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문제 정의
- 7075-T651 알루미늄 판재를 맞대기 마찰교반용접을 수행하고, 그 마찰교반용접된 용접부재로부터 LT 방향의 3가지 다른 최기균열 위치에서의 CT 시험편을 채취하여, 상온에서 일정진폭하중하의 피로균열전파 실험을 수행하였다. 즉, 본 연구의 주요한 목적은 마찰교반용접부의 정중앙에서 용접선과 평행 하게 균열이 전파하는 시험편(WM-CL로 명명), 마찰교반용접부의 하단, 즉 숄더부 끝에서 용접선과 평행하게 초기균열이 전파하는 시험편(HAZ-CL로 명명) 그리고 모재에서 채취한 시험편(BM-CL로 명명)에 대한 3가지의 다른 초기균열위치가 피로 균열전파 거동에 거시적 및 미시적으로 어떻게 영향을 미치는가를 고찰하는 것이다.
제안 방법
- 이상과 같은 관점에서 본 연구에서는 저자 등의 선행연구의 최적 용접조건에서4-5) 7075-T651 알루미늄 판재를 맞대기 마찰교반용접을 수행하고, 그 마찰교반용접된 용접부재로부터 LT 방향의 3가지 다른 최기균열 위치에서의 CT 시험편을 채취하여, 상온에서 일정진폭하중하의 피로균열전파 실험을 수행하였다. 즉, 본 연구의 주요한 목적은 마찰교반용접부의 정중앙에서 용접선과 평행 하게 균열이 전파하는 시험편(WM-CL로 명명), 마찰교반용접부의 하단, 즉 숄더부 끝에서 용접선과 평행하게 초기균열이 전파하는 시험편(HAZ-CL로 명명) 그리고 모재에서 채취한 시험편(BM-CL로 명명)에 대한 3가지의 다른 초기균열위치가 피로 균열전파 거동에 거시적 및 미시적으로 어떻게 영향을 미치는가를 고찰하는 것이다.
- 4에서 보여주듯이 피로균열전파율은 응력 확대계수범위가 증가함에 따라 모든 시험편 형태에서 거시적으로 증가하는 현상을 보여주고 있지만, WM-CL 및 HAZ-CL 시험편의 경우 피로균열전파율의 증가 거동이 BM-CL 시험편의 경우와는 다소 다른 변동성을 나타내고 있는 것을 확인 할 수 있다. 이를 고찰하기 위하여 먼저 각 시험편 표면에서의 거시적 균열전파 경로를 관찰하였다. 일례로 Fig.
- 7075-T651 알루미늄 판재의 마찰교반용접재에 대하여 3가지의 다른 초기균열위치가 피로균열전파 거동에 미치는 거시적 및 미시적 영향에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 동일 조건의 일정진폭하중하의 피로균열전파실험을 수행하여 실험적으로 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 재료는 Al7075-T651이며, 그 화학적 성분과 기계적 성질은 전보와 동일하다.4-7) 마찰교반용접재로부터 시험편을 채취한 3가지 다른 시험편의 개념도를 Fig.
- 본 연구의 피로균열전파 실험에 사용된 시험기는 용량 100kN의 전기유압식 서보 피로시험기(INSTRON 8821S)를 사용하였으며, 실험조건은 최대하중 2.44KN, 하중범위 2.20kN, 응력비 0.1 그리고 10Hz의 주파수로 일정진폭하중하의 실험을 3종류의 시험편에 대하여 각각 2개씩 수행하였다. 한편 피로균열의 측정은 컴펄라이언스법(Compliance Method)을 이용하여 자동으로 측정하였다.
이론/모형
- 1에 나타낸다. 각 시험편은 ASTM E647 규정9)에 의하여 CT 시험편을 LT 방향으로 채취하여 두께 5mm의 표준 시험편을 가공하였다.
- 1 그리고 10Hz의 주파수로 일정진폭하중하의 실험을 3종류의 시험편에 대하여 각각 2개씩 수행하였다. 한편 피로균열의 측정은 컴펄라이언스법(Compliance Method)을 이용하여 자동으로 측정하였다.
- 초기균열위치에 따른 피로균열전파율과 응력확대계수범위와의 관계를 아래식과 같은 Paris-Erdogan 법칙11)에 의하여 평가하고자 하였다.
성능/효과
- 그러나 동일조건의 초기균열위치의 시험편에 있어서도 그 곡선의 기울기는 각각 다르게 나타나고 있다. 즉 BM-CL의 시험편에서는 그 기울기의 차이는 거의 없고, WM-CL 및 HAZ-CL 의 경우에는 크게 차이가 나타남을 알 수 있다. 이로부터 초기균열위치에 따라 균열전파율의 변동성에 큰 영향이 있음을 이해 할 수 있다.
