피로 골절: 유형, 특성 및 수정 사항

금속 부품이 예고 없이 갑자기 파손되는 이유가 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 금속 피로와 파손의 매혹적인 세계를 살펴봅니다. 반복적인 스트레스가 어떻게 갑작스러운 고장으로 이어질 수 있는지, 피로 골절의 유형과 실제 사례 연구에 대해 알아보세요. 일상적인 기계에 숨겨진 위험을 발견할 준비를 하세요!

목차

1. 피로와 골절의 개념

피로: 피로는 주기적인 하중을 받는 소재에서 발생하는 점진적이고 국소적인 구조적 손상입니다. 이는 재료의 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력 수준에서 미세한 균열이 시작되고 전파되는 것을 포함합니다.

피로 골절: 피로 파괴는 주기적인 응력이나 변형의 누적 효과로 인해 재료나 부품이 궁극적으로 파손되는 것을 말합니다. 이 현상은 세 가지 단계를 거쳐 발생합니다:

  1. 균열 시작: 응력 집중 지점, 종종 표면 결함이나 재료 불연속성에서 미세한 균열이 형성됩니다.
  2. 균열 전파: 지속적인 주기적 하중 하에서 이러한 균열은 각 응력 주기에 따라 점진적으로 증가합니다.
  3. 갑작스러운 골절: 남은 단면이 더 이상 적용된 하중을 지탱할 수 없을 때 치명적인 고장이 발생합니다.

피로 골절의 주요 특징은 다음과 같습니다:

  • 낮은 응력 진폭: 재료의 정적 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력 수준에서 고장이 발생할 수 있습니다.
  • 갑작스러움: 최종 골절은 종종 경고 없이 발생하며, 균열이 눈에 띄게 진행되지 않을 수 있습니다.
  • 국소화: 손상은 일반적으로 스트레스가 집중되는 단일 지점에서 발생하는 고도로 국소화된 손상입니다.
  • 결함에 대한 민감도: 재료 결함, 표면 거칠기, 응력 상승은 피로 수명에 큰 영향을 미칩니다.
  • 시간에 따라 달라집니다: 응력 진폭과 재료 특성에 따라 수천에서 수백만 회에 이르는 특정 횟수의 응력 주기 후에 고장이 발생합니다.

2. 피로 골절의 분류

  1. 높은 사이클 피로도와 낮은 사이클 피로도

고주기 피로(HCF)는 부품이 상대적으로 낮은 스트레스 수준에 노출될 때 발생하며, 105회 이상의 사이클이 지나면 고장이 발생합니다. 이러한 유형의 피로는 일반적으로 탄성 변형과 관련이 있으며 스프링, 변속기 샤프트, 패스너와 같은 구성 요소에서 흔히 발생합니다. HCF는 소성 변형이 최소화되는 것이 특징이며 설계 및 분석에서 응력 기반 접근 방식에 의해 관리되는 경우가 많습니다.

반대로 저주기 피로(LCF)는 높은 스트레스 수준으로 인해 104주기 이내에 고장이 발생하는 경우입니다. LCF는 압력 용기, 터빈 블레이드, 원자로 부품 등 각 부하 주기 동안 상당한 소성 변형을 경험하는 부품에서 널리 발생합니다. 이러한 유형의 피로는 뚜렷한 소성 변형이 수반되기 때문에 일반적으로 변형률 기반 접근법을 사용하여 분석합니다.

  1. 스트레스 기반 및 변형 기반 피로 분석

변형률 기반 피로 분석은 주로 소성 변형이 지배적인 LCF와 관련이 있습니다. 이 접근 방식은 탄성 및 소성 변형률 구성 요소를 모두 고려하며 상당한 주기적 가소성을 나타내는 재료에 매우 중요합니다.

응력 기반 피로 분석은 일반적으로 응력이 주로 탄성 범위에 머무는 HCF 시나리오에 적용됩니다. 이 방법은 재료의 항복 강도 이하에서 작동하도록 설계된 부품에 적합합니다.

실제로는 응력 기반 피로와 변형 기반 피로의 구분이 모호할 수 있으며, 특히 HCF와 LCF 사이의 전이 영역(일반적으로 104~105주기)에서 더욱 그렇습니다. 많은 엔지니어링 부품은 두 가지 체제가 결합된 복합 피로를 경험하며, 이를 복합 피로라고 합니다. 이러한 경우 정확한 수명 예측을 위해서는 응력 및 변형 접근법을 모두 통합한 고급 분석 방법이 필요할 수 있습니다.

