피로시험기 (Fatigue Testing Machine)

目次 1. 개요 1-1. 피로란? 1-2. 피로시험의 목적 1-3. 시험편 파단면 비교 1-4. 균열의 발생원인 1-5. 반복하중을 받는 예 1-6. 용어 설명 1-7. 피로시험의 종류 1-8. 피로시험에 관한 규격 2. 피로강도 예측법 2-1. 피로한도 추산 2-2. 저주파 피로강도 추산 3. 피로시험 및 피로시험기 3-1. 실험설계 3-2. 시험편 3-3. 피로시험기의 종류 3-4. 피로시험기의 구조 3-5. 부하를 가하는 방법 4. 피로실험에 영향을 주는 주요 요인 5. 피로시험 수행 2

개요 1-1. 피로란? ○.피로(fatigue)는 금속 등의 재료가 반복되는 응력을 받아 그 강도가 약해지는 현상이다 ○ 고체재료에 반복응력을 연속 가하면 인장강도보다 훨씬 낮은 응력에서 재료가 파괴된다. 이와 같이 피로에 의한 파괴를 피로파괴라 한다.

1-2. 피로시험의 목적 기계나 구조물의 파괴가 대부분 피로파괴라 할 정도로 이에 대한 안정성 확보가 설계 시 매우 중요한 사항 중 하나가 된다. 특히 운동 상태에 있는 기계는 사용기간이 경과하 면 재료의 강도가 저하되는데 그 저하 속도는 매우 느린 경우가 많고, 또 파괴 시점을 예측하기가 어려운 때가 대부분이다. 그리고 외형상으로는 큰 변화를 일으키지 않고 진 행되는 피로파괴가 대부분이며 어느 순간 돌발적으로 파괴가 일어나 종종 큰 사고가 일 어나기도 한다. 이처럼 피로 시험은 재료를 실용 기계부품이나 구조물 등에 적용 시 예 상치 못한 파괴를 미연에 방지하고 부품의 수명이나 교체시기를 예측하여 궁극적으로 안전을 도모하고 물적 인적 피해를 방지키 위하여 수행된다 -. 재료의 피로 기초특성 파악 -. 재료의 피로특성에 대한 실험적 자료보충 -. 부품재료에 대한 피로특성 파악 -. 부품 및 구조물에 대한 피로특성 파악 → 많은 제품은 반복 부하를 받기 때문에 피로 강도를 고려한 설계가 필요. → 수명 예측의 필요성.

1-3. 연성재료의 피로파단면과 정적하중에 의한 파단면의 비교   피로파괴된 시험편의 단면 형상은 변화가 없다. 시편이 손상을 받고 있는지 여부를 육안으로 관찰이 불가능하다.    necking이 발생한다. 시편이 손상을 받고 있음을 necking을 통하여 알 수 있다. 반복하중을 받아 피로 파괴된 시험편의 형상 반복하중 작용 인장하중을 받아 파괴된 시험편의 형상 정적하중 작용

1-4. 균열의 발생원인 ○ 소재 내부에 존재하는 불순물, 미소결함, 기계 가공시 생기는 흠 등이 원인이며, 이곳에서부터 균열이 시작된다. ○ 금속은 수 많은 결정입자가 임의의 방향으로 배열되어 있으며, 그들중 어떤 입자들에서는 slip현상이 쉽게 일어날 수 있는 방향으로 응력이 걸리게 된다. 따라서 반복응력이 작용하게 될 경우 이들입자들에서 slip현상이 진행되어 균 열이 시작된다. ○ 균열이 성장(진전)을 거듭하여 결국 파괴가 발생하게 된다.

1-5. 반복하중을 받는 예 -. 철교의 경우: 50년 사용기간에 약 200만회의 반복하중이 걸린다. -. 고속회전 기계의 경우: 수십억회의 반복하중이 사용 수명 기간내에 걸린다. -. 피스톤형 제트엔진의 크랭크축: 200 비행시간내에 2000만회의 반복응력이 걸림 -. 10년간 계속 사용되는 증기터빈의 축: 약 160억회 ⇒ 이렇게 반복응력이 걸리는 모터축, 볼트, 스프링, 치차, 철로, 터빈부품, 비행 기 부품, 자동차 부품 등의 설계시에는 피로가 필수적으로 고려되어야 한다. ※실제 구조물에서는 임의의크기의 반복하중이 작용하게 되나, 일반적으로 시편 실험에서는 일정한 크기의 반복하중으로 대체시키며, 자동차 구조시험 등 실물시험에서는 실제 크기의 반복하중으로 시험한다.