- 4에 나타낸다. 이상의 결과로부터 알 수 있듯이 동일 일정진폭하중하의 실험결과에서 응력확대계수범위가 25MPa(m)1/2이하에서는 피로균열전파율이 BM-CL이 가장 높음을 알 수 있고, 그 다음 WM-CL 그리고 HAZ-CL 순으로 낮게 나타났다. 식 (1)의 Paris-Erdogan 법칙에 대하여 회귀직선으로 적합한 결과를 Table 1에 정리하여 나타내었다.
- 한편 HAZ-CL 시험편의 경우, 초기에는 피로균열전파율이 가장 느리게 전파하면서 균열길이가 25mm 이상되면 급속히 전파율이 증가하면서 파괴에 이르는 양상을 보여주고 있다. 시험편의 표면의 피로균열 전파경로는 거시적으로 BM-CL과 비슷한 양상을 보여주지만 피로균열전파율에는 WM-CL 시험편과 같이 변동성이 존재하는 것으로 사료되며, Fig. 4와 같이 비교적 낮은 응력확대 계수범위에서는 그 피로균열전파율이 가장 낮음을 알 수 있었다. 이는 마찰교반용접에 의한 경도의 변화와 잔류응력 등의 영향에 기인하는 것으로 사료된다.
- 14에 낮은 비율로 다시 나타내었다. BM-CL과 HAZ-CL 시험편에서는 전형적인 스트라이에이션이 관찰되는 피로파면을 나타내었고, WM-CL 시험편에 있어서는 입계의 피로균열전파 모드가 관찰되었다. 이상의 결과로부터 마찰교반용접부재의 초기균열 위치에 따른 시험편의 형태에 의한 피로균열전파 거동을 거시적 및 미시적 관점에서 이해할 수 있음을 알았다.
- BM-CL과 HAZ-CL 시험편에서는 전형적인 스트라이에이션이 관찰되는 피로파면을 나타내었고, WM-CL 시험편에 있어서는 입계의 피로균열전파 모드가 관찰되었다. 이상의 결과로부터 마찰교반용접부재의 초기균열 위치에 따른 시험편의 형태에 의한 피로균열전파 거동을 거시적 및 미시적 관점에서 이해할 수 있음을 알았다.
- 14는 마찰교반용접된 7075-T651의 용접부에 대한 BM, HAZ 및 WM 시험편에 대하여 균열 길이가 각각 약 10mm 전파했을 때의 위치에서의 SEM 촬영 사진을 나타낸다. BM과 HAZ 시험편에서는 전형적인 스트라이에이션이 관찰되는 피로파면을 나타내었고, WM 시험편에 있어서는 입계의 피로균열전파 모드가 관찰되었다. 이상의 결과로부터 마찰교반용접부의 시험편의 종류에 따른 피로균열전파 거동의 양상을 거시적 및 미시적 관점에서 이해할 수 있음을 알았다.
- BM과 HAZ 시험편에서는 전형적인 스트라이에이션이 관찰되는 피로파면을 나타내었고, WM 시험편에 있어서는 입계의 피로균열전파 모드가 관찰되었다. 이상의 결과로부터 마찰교반용접부의 시험편의 종류에 따른 피로균열전파 거동의 양상을 거시적 및 미시적 관점에서 이해할 수 있음을 알았다.
- (1) 균열위치에 따른 피로균열전파수명은 BM-CL, WM-CL 그리고 HAZ-CL 시험편 순으로 높게 나타났다.
- (2) 응력확대계수범위가 20MPa(m)1/2이하에서 피로균열전파율은 BM-CL 시험편이 가장 높았으며, 그리고 HAZ-CL 시험편에서 가장 낮게 나타났다. 한편 Paris 법칙에 적합한 전파지수 m값은 BM-CL 이 2.
- (3) BM-CL 및 HAZ-CL 시험편의 경우는 표면에서의 피로균열전파 경로가 하중의 작용축에 비교적 수편한 직선의 전파경로를 보였으나 WM-CL 시험편의 경우 구동력이 증가함에 따라 그 전파 경로가 열영향부쪽으로 이동하는 전파경로를 보였다.
- (4) SEM에 의한 미시적 파면의 관찰 결과, BM-CL과 HAZ-CL 시험편에서는 전형적인 스트라이에이션이 관찰되는 피로파면을 나타내었고, WM-CL 시험편에 있어서는 입계의 피로균열전파 모드가 관찰되었다.
- BM-CL 시험편의 파괴표면은 알루미늄 합금의 전형적인 피로파괴 파면을 잘 보여주고 있다. BM-CL 시험편의 파단면은 아주 미세한 스트라이 에이션(fine striation)의 존재를 잘 보여주고 있으며, 스트라이에이션의 크기는 균열길이가 증가할 수록 점진적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 더욱 균열이 진전하여 피로균열전파율이 높은 영역에서는 Fig. 9(e)에서 보는 바와 같이 입계파괴의 양상으로 최종 파괴에 이르는 것으로 나타났다. 한편 HAZ-CL 시험편의 경우도 BM-CL 시험편과 차이는 있지만 전형적인 스트라이에이션이 관찰되었다.
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