  1. 로드 유형에 따른 분류

피로는 가해지는 하중의 특성에 따라 더 세밀하게 분류할 수 있습니다:

  • 굽힘 피로: 회전하는 샤프트와 주기적인 굽힘 모멘트를 받는 빔에서 흔히 발생합니다.
  • 비틀림 피로: 주기적으로 비틀림이 발생하는 드라이브 샤프트 및 기타 구성품에서 흔히 발생합니다.
  • 축 피로: 커넥팅 로드와 같이 주기적인 장력-압축 하중을 받는 구성 요소에서 발생합니다.
  • 접촉 피로: 반복적인 표면 접촉 응력으로 인해 구름 요소 베어링과 기어 톱니에서 관찰됩니다.
  • 진동 피로: 항공우주 및 자동차 부품에서 흔히 볼 수 있는 고주파 진동으로 인한 결과입니다.
  • 프레팅 피로: 접촉면 사이의 주기적 하중과 작은 진폭의 진동 운동이 결합되어 발생하며 볼트 체결부 및 스플라인 연결부에서 흔히 발생합니다.

3. 피로 골절의 특징

거시적으로 피로 골절 과정은 균열 시작, 균열 전파, 최종 골절의 세 가지 단계로 나눌 수 있습니다.

균열 시작 단계는 표면 결함, 노치 또는 야금학적 불연속성과 같은 응력 집중 부위에서 발생합니다. 이러한 부위는 주기적인 하중 조건에서 미세 균열 형성을 위한 핵 형성 지점 역할을 합니다.

균열 전파 영역은 주 응력 방향에 수직인 비교적 매끄럽고 평평한 표면이 특징입니다. 이 영역은 해변 자국 또는 진행 자국이라고도 하는 독특한 피로 줄무늬를 나타냅니다. 이러한 동심원 패턴은 시작 부위에서 바깥쪽으로 방사되어 각 하중 주기에 따라 균열이 점진적으로 성장하고 있음을 나타냅니다.

최종 파단 영역은 빠르고 불안정한 균열이 발생하여 갑작스러운 부품 고장으로 이어지는 영역을 나타냅니다. 이 영역은 일반적으로 딤플(연성 소재의 경우) 또는 절단면(취성 소재의 경우)과 같은 특징이 있는 거친 텍스처를 표시합니다. 가장자리에 전단 립이 나타날 수 있으며, 이는 국부적인 소성 변형을 나타냅니다.

현미경으로 보면 피로 골절의 특징은 고배율로 볼 수 있는 피로 줄무늬가 있다는 것입니다. 이 가느다란 평행선은 각 응력 주기 후 균열 전방의 위치를 나타냅니다. 또한 재료와 하중 조건에 따라 다른 미세 구조적 특징이 관찰될 수 있습니다:

  • 취성 또는 준취성 재료의 절단면 및 준절단면
  • 환경 영향에 취약하거나 입자 경계가 약한 재료의 입자 경계를 따라 입자 간 파단 발생
  • 주 골절면에 수직인 이차 균열
  • 연성 재료, 특히 최종 골절 영역의 마이크로보이드 유착(딤플)

이러한 거시적 및 미시적 특징을 이해하는 것은 피로 프로세스 중 하중 이력, 환경 조건 및 재료 거동에 대한 귀중한 정보를 제공하기 때문에 고장 분석에 매우 중요합니다.

4. 피로 골절의 특징

(1) 피로 골절은 고장 과정에서 거시적인 소성 변형이 현저하게 나타나지 않는 것으로 구별됩니다. 이러한 특성으로 인해 사전 경고 신호 없이 기계 부품의 갑작스럽고 치명적인 고장이 발생하는 경우가 많습니다. 눈에 보이는 변형이 없기 때문에 피로 파괴는 임박한 고장의 징후 없이 발생하여 중요한 기계나 구조물에 예기치 않은 잠재적 위험 고장으로 이어질 수 있기 때문에 특히 교묘합니다.

(2) 피로 파괴를 유발하는 주기적 응력 수준은 일반적으로 정적 하중 조건에서 재료의 항복 강도보다 훨씬 낮습니다. 이러한 현상은 피로 누적 손상 메커니즘에 기인하며, 반복적인 하중 하에서 미세한 균열이 시작되고 전파되는 경우 정적 응용 분야에서는 안전하다고 간주되는 응력에서도 발생합니다. 피로 한계 또는 내구성 한계는 주어진 횟수 동안 피로 고장이 발생할 가능성이 낮은 스트레스 수준을 나타내며, 이러한 위험을 완화하기 위해 설계에 자주 사용됩니다.

