 변화하였으나 HV510 수준이상에서는 피로한도의 증가는 관찰되지 않았다. 또한 피로 파손기구에 대한 경도의 영향을 평가하기 위하여 SEM(scanning electron microscope)을 이용한 파면 관찰을 수행하였다. 피로수명의 통계적 특성은 P-S-N(probabilistic S-N) 곡선을 이용하여 평가되었으며 이에 대한 경도의 영향은 잔류치 해석(residue analysis)을 통하여 수행하였다.
This study considers how the fatigue behavior and probabilistic properties of SAE1055 steel are related to its hardness level. SAE1055 steel was heat-treated using induction hardening. Five types of specimens were prepared (A: base material, B: through hardened material with HV390, C: through harden...
This study considers how the fatigue behavior and probabilistic properties of SAE1055 steel are related to its hardness level. SAE1055 steel was heat-treated using induction hardening. Five types of specimens were prepared (A: base material, B: through hardened material with HV390, C: through hardened material with HV510, D: through hardened material with HV700, and E: surface hardened material with HV700). Fatigue tests were performed under a stress ratio of R = -1 using a 4-point rotary bending fatigue tester. The fatigue behaviors were greatly influenced by the hardness, but the fatigue limit did not increase over a hardness of HV510. In addition, the effect of the hardness level on the failure mechanism was evaluated using a scanning electron microscope. The probabilistic properties of the fatigue life were investigated using a probabilistic S-N approach, and the effect of the hardness level on these properties was evaluated using a residue analysis.
This study considers how the fatigue behavior and probabilistic properties of SAE1055 steel are related to its hardness level. SAE1055 steel was heat-treated using induction hardening. Five types of specimens were prepared (A: base material, B: through hardened material with HV390, C: through hardened material with HV510, D: through hardened material with HV700, and E: surface hardened material with HV700). Fatigue tests were performed under a stress ratio of R = -1 using a 4-point rotary bending fatigue tester. The fatigue behaviors were greatly influenced by the hardness, but the fatigue limit did not increase over a hardness of HV510. In addition, the effect of the hardness level on the failure mechanism was evaluated using a scanning electron microscope. The probabilistic properties of the fatigue life were investigated using a probabilistic S-N approach, and the effect of the hardness level on these properties was evaluated using a residue analysis.
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문제 정의
본 연구에서는 자동차용 허브베어링(hub bearing)에 적용되는 SAE1055 강의 경도에 따른 피로거동과 이에 대한 확률론적 특성 평가를 수행하였다. 이를 위하여 고주파 열처리 공법을 적용하여 5가지 수준의 경도를 갖는 시험편을 준비하였으며 이들에 대한 4 점 회전굽힘피로시험(rotary bending fatigue test)을 실시하였다.
본 연구에서는 자동차용 허브베어링에 적용되는 SAE1055 강의 경도에 따른 피로거동과 이에 대한 확률론적 평가를 수행하였으며 이에 얻어진 결과는 다음과 같다.
제안 방법
SAE1055 강의 정적 거동에 대한 열처리 조건(경도 및 표면경화)의 영향을 평가하기 위하여 5 종류에 대한 각 7 회의 정적 인장시험을 실시하였다. Fig.
고주파열처리는 50kW 의 전원을 이용하여 840∼870oC 의 온도범위에서 수행되었으며 또한 경도 및 표면경화 등의 요구조건의 충족을 위하여 템퍼링 온도를 조절하였다.
경도에 따른 피로거동 및 파손 기구는 S-N 선도 및 SEM(scanning electron microscope)를 통하여 평가하였다. 또한 P-S-N 곡선 및 잔류치 해석(residue analysis)를 통하여 피로 거동의 확률론적 특성 및 이에 대한 경도의 영향 역시 평가하였다.
열처리 시험편의 건전성 평가를 위하여 비커스 경도 시험기(Vickers hardness tester, AFFRI model DM-2S)를 사용하여 각 종류의 시험편의 단면에 대한 경도시험을 수행하였다. 측정결과 열처리 시험편의 경도는 공칭 경도±5% 범위 내에 포함됨을 확인하였다.