1-6. 용어 설명 1). 하중 관련 용어 (일정 진폭 반복 하중의 경우) -. 응력비(stress ratio) 또는 하중비(load ratio) -. 진폭(amplitude) -. 평균응력(mean stress) -. 주기: 최소점에서 최소점까지 걸린 시간 -. 주파수(Hz): 1초동안 반복되는 회수

2). S-N 곡선 S-N선도는 재료가 어떤 응력범위의 반복하중을 받을 때 파단되는 반복시험횟수를 나타내는 선도. -. 피로한도(fatigue limit) 또는 내구한도 : 피로 시험 결과, 무한히 반복 견딜 수 있다고 생각되어지는 응력의 최대치 -. 피로강도 (fatigue strength) S-N곡선상에서 108회를 지나더라도 아직 꺾임점이 나타나지 않으며, 꺾임점이 존재한다는데, 또한 이 앞끝이 평행한 직선이 되는지 알 수 없는 재 료가 있다. 이러한 경우엔, 실용성을 생각해서 반복회수를 미리 규정하여, 그에 견딜 수 있는 응력으로 바꾸는 수가 있다. 즉, 반복 회수를 철 합금에서는 107회, 비철합금에서는 108회로 하며, 반복응력을 1㎏/㎟만 늘리면, 이 규정의 반복수 이하로써 파단하는 응력을 채용하며, 피로강도로 한다

3).저사이클피로(low cycle fatigue) 및 고사이클피로(high cycle fatigue) -.저사이클 피로: 항복점을 넘는 소성영역의 피로시험으로 파단되는 반복횟수가 1-104회 이하의 범위를 저주파피로라 한다.                피로실험은 소성범위까지의 높은 변형률을 가하여 실시한다. -.고사이클 피로: 재료가 파단되는 반복횟수가 105 회 이상의 범위일때 고사이클 피로라 한다. 피로실험은 주로 탄성범위 이하의 응력을 가하여 실시한다.

1-7. 피로시험의 종류 1). 축방향 피로실험 축방향으로 인장 또는 압축응력을 작용시키는 시험 -. 인장-인장 피로시험: 최소응력과 최대응력이 모두 인장일 경우. -. 압축-압축 피로시험: 최소응력과 최대응력이 모두 압축일 경우. -. 완전양진 피로시험: 최대응력이 인장이고, 최소응력이 최대응력과 같은 값을 가지는 압축일 경우, 평균응력값은 영(zero) 2). 회전굽힘 피로실험 축방향의 수직으로 반복하중을 작용시키며, 시편의 네곳을 지지시켜 순수굽 힘상태가 되도록 한다. 시편을 회전시킴으로서 인장 및 압축응력이 시편의 표면에 번갈아 작용하게 된다.

비틀림하중을 반복하여 작용시키며, 회전축 등에 사용되는 재료에 대한 피로시험이다. 4). 복합응력 피로시험 3). 비틀림 피로시험 비틀림하중을 반복하여 작용시키며, 회전축 등에 사용되는 재료에 대한 피로시험이다. 4). 복합응력 피로시험 2개 이상의 응력이 동시에 작용할 경우를 복합응력 상태라 부르며, 주로 축 방향과 비틀림응력을 반복적으로 작용시키는 피로시험 5). 기타: 부식피로시험, 열피로실험

1-8. 피로시험에 관한 규격 ○. 국제표준기구(ISO; International Organization for Standardization) ISO R373 - 금속 피로시험의 일반원리 ISO 733E - 축방향 하중 피로시험 방법 ○. 독일 규격(DIN) DIN 50100 - 재료시험, 피로시험(정의, 기호, 과정, 평가) DIN 51228 - 피로시험기(정의, 일반적인 규격) ○. 영국 규격(B.S.) B.S. 3518 - 피로시험 방법    Part 1 - 일반원리    Part 2 - 회전굽힘 피로시험   ○. 미국규격(ASTM) ASTM E206  -  피로시험 및 자료의 통계적 처리에 관한 용어 정의 ASTM E466  -  금속재료의 일정진폭 피로시험 방법 ○. 일본규격(JIS)