(3) 피로 골절 표면의 고장 후 검사를 통해 고장 과정에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 뚜렷한 구역을 발견할 수 있습니다. 이러한 영역에는 일반적으로 다음이 포함됩니다:

a) 균열 시작 영역: 피로 균열이 시작되는 매끄러운 반원형 영역으로, 일반적으로 응력 집중 지점이나 재료 결함이 있는 곳이 특징입니다.

b) 균열 전파 영역: 각 하중 주기에 따른 균열의 점진적인 성장을 나타내는 특징적인 비치 마크 또는 줄무늬를 나타냅니다. 이러한 표시의 간격과 패턴은 로딩 이력 및 균열 성장률을 나타낼 수 있습니다.

c) 최종 골절 부위: 재료 특성에 따라 연성 또는 취성 파괴의 증거와 함께 거칠고 불규칙한 모양을 나타냅니다. 이 영역은 적용된 하중을 더 이상 지탱할 수 없을 때 남은 단면이 빠르게 파단되는 것을 나타냅니다.

5. 사례 분석

공장의 한 오토바이가 2,000km를 주행한 후 기계적 고장을 일으켰습니다. 분해하여 검사한 결과 엔진 크랭크축 커넥팅로드가 파손된 것을 발견했습니다.

커넥팅로드는 20CrMnTi로 제작되었으며 표면은 침탄 처리되었습니다. 커넥팅로드의 작동 원리는 그림 1에 나와 있으며, 왕복 운동이 두 개의 구동 크랭크샤프트의 회전을 구동합니다.

20CrMnTi는 합금 구조용 강철입니다. 탄소 함량 약 0.2%, 망간 함량 약 1%, 티타늄 함량 약 1%입니다. 이 소재는 일반적으로 샤프트 부품에 사용되며 침탄 처리가 필요합니다.

그림 1

1. 매크로 검사

고장난 커넥팅 로드에는 두 개의 골절이 있었습니다. 커넥팅로드의 파단 끝단의 베어링 캠버에서 파단과 평행한 많은 균열이 보입니다[그림 3 (a)]. 파단 끝의 한쪽에는 마모 깊이가 0.5mm인 강한 마찰 흔적이 있습니다[그림 3 (b)]. 또한 마찰면 근처 베어링 아크의 한쪽 끝에서 청회색의 고온 산화 흔적을 볼 수 있습니다[그림 3 (c)].

골절 1은 가장자리가 마모되어 비교적 매끄럽고 평평하며 가운데에 피로 아크가 보입니다[그림 3 (d)]. 그러나 골절 2에서는 피로 아크가 발견되지 않았습니다.

그림 2

그림 3

2. 주사 전자 현미경 분석

그림 4 (a)의 파단 1은 주사 전자 현미경으로 피로 아크를 표시합니다. 아크의 추세를 통해 피로 원인을 파악할 수 있습니다.

피로 소스는 그림 4 (d)의 오른쪽 상단 모서리에 있습니다. 국부적으로 확대하면 방사형 가장자리 특징이 여전히 보이지만 소스 영역의 대부분의 미세 조직이 마모되었음을 알 수 있습니다(그림 4 (b)).

그림 4 (c)는 피로 성장 영역의 피로 줄무늬와 이차 균열을 표시합니다.

이와 대조적으로 골절 2는 보조개는 있지만 피로 줄무늬는 없습니다. 골절 1은 1차 골절이고 골절 2는 2차 골절이라는 것을 추론할 수 있습니다.

그림 4

3. 화학 성분

커넥팅 로드 본체에서 샘플을 채취하여 질량 분율(%)을 포함한 화학 성분을 분석합니다.

분석 결과는 GB/T3077-1999에 명시된 20CrMnTi에 대한 화학 성분 요구 사항을 준수합니다.

4. 결과 분석

검사 결과에 따르면 고장난 부품 재료의 화학 성분은 기술 요구 사항을 충족합니다. 그러나 커넥팅로드의 파손된 끝이 한쪽에서 심한 마찰을 보입니다.

마찰 표면 근처의 베어링 아크 끝부분을 분석한 결과, 검은색 산화철(Fe3O4) 및 적색 산화철(Fe2O3) 400℃ 이상의 온도에서 형성됩니다. 이는 커넥팅 로드와 커넥팅 로드 사이의 마찰이 출력 샤프트 이 영역에서 과열이 발생했습니다.

파단 표면의 SEM 분석 결과 피로 균열원은 고온 영역의 산화막 근처 모서리에 있는 것으로 나타났습니다. 표면 산화와 고온의 조합은 균열 발생과 크리프 손상의 가능성을 높입니다.

또한 마찰은 금속 표면을 거칠게 만들어 표면 응력 집중을 유발하고 피로 가능성을 높일 수 있습니다. 골절의 시작은 종종 최대 인장 응력이 발생하는 지점에서 발생합니다.

커넥팅로드에 작용하는 힘의 분석에 따르면 파단 단면 1에 가장 큰 인장 응력이 존재하여 마찰 표면의 모서리 근처에서 균열이 형성되기 쉽습니다. 이 영역에 거친 탄화물이 존재하면 매트릭스 구조의 연속성을 방해하고 균열의 형성 및 전파를 가속화하며 다음을 감소시키기 때문에 문제가 악화됩니다. 피로 강도결국 피로 골절로 이어집니다.

