재료의 피로한계 이해

피로 파괴를 유발하지 않고 재료에 무제한의 하중 주기가 주어질 수 있는 응력 수준을 피로 한계 또는 내구성 한계라고 합니다. 반면에 알루미늄과 구리는 작은 응력 진폭에서도 그렇지 않으며 결국 실패합니다. 철 합금 및 티타늄 합금과 같은 일부 금속에는 명확한 한계가 있습니다.

"피로 강도" 또는 "내구성 강도"라는 문구는 재료에 명확한 한계가 없을 때 사용되며 재료가 소진으로 인해 파손되기 전에 미리 결정된 수의 사이클 동안 견딜 수 있는 완전히 반전된 굽힘 응력의 최대량으로 정의됩니다. .

순환 응력, 잔류 응력, 재료 특성, 내부 결함, 입자 크기, 온도, 설계 형상, 표면 품질, 산화, 부식 등은 모두 피로 수명에 영향을 미칩니다. 일부 재료, 특히 강철 및 티타늄에 대한 이론적인 응력 진폭 값이 있으며 이 값 아래에서는 재료가 사이클 수에 관계없이 파손되지 않습니다. 이 값을 피로 한계, 지구력 한계 또는 피로 강도라고 합니다.

이 기사에서는 다음 질문에 대해 논의할 것입니다.

• 피로 한계란 무엇입니까?
• 피로 한계는 누가 발견하나요?
• 피로 한계의 정의
• 피로 한계의 일반적인 값은 무엇입니까?

피로 한계란 무엇입니까?

피로 파괴를 일으키지 않고 재료에 무제한의 하중 주기를 가할 수 있는 응력 수준을 피로 한계 또는 내구성 한계라고 합니다.

재료의 피로 수명을 계산하기 위해 엔지니어는 다양한 기술을 사용합니다. 가장 유용한 응력-수명 접근 방식은 흔히 Wöhler 곡선이라고도 하는 S-N 곡선을 특징으로 합니다. 그림은 이 기술을 보여줍니다. 부품 수명 또는 고장까지의 주기 수에 대해 표시되는 것은 적용된 응력(S)(N)입니다.

구성 요소 수명은 처음에는 천천히 증가하다가 응력이 높은 값에서 떨어지면 매우 빠르게 증가합니다. 곡선을 그리는 데 사용되는 데이터는 취성 파괴와 같은 피로가 가변적인 특성을 갖기 때문에 통계적으로 처리됩니다. 결과 분산은 적절하게 조절하기 어려운 여러 테스트 및 재료 매개변수에 대한 피로 민감도의 결과입니다.

순환 응력, 잔류 응력, 재료 특성, 내부 결함, 입자 크기, 온도, 설계 형상, 표면 품질, 산화, 부식 등은 모두 피로 수명에 영향을 미칩니다. 일부 재료, 특히 강철 및 티타늄에 대한 이론적인 응력 진폭 값이 있으며 이 값 아래에서는 재료가 사이클 수에 관계없이 파손되지 않습니다. 이 값을 피로 한계, 지구력 한계 또는 피로 강도라고 합니다.

피로 한계는 누가 발견합니까?

August Wöhler는 1870년에 내구성 한계에 대한 아이디어를 처음 제안했습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 금속 재료에는 내구성 한계가 없으며 충분한 응력 주기가 주어지면 가장 낮은 응력도 결국 피로 파괴를 초래할 것이라고 주장합니다.

피로 한계의 정의

S-N 곡선에 대해 다음 용어가 정의됩니다.

피로 한계

피로 파괴가 발생하지 않는 응력 수준을 피로 한계(때로는 내구성 한계라고도 함)라고 합니다. 일부 티타늄 및 철(철계) 합금만 이 한계에 도달할 수 있습니다. 이러한 재료의 S-N 곡선은 더 높은 N 값에서 수평이 되기 때문입니다. 알루미늄 및 구리와 같은 다른 구조용 금속은 명확한 파손 지점이 없으며 작은 응력에도 점차적으로 파손됩니다. 강철에 대한 표준 한계는 290 MPa에서 극한 인장 강도(42 ksi)의 1/2까지입니다.

피로 강도

ASTM에 따르면 피로 강도 또는 SNf는 미리 결정된 주기(예:107 주기) 후에 파손이 발생하는 응력 수준입니다. 예를 들어, 소둔된 Ti-6Al-4V 티타늄 합금은 약 240의 피로 강도를 107 사이클에서 MPa 및 응력 집중 계수 =3.3.

피로 수명

재료의 피로 거동은 피로 수명으로 정의됩니다. S-N 플롯에 따르면 주어진 응력 수준에서 고장이 발생하는 데 필요한 사이클 수입니다.

피로 파괴 과정을 구성하는 세 가지 단계가 있습니다.

높은 장력이 집중된 위치에서 작은 균열이 발생하면 균열이 시작됩니다. 각 응력 주기로 인해 균열이 약간 앞으로 이동하는 균열 전파. 균열 성장 단계는 종종 피로 수명의 대부분을 소모합니다. 팽창하는 균열이 결정적인 크기에 도달하면 궁극적인 실패가 매우 빠르게 발생합니다.

부품 표면의 응력 집중 지점에서 피로 파괴와 관련된 균열이 거의 항상 시작(또는 "핵 생성")됩니다. 응력 집중을 증가시키는 요인과 균열이 발생하면 피로 수명이 단축됩니다. 결과적으로 더 높은 수준의 표면 마무리로 연마하는 것보다 연마하여 피로 수명이 향상됩니다. 금속 부품의 피로 수명도 표면층을 강화하고 경화시켜 개선됩니다.

피로 한도에 대해 자세히 알아보려면 아래 동영상을 시청하세요.

피로 한계의 일반적인 값은 무엇입니까?

강철의 한계(Se)는 일반적으로 290MPa에서 극한 인장 강도(42ksi)의 절반까지입니다. (Se)는 일반적으로 철, 알루미늄 및 구리로 만들어진 합금의 극한 인장 강도의 0.4배입니다.

구리의 최대 일반 값은 97MPa, 알루미늄 130MPa(19ksi), 철 170MPa(24ksi)(14ksi)입니다. 이 값은 매끄럽고 "노치가 없는" 시험편에 적용됩니다. 노치가 있는 시편의 경우 내구성 한계가 훨씬 낮습니다.

고분자 재료의 피로 한계는 균열을 확장하기 위해 끊어져야 하는 공유 결합의 고유한 인성을 나타내는 것으로 입증되었습니다. 하중이 고유 강도 미만으로 유지되면 다른 열화학 공정이 폴리머 사슬을 방해하지 않는 한 폴리머는 균열 형성 없이 무기한 실행할 수 있습니다.

요약

재료의 피로 수명을 계산하기 위해 엔지니어는 다양한 기술을 사용합니다. 가장 유용한 응력-수명 접근 방식은 흔히 Wöhler 곡선이라고도 하는 S-N 곡선을 특징으로 합니다. 그림은 이 기술을 보여줍니다. 부품 수명 또는 고장까지의 주기 수에 대해 표시되는 것은 적용된 응력(S)(N)입니다.

피로 파괴를 유발하지 않고 재료에 무제한의 하중 주기가 주어질 수 있는 응력 수준을 피로 한계 또는 내구성 한계라고 합니다. 이것이 이 기사의 전부이며 다음 질문에 대한 답변을 제공합니다.

• 피로 한계란 무엇입니까?
• 피로 한계를 발견한 사람은 누구인가요?
• 피로 한계의 정의
• 피로 한계의 일반적인 값은 무엇입니까?

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