2. 피로강도 예측법 -. 피로시험에 있어서 피로강도는 반복하중의 종류나 평균응력, 최대응력 등에 따라서 많은 차이가 생긴다. -. 일정진폭 하중으로 평균응력이 영(zero)인 경우, 즉 완전양진응력(fully reversed stress) 상태를 고찰한다. -. 피로강도 또는 피로수명을 예측하기 위해서 S-N선도를 추정하여야 하며, 그 절차는 다음과 같다.   ㉠ 피로한도 추산   ㉡ 저주파 피로강도 추산(N=1 또는 1000)   ㉢ S-N선도 작성 및 피로강도 추산

2-1. 피로한도 추산 5×108cycle <주요 금속의 피로한도> 재 질 인장강도 Su(MPa) 피로강도 재  질 인장강도 Su(MPa) 피로강도 Sy(MPa) 피로한도  Sf (MPa) 강   1015 445 275 240 1040 620 410 295 알루미늄 5×108cycle 1100-0 90 35 2024-T3 480 345 140 6061-T6 310 95 기타  Ti 520 330 <주요 금속의 피로한도>

이 표에 나타나지 않는 재질에 대하여는 다음과 같이 추산한다. 합금강   인장강도 Su ≤ 1400MPa인 경우   → 피로한도 Sf ≃ 0.5Su  인장강도 Su ≥ 1400MPa인 경우   → 피로한도 Sf ≃ 700MPa 알루미늄 및 구리  -.일반적으로 알려진 관계식이 없다.  -.대부분의 알루미늄 합금은 피로한도 값을 나타내지 않으므로 N=108에    해당 하는 피로강도 값이 피로한도로 쓰인다.  -.주조  알루미늄의 경우: Sf = 0.35Su  -.연 알루미늄 및 연 구리합금: Sf = 0.35∼0.5

2-2. 저사이클 피로강도 추산 저주파 피로강도는 단순파단, 즉 1/4주파수에 해당하는 값부터 적용시킬 수 있으며 이때의 파단값을 실제 파단응력 σf로 정의한다. 재 질 후처리 인장강도 Su(MPa) 항복강도 Sy(MPa) 파단응력 σf(MPa) σ'f 피로강도 지수,b 피로강도 Sf(2N=107) (MPa) 강    1005-1009 H.R. sheet 345 262 848 641 -0.109 148 1020 441 710 896 -0.12 152 4142 Q&T 1413 1379 1825 -0.08 503 9262 1000 786 1220 -0.073 381 알루미늄 2024-T3 469 379 558 1100 -0.124 151 5456-H3 400 234 524 725 -0.11 124 7075-T6 579 745 1315 -0.126 176 <주요 금속의 피로강도>

3. 피로시험 및 피로시험기 3-1. 실험설계 ① 환경(공기, 염수분위기 등), 온도(상온, 고온, 저온), 하중의 종류, 하중의 크기 등의 결정 ② 시험편의 종류 결정(치구 등의 결정) ③ 신뢰성있는 통계적 처리가 가능한 만큼의 시편 준비와 피로강도의 예측 ④ 시험기기의 특성파악

3-2. 시험편 환봉시험편 평판형 시험편 스프릿트 플랜지형환봉시험편

3-3. 피로시험기의 종류 -.회전굽힘피로시험기 -.평면굽힘 피로시험기 -.인장압축 피로시험기 -.비틀림 피로시험기

3-3-1. 회전굽힘피로시험기

3-3-2. 인장압축 피로시험기 EHF-L EHF-E EHF-U 1).유압식 인장압축 피로시험기 2).전기유압 서보형 인장압축 피로시험기 EHF-L EHF-E EHF-U

● 전기유압 서보형 인장압축 피로시험기의 특징 1) 저속~고속, 복잡한 파형등에 대응 가능 … 실동파, 랜덤 부하등 (서보 제어) 2) 여러 가지의 시험편 형태에 대응이 가능하다 3) 유압 방식으로 대용량 부하가 가능하다 4) 다축 부하, 각종 환경 장치등과의 조합에 의한 응용에 유연하게 대응가능하다 ● 전기유압 서보형 인장압축 피로시험기의 단점 1) 코스트(초기, 런닝)가 비교적 높다 2) 비교적 넓은 설치 장소를 필요로 한다 3) 소음 발생

3).자기공명 피로 시험기 자기공명 피로 시험기는 소재 및 부품의 고주기 피로시험에 적합한 시험장치 이다. 이 장비는 최대 300Hz의 주파수로 반복적인 가압이 가능한 장비이다. 또한, 유압 장치, 냉각 장치가 없기 때문에 장비 관리 비용 또한 최소화 할 수 있으며 고장도 거의 발생하지 않는 장점을 지니고 있다. 이 장치는 전자기장을 이용하여 인력과 척력을 교대로 Mass에 가하므로써 시험편에 응력을 발생시킬 수 있는 장치로서 현재는 모두 컴퓨터에 의해 제어와 데이터 기록이 이루어지도록 구성되어 있다. 고주기 피로시험에 대한 장점 때문에 대부분의 원소재 제조업체와 신뢰성 입증이 필요한 부품을 제조하고자 하는 자동차 및 항공기 부품 업체들에서 필수적인 장비로 자리잡고 있다.