커넥팅로드의 침탄 표면에 과도한 탄화물은 부적절한 침탄 공정의 결과입니다. 거칠고 덩어리진 탄화물이 형성되는 것은 주로 높은 탄소 농도 때문이며, 이는 공작물의 날카로운 모서리에서 발생할 가능성이 가장 높으므로 수명이 크게 단축됩니다.

거친 탄화물의 형성을 방지하려면 침탄 공정 중에 침탄 대기의 탄소 전위를 엄격하게 제어하는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 과도한 탄소 전위를 방지하여 공작물 표면에 거친 탄화물이 형성되는 것을 방지할 수 있습니다.

5. 결론

크랭크 샤프트 커넥팅로드의 파손은 피로 골절의 결과입니다. 파손의 원인은 사용 중 커넥팅로드가 겪는 심한 마찰로 인해 국부 응력 집중과 고온이 발생하여 재료의 피로 강도가 감소하기 때문입니다. 커넥팅 로드 표면의 모서리에 크고 뭉툭한 탄화물이 존재하면 균열의 성장과 확산이 더욱 가속화됩니다.

6. 개선

설계 단계에서 마찰 부품의 거칠기를 줄이면 응력 집중을 줄이고 부품의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 또한 마찰로 인한 고온을 낮추고 크리프 손상의 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.

침탄 공정을 개선하려면 부적절한 침탄 공정으로 인해 커넥팅로드의 침탄 표면에 과도한 탄화물이 형성되는 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 거칠고 덩어리진 탄화물은 주로 높은 탄소 농도로 인해 발생하며, 이는 공작물의 날카로운 모서리에 형성되어 수명을 크게 단축시킬 가능성이 높습니다.

따라서 침탄 공정 중 침탄 대기의 탄소 전위를 엄격하게 제어하여 과도한 탄소 전위로 인해 공작물 표면에 거친 탄화물이 형성되는 것을 방지하는 것이 필수적입니다.

6. 재료의 피로 한계 또는 피로 강도를 개선하는 방법

부품의 서비스 조건을 변경하기 어려운 경우가 많으므로 표면 효과부터 시작하여 부품의 디자인을 최대한 최적화하는 것이 필수적입니다.

구조 재료 및 기계 부품의 표면 응력 집중을 방지하여 전위 미끄러짐의 축적을 방해하고 소성 변형을 억제합니다. 이렇게 하면 피로 균열이 형성되고 성장하는 것이 더 어려워져 궁극적으로 피로 한계 또는 피로 강도가 증가합니다.

1. 스트레스 집중을 줄이기 위한 조치

설계 시 정사각형이나 날카로운 모서리, 구멍, 홈은 피하는 것이 좋습니다. 계단식 샤프트의 숄더와 같이 단면 크기가 갑자기 변하는 경우 응력 집중을 줄이기 위해 충분한 반경을 가진 트랜지션 필렛을 사용하는 것이 좋습니다.

구조적 제약으로 인해 트랜지션 필렛의 반경을 늘릴 수 없는 경우, 더 큰 직경의 샤프트에 더 얇은 홈이나 언더컷을 절단할 수 있습니다.

꼭 맞는 허브와 샤프트 피팅 표면의 가장자리에는 상당한 응력이 집중되어 있습니다. 이를 개선하기 위해 허브에 하중 완화 홈을 만들고 샤프트의 피팅 부분을 두껍게 하여 허브와 샤프트 사이의 강성 간격을 좁혀 피팅 표면 가장자리에 응력이 집중되는 것을 줄일 수 있습니다.

에서 필렛 용접그루브 용접은 비 그루브 용접에 비해 응력 집중도가 훨씬 더 우수합니다.

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2. 표면 강도 향상

구성 요소의 표면층을 강화하기 위해 롤링 및 샷과 같은 기계적 방법 피닝 를 사용할 수 있습니다. 이러한 방법은 부품 표면에 사전 압축 응력 층을 형성하여 균열이 발생하기 쉬운 표면 인장 응력을 줄이고 피로 강도를 개선합니다. 고주파 담금질, 침탄, 침탄과 같은 열처리 및 화학 처리와 같은 다른 방법도 있습니다. 질화를 사용할 수도 있습니다.

샷 피닝은 직경 0.1-1mm의 작은 스틸 볼을 사용하여 시료 표면에 고속으로 충격을 가해 날카로운 모서리, 버 및 기타 응력 집중을 제거합니다. 표면은 강철 볼 직경의 1/4-1/2 깊이로 압축되어 다음과 같은 결과를 생성합니다. 잔류 스트레스 를 부품 표면에 도포하여 피로 균열의 성장을 억제합니다.

샷 피닝

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Shane
작성자

Shane

MachineMFG 설립자

MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.

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