초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 최종목표는, 초고주기 피로시험시에 일어나는 각종 문제점에 대한 해결방법을 정립하고 열간성형 스프링강 및 강화 표피층을 가진 재료에 대하여 초고주기 피로파손 거동을 연구하여 피로수명의 정량평가 방법을 제시하였다.
1차년도 목표: 20 kHz에서의 동탄성계수 측정장치를 개발하고 4축 회전굽힘 피로시험과 유한요소해석을 조합하여 초음파 피로시험법의 기존이론을 보정하고, 초고주기 피로시험방법 및 피로강도 산출의 기준을 제시하였다.
2차년도 목표: 열간성형 스프링강을 소재로 하여 초고

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 최종목표는, 초고주기 피로시험시에 일어나는 각종 문제점에 대한 해결방법을 정립하고 열간성형 스프링강 및 강화 표피층을 가진 재료에 대하여 초고주기 피로파손 거동을 연구하여 피로수명의 정량평가 방법을 제시하였다.
1차년도 목표: 20 kHz에서의 동탄성계수 측정장치를 개발하고 4축 회전굽힘 피로시험과 유한요소해석을 조합하여 초음파 피로시험법의 기존이론을 보정하고, 초고주기 피로시험방법 및 피로강도 산출의 기준을 제시하였다.
2차년도 목표: 열간성형 스프링강을 소재로 하여 초고주기 피로수명 영역의 실험연구를 통해 초음파 피로시험과 회전굽힘 피로시험의 S-N 선도와 피로파괴 특성을 연구하고, 온도상승과 주파수효과가 미치는 영향을 검토하여 그 유효성을 연구하였다. 또한, 316L 스테인리스 강을 재료로 저주기 피로시험을 통해 저주기 피로에서의 Masing/Non-masing 영향을 연구하고 전변형률 에너지법을 통해 피로수명을 예측하였다.
3차년도 목표: 합금강 소재의 피로한도를 제고하는 방법인 숏 피닝 표면처리나 복합재 패치 방법이 초고주기 피로영역에서 나타내는 효과를 실험 평가하여 그 유효성을 검토하였다.

□ 연구결과
총 3년동안 연구를 통해 다음과 같은 연구결과를 얻었다.
<1차년도>초음파 피로시험법의 이론을 검증, 초고주기 피로시험방법 및 피로강도산출의 기준 확립
- 초음파 피로시험에 적용할 20 kHz에서 재료의 동탄성계수 측정장치 설계 및 제작
- 시험편 및 시험편 고정혼의 형상설계와 제작
- 초음파 피로시험시의 조건을 적용한 유한요소 해석
- 초음파 피로시험편 설계 방법 및 응력 산출 기준 설정
<2차년도>열간성형 스프링강 초고주기 피로영역까지의 실험연구를 통해 초음파 피로시험과 회전굽힘 피로시험의 S-N 선도와 피로파괴 거동을 비교
- 중고주기, 초고주기 회전굽힘 피로시험 결과와 초음파 피로시험 결과의 비교
- 시험편 피로파손, 표면관찰 / 평가
- 파손의 상태 및 물성변화의 관계와 중고주기, 초고주기 피로파손 메커니즘 규명
- 초고주기 가속피로시험방법 및 수명 기준 설정
- 초음파 피로시험시 발열 온도에 따른 수명영향 분석
<3차년도>강화 표피층이 적용된 열간성형 스프링강 시험편을 초고주기 피로영역까지 실험 평가하여 유효성을 입증
- 피막층을 가진 시험편의 설계 및 제작
- 피로강도가 개선된 시험편에 대해 S-N 선도의 통계적 수명분석 및 평가
- 와이블 통계해석을 통한 내구한도 및 신뢰성 데이터 산출
- 피로 영역에 따른 파면의 관찰/평가
- 초고주기 피로영역에서의 새로운 고장분석/평가방법의 제시