4).전자력식 피로시험기 영구자석에 둘러져 잇는 Moving Coil은 제어신호로 받은 전류에 따라 힘을 발생 시킨다. 제어 장치의 경우, 제어 신호(전기 신호)는, Moving Coil의 가진력(가속도)에 관계한다. ● 전자력식 피로시험기의 단점 1) 시험하중이 크지 않다

4).초음파 피로시험기 기가 사이클(초고사이클) 피로 종래의 경험으로부터, 107 사이클의 반복 회수로 피로 파괴되지 않으면, 무한 수명으로 간주하여 「피로한도」라고 하고 있었지만, 최근 그 이상 (108~109 = 기가 사이클)에서도 유한 수명을 나타내 는 것을 알게 되었다. 터빈, 엔진등의 장기 수명화를 목표로 한 재료의 개발 때문에, 특히 고속 반복 시험이 요구된다. 이시험기의 특징은 20kHz의 빠른 Cycle속도에 있으며 이는 100 Hz에서116일이 걸리는 것을 109회를 불과14시간 만에 데이터를 얻을 수 있는 시간적 장점이 있다

5).에어식 피로시험기 ADT

6).HYDRAULIC SERVO ACTUATOR SYSTEM

3-3-3.비틀림 피로시험기

8).축력(인장-압축) 비틀림 복합 시험기

3-4.피로 시험기의 구조

3-5. 부하를 가하는 방법

4. 피로실험에 영향을 주는 주요 요인 ① 시편의 크기: 시편이 커지면 피로한도 값이 적어진다. ② 시편의 표면상태    ㉠ 표면거칠기:표면이 매끄러울수록 피로수명이 높아진다. 예로, 같은 재료인 경우에 가공방법에 따라 피로수명은 다음과 같다.           연삭 > 절삭 > 열간압연 > 단조    ㉡ 표면잔류응력:기계가공이나 연마에서 시편의 표면에 잔류응력이 남을 수 있고, 이 잔류응력이 압축상태이면 피로수명이 길어진다.     ㉢반복하중 범위:피로수명은 반복하중의 범위, 평균응력값에 따라 변하는 것이 기본적인 피로특성이다.    ㉣시험기의 중심선 조정:중심선 조정이 잘못되어 시편에 비대칭적인 하중이 가해질 경우, 시편단면에 응력이 불균일하게 분포하게 되어 피로파손이 예상과 다르게 나타날 수 있다. ☞ 잔류응력이 존재하게 되면, 정확한 피로시험을 할 수 없으므로 전해연마 등으로 잔류응력을 제거한 후 피로시험을 수행한다.

5. 피로시험 수행 ※피로시험에 있어서는 특히 시험편의 선정에 주의를 해야한다. ※시편은 원소재의 임의의 부분에서 채취되어야하고, 신뢰성있는 통계분석을 위해서는 다음과 같이 최소의 개수가 요구된다.  예비시험 또는 부품개발을 위한 실험 : 최소 6-12개   설계자료를 위한 실험 : 최소 12-24개 -. 선정된 시험편들에 대한 피로시험의 수행과정은 다음과 같다. ㉠ 시험장비 및 측정장비의 교정 검사 ㉡ 시험일정 및 데이터-로그준비:많은 수의 시험편이 사용되므로 미리 일정을 작성하고, 시험데이타의 기록사항을 나열한다. ㉢ 예비시험의 수행:예비시험을 통하여 본 실험에서 발생할 수 있는 문제점들을 보완하고, 실험하중 등을 결정한다. ㉣ 실험 시작:예비시험의 내용을 기초로 본 실험을 실시한다. ㉤ 시험완료:시편을 해체한 후 가능하면 즉시 파단면상태를 관찰하고 나중의 검사를 위해서는 부식이 되지 않도록 주의하여 보관한다.