열처리 조건에 따른 정적 거동 평가 및 피로시험에 적용할 응력레벨을 정하기 위하여 서보-유압식 피로시험기(Instron model 8801)을 이용한 정적 인장시험을 실시하였다. 시험은 2 mm/min 의 크로스헤드 속도로 변위제어(displacement control) 조건 하에서 실시하였으며 변형량은 25mm 의 게이지 길이를 갖는 연신계(extensometer)를 사용하였다.
1 과 같다. 이러한 정적 및 피로시험편은 1 차 가공후 고주파 열처리를 적용하여 적절한 경도를 얻은 후 2차 연마 가공하였다. 고주파열처리는 50kW 의 전원을 이용하여 840∼870oC 의 온도범위에서 수행되었으며 또한 경도 및 표면경화 등의 요구조건의 충족을 위하여 템퍼링 온도를 조절하였다.
이러한 현상 역시 열처리에 따른 취성 증가(10) 및 열처리의 불균일성으로 인한 것으로 판단된다. 이러한 현상을 보다 면밀히 검토하기 위하여 Table 2의 기계적 특성 중 대표적인 물성치인 인장강도에 대한 확률론적 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 자동차용 허브베어링(hub bearing)에 적용되는 SAE1055 강의 경도에 따른 피로거동과 이에 대한 확률론적 특성 평가를 수행하였다. 이를 위하여 고주파 열처리 공법을 적용하여 5가지 수준의 경도를 갖는 시험편을 준비하였으며 이들에 대한 4 점 회전굽힘피로시험(rotary bending fatigue test)을 실시하였다. 경도에 따른 피로거동 및 파손 기구는 S-N 선도 및 SEM(scanning electron microscope)를 통하여 평가하였다.
이의 확인을 위하여 SEM 을 이용하여 피로하중 하에서 파손된 시험편에 대한 파면관찰을 실시하였다. Fig.
또한 107 의 하중반복수에 도달해도 시험편의 파손이 발생하지 않을 경우 무한 수명으로 간주하여 시험을 중지하였다. 피로파손기구 및 내부 개재물 등의 화학 성분을 평가하기 위하여 SEM(scanning electron microscope) 및 EDX(energy dispersive X-ray spectrometry)를 이용한 파면분석을 실시하였다.
대상 데이터
3 은 이러한 조건하에서 수행된 인장시험 결과의 대표적인 예를 나타낸 것이며 Table 2 는 이의 결과를 종합하여 정리한 것이다. 그림 및 표에서 알 수 있듯이 본 연구에서 사용된 SAE1055 강은 탄소함유량이 0.5%인 고탄소강으로 분류되나 상당한 수준의 가공경화 현상을 나타내고 있다. 그러나 이러한 모재에 대한 열처리를 수행하게 되면 취성이 급격히 증가하여 인강강도는 크게 증가하고 변형률은 감소하는 현상이 나타나고 있다.
본 연구에서는 승용차용 허브 베어링(hub bearing)의 외륜 및 허브에 적용되는 SAE1055 강을 시험편 재료로 사용하였으며 이의 화학적 조성은 Table 1 과 같다. 사용된 SAE1055 강은 열간압연 환봉재를 연속로 공법을 이용하여 노멀라이징 처리한 것으로서 모재의 경우 HV240 의 공칭경도를 갖는다.
고주파열처리는 50kW 의 전원을 이용하여 840∼870oC 의 온도범위에서 수행되었으며 또한 경도 및 표면경화 등의 요구조건의 충족을 위하여 템퍼링 온도를 조절하였다. 이러한 공정을 거쳐 열처리 조건에 따라 경도가 상이한 총 5 종류의 시험편(Type A : HV240-원재료, Type B: HV390-전경화, Type C : HV510-전경화, Type D : HV700-전경화 및 Type E : HV-700 표면경화)의 시험편을 준비하였다.