□ 연구결과의 활용계획
<학문분야 기여> 10⁷ cycles 이상의 초고주기 피로영역에서 피로강도, 중고주기 피로 특성과의 유의적관계, 공동(inclusion)에 의한 균열/파괴 메커니즘과 관련한 일련의 전 주기적 피로거동 연구를 통해, 초고주기에 따른 스프링강의 피로수명 거동을 학문적으로 연구한다. 초고주기 피로수명영역의 연구분야에서 공학적으로 미진했던 기술을 선도적으로 개발하고 스프링강의 유효한 수명 데이터를 확보 할 것으로 기대된다.
<산업적 활용범위> 고수명 기계부품의 내구한도, B1/B10수명 등의 신뢰성 데이터를 제시하여 재료에 대한 신뢰성 보증이 가능하여 그 응용범위를 확대할 수 있을 것이며, 고속기계용 부품 소재 관련 국가 산업기술에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
<인력양성 기여> 이 분야 전문가로서 박사인력 1명, 석사인력 3명 배출

(출처 : 한글요약문 5p)

Abstract ▼

□ Purpose&contents
The final target is to develop some solution methods for various problems in the very high cycle fatigue(VHCF). This project will study failure mechanisms during the VHCF test for spring alloys(SPS 5, SPS 8) and the alloys with reinforced skin layer, and to suggest some advance

□ Purpose&contents
The final target is to develop some solution methods for various problems in the very high cycle fatigue(VHCF). This project will study failure mechanisms during the VHCF test for spring alloys(SPS 5, SPS 8) and the alloys with reinforced skin layer, and to suggest some advanced methods for quantitative evaluation of fatigue life in the VHCF range. In the 1^st year, we develop an apparatus of dynamic modulus measurement at 20 kHz and quantify the ultrasonic fatigue tester and four axis rotary bending fatigue tester through FEA. In the 2^nd year, we clarify influential factors of the test frequency and the temperature increase on S-N curves and VHCF fracture behaviors. Low cycle fatigue life prediction based on the cyclic plastic energy dissipation theory, considering Masing and non-Masing effects, showed a good correlation with the experimental results. In the 3^rd year, we investigate effects of reinforcing surface layer on the VHCF characteristics of the two spring steels as well as their effectiveness in the VHCF evaluation.

□ Result
<1st Year> verifying the theory of ultrasonic fatigue test, establishing criteria for calculating fatigue strength and very high cycle fatigue testing method
- design and produce (dynamic young’s modulus measuring equipment of materials at 20kHz) which will be applied to ultrasonic fatigue test
- design and manufacture specimens and specimen fixed horn
- finite element analysis that adopt the condition of ultrasonic fatigue test
- set-up about the ultrasonic fatigue test specimen design method and the stress calculation criteria
<2nd Year> comparing S-N curve and fatigue fracture behavior of ultrasonic fatigue test with the result of rotary bending fatigue test through the test result of hot formed spring steel(SPS5, SPS8) up to very high cycle fatigue region
- comparing the result of ultrasonic fatigue test with the result of high cycle fatigue, very high cycle fatigue rotary bending fatigue test.
- observation/evaluation of fatigue damage and surface of specimen
- relationship of damaging statement and changing properties. identifying the failure mechanism of high cycle and very high cycle fatigue
- set-up about very high cycle fatigue test method and life criterion
- analysis of heating temperature effect for fatigue life during ultrasonic fatigue test
<3rd Year> validate the effectiveness through experimental evaluation of reinforce surface layer applied hot formed spring steel specimen
- design and manufacture of specimens with film layer
- statistical life analysis and evaluation of S-N curve for the specimen which has improved fatigue strength
- calculating the endurance limit and reliability data through the Weibull statistical analysis
- observation/evaluation of the fracture surface according to fatigue domain
- propose the new failure analysis and evaluation method at the very high cycle fatigue region

□ Expected Contribution
Through series of whole cyclic fatigue behavior research in relation to the fatigue strength, significant relationship with high cycle fatigue character, crack/failure mechanism by inclusion at the very high cycle fatigue region which are more than 10^7 cycles, fatigue life behavior of spring steel at very high cycle will be investigated. It is expected that unsatisfactory engineering technique at the very high cycle fatigue research area will be developed initiatively and the valid life data of spring steel will be obtained.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 34
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 36
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 37
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 38
• 8. 참고문헌 ... 38
• 9. 연구성과 ... 41
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 46
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 46
• 12. 기타사항 ... 47
• [별첨1] 대 표 연 구 실 적 ... 48
• [별첨2] 세부 목표 관련 증빙 ... 63
• 끝페이지 ... 89