이론/모형
Basquin 공식에서 파손 확률 50%에 해당하는 식 (3)의 랜덤변수는 피로수명의 변동성을 의미하므로, 랜덤변수 Z 는 평균이 0인 대수정규분포를 따른다고 가정할 수 있다.(13) 이를 바탕으로 랜덤 변수의 통계적 분포특성 평가를 위하여 중앙순위법 및 대수-정규분포를 이용하였다.
SAE1055 강의 피로 특성 평가를 위하여 14S-N 시험법에 의거한 4 점 회전굽힘피로시험을 실시하였다. 여기서 피로한도(fatigue limit)는 계단법(staircase method)를 이용하여 평가하였다.
이를 위하여 고주파 열처리 공법을 적용하여 5가지 수준의 경도를 갖는 시험편을 준비하였으며 이들에 대한 4 점 회전굽힘피로시험(rotary bending fatigue test)을 실시하였다. 경도에 따른 피로거동 및 파손 기구는 S-N 선도 및 SEM(scanning electron microscope)를 통하여 평가하였다. 또한 P-S-N 곡선 및 잔류치 해석(residue analysis)를 통하여 피로 거동의 확률론적 특성 및 이에 대한 경도의 영향 역시 평가하였다.
2 와 같은 4점 회전굽힘피로시험기를 사용하여 인장과 압축응력이 반복되는 R=-1 및 회전수 3000 rpm 의 조건에서 수행하였다. 또한 적은 수의 시험편으로 신뢰성 높은 데이터를 획득하기 위하여 14S-N 방법(10)에 기초한 시험 조건을 설정하여 시험을 실시하였다. 또한 107 의 하중반복수에 도달해도 시험편의 파손이 발생하지 않을 경우 무한 수명으로 간주하여 시험을 중지하였다.
SAE1055 강의 피로 특성 평가를 위하여 14S-N 시험법에 의거한 4 점 회전굽힘피로시험을 실시하였다. 여기서 피로한도(fatigue limit)는 계단법(staircase method)를 이용하여 평가하였다. Fig.
이를 위하여, 본 연구에서는 P-S-N(probabilistic stress-life) 접근방법(14)을 이용하여 SAE1055 강의 피로수명의 변동성을 평가하였다. Fig.
사용된 SAE1055 강은 열간압연 환봉재를 연속로 공법을 이용하여 노멀라이징 처리한 것으로서 모재의 경우 HV240 의 공칭경도를 갖는다. 이를 이용한 정적 및 피로특성 평가용 시험편은 각각 KS B ISO 1143(8) 및 ASTM E8M(9) 규격에 따라 제작되었으며 이의 형상은 Fig. 1 과 같다. 이러한 정적 및 피로시험편은 1 차 가공후 고주파 열처리를 적용하여 적절한 경도를 얻은 후 2차 연마 가공하였다.
6 및 11 에서 피로수명의 변동성은 시험편의 종류에 따라 변화함을 알 수 있다. 이의 정량적 평가를 위하여 본 연구에서는 잔류치 해석 (residue analysis) 기법을 도입하였다. 먼저 실험값과 Basquin 의 식 (1)에 의한 예측값의 차이를 나타내는 랜덤변수 Z 를 도입하였다.
성능/효과
(1) SAE1055 강의 정적거동은 표면 경도의 증가에 따라 취성 역시 크게 증가하는 현상을 나타내었다. 또한 이의 인장강도 등의 변동성 역시 경도에 따라 크게 증가하였으며 이는 취성 및 이에 따른 노치민감도의 증가에 기인한 것으로 판단된다.
(2) SAE1055 강의 피로거동은 표면 경도의 영향을 크게 받음이 확인되었다. 특히 피로한도 역시 경도의 증가에 따라 증가하였으나 HV510 이상의 경도에서는 일정 수준을 유지하였다.
(3) 그러나 열처리강 등과 같은 고강도강의 피로 저항성 특히 피로한도(fatigue limit)는 특정한 경도(hardness) 또는 인장 강도(tensile strength) 수준에 도달하면 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지되는 현상이 나타난다.(4) 이러한 현상은 열처리 공정 중에 발생할 수 있는 표면 결함(surface defect) 또는 개재물(inclusion) 등에 의하여 피로파손이 야기된다는 고강도 강의 파손기구(failure mechanism)에 의하여 설명될 수 있다.
(3) 피로수명의 변동성 정량화를 위하여 P-S-N 접근방법을 이용하여 평가한 결과 예측값은 실험 결과와 일치하였다. 또한 경도의 증가에 따라 SAE1055 강의 피로수명의 변동성은 급격하게 증가하였으나 HV510 이상에서는 일정수준을 유지하였다.
(3) 피로수명의 변동성 정량화를 위하여 P-S-N 접근방법을 이용하여 평가한 결과 예측값은 실험 결과와 일치하였다. 또한 경도의 증가에 따라 SAE1055 강의 피로수명의 변동성은 급격하게 증가하였으나 HV510 이상에서는 일정수준을 유지하였다.
특히 피로한도 역시 경도의 증가에 따라 증가하였으나 HV510 이상의 경도에서는 일정 수준을 유지하였다. 또한 표면경도의 영향은 인장강도보다 피로한도에서 낮게 나타났다.
측정결과 열처리 시험편의 경도는 공칭 경도±5% 범위 내에 포함됨을 확인하였다.
후속연구
이로부터 피로수명의 변동성은 시험편의 경도 수준에 따라 급격하게 증가하고 HV510 (Type C)이상에서는 일정 수준으로 수렴함을 알 수 있다. 따라서 실제 허브베어링에 대한 피로설계시, 본 연구를 통하여 도출된 피로수명 및 이의 분산을 고려하면 보다 신뢰성이 향상된 허브베어링의 설계가 가능할 것으로 판단된다.
이에 비하여 초기 균열이 시험편 내부에서 발생하여 파단된 Type C, Type D 및 Type E 의 경우에는 표면 하부의 내부 개재물로부터 생성된 피로 균열이 상대적으로 느린 속도로 진전하여 만드는 흔적인 어안(fish-eye) 형태의 전형적인 초기 균열 성장 양식(11,12)을 확인할 수 있다. 일부 연구(4,12)의 결과를 보면, 상기의 피로 파손 기구는 피로수명 즉, 작용 응력의 크기에 따라 변화한다는 보고가 있으나 본 연구에서는 피로수명에 따른 파손 기구의 변화는 관찰하지 못하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저강도 및 중강도 강의 피로저항성은 일반적으로 어떻게 되는가?
저강도 및 중강도 강의 피로저항성은 경도 및/ 또는 인장강도에 따라 증가하는 것이 일반적이다. (3) 그러나 열처리강 등과 같은 고강도강의 피로 저항성 특히 피로한도(fatigue limit)는 특정한 경도 (hardness) 또는 인장 강도(tensile strength) 수준에 도달하면 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지되는 현상이 나타난다.
SAE1055 강의 인장강도 등의 변동성이 경도에 따라 증가한 이유는?
(1) SAE1055 강의 정적거동은 표면 경도의 증가에 따라 취성 역시 크게 증가하는 현상을 나타내었다. 또한 이의 인장강도 등의 변동성 역시 경도에 따라 크게 증가하였으며 이는 취성 및 이에 따른 노치민감도의 증가에 기인한 것으로 판단된다.
고강도강의 피로 저항성은 어떤 특징을 보이는가?
저강도 및 중강도 강의 피로저항성은 경도 및/ 또는 인장강도에 따라 증가하는 것이 일반적이다. (3) 그러나 열처리강 등과 같은 고강도강의 피로 저항성 특히 피로한도(fatigue limit)는 특정한 경도 (hardness) 또는 인장 강도(tensile strength) 수준에 도달하면 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지되는 현상이 나타난다. (4) 이러한 현상은 열처리 공정 중에 발생할 수 있는 표면 결함(surface defect) 또는 개재물(inclusion) 등에 의하여 피로파손이 야기 된다는 고강도 강의 파손기구(failure mechanism)에의하여 설명될 수 있다.
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