내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속 시험법 개발 ( )최종보고서 · 2011. 12....

내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속

시험법 개발시험법 개발시험법 개발시험법 개발

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

2006. 11.2006. 11.2006. 11.2006. 11.

주관기관주관기관주관기관주관기관 :::: 영남대학교영남대학교영남대학교영남대학교위탁기관위탁기관위탁기관위탁기관 :::: Sigma TrainSigma TrainSigma TrainSigma Train

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

한국부품소재산업진흥원장 귀하한국부품소재산업진흥원장 귀하한국부품소재산업진흥원장 귀하한국부품소재산업진흥원장 귀하

본 보고서를 내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속 시험법 개발 사업 기간" "( : 2005.

과제의 최종보고서로 제출합니다6 . 1. ~ 2006. 8. 31.) .

2006. 11.2006. 11.2006. 11.2006. 11.

주관기관명주관기관명주관기관명주관기관명 ::::

영남대학교영남대학교영남대학교영남대학교

주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자 ::::김 상 태김 상 태김 상 태김 상 태

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 ::::




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부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록

본내용을 아래의 작성방법에 의거 작성후 최종보고서에 반영하고 디스켓은 별도*

관리기관에 제출

관리번호

사 업 명 내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속 시험법 개발

키 워 드 랜덤하중 응축하중 파면분석 내구성, , ,

사업목표 및 내용

최종목표최종목표최종목표최종목표1.1.1.1.

기계 구조물의 내구성 시험시간을 단축할 수 있는 가속시험법을 개발*

신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.2.2.2.

장시간의 내구성 시험으로 설계시간의 장기화로 신제품 성능시험에 장시간 소요*

피로파면 분석법이 확립되어 있지 않아서 정확한 파괴분석이 어려움*

고장원인 분석 및 대처결과고장원인 분석 및 대처결과고장원인 분석 및 대처결과고장원인 분석 및 대처결과3.3.3.3.

운용하중에서의 하중스펙트럼 응축법 개발*

응축하중에 의한 가속시험하중 스펙트럼의 적용 및 검증*

신뢰성 적용결과 사업전 후 졍량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 졍량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 졍량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 졍량적 비교4. ( · )4. ( · )4. ( · )4. ( · )

응축하중을 이용한 가속시험법 개발로 시험시간의 단축*

랜덤하중하의 균열진전을 고려한 해석법으로 수명예측 프로그램 개발의 기초 마련*

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )3. ( )3. ( )3. ( )

응축하중 스펙트럼으로 인한 효율적인 손상허용설계 가능*

랜덤하중하의 균열진전을 고려한 해석법으로 보다 정확한 잔류수명 예측가능*

피로파면 분석시 시간과 금전적인 면에서의 효율성 향상*

적용분야적용분야적용분야적용분야4.4.4.4.

자동차 항공기 설계시 손상허용설계에 활용* ,

설계 시 성능시험 시간의 단축*

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목 차목 차목 차목 차

서 론서 론서 론서 론....ⅠⅠⅠⅠ

연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성1.1.1.1.

연구목적연구목적연구목적연구목적2.2.2.2.

기대효과기대효과기대효과기대효과3.3.3.3.


연 구 내 용연 구 내 용연 구 내 용연 구 내 용ll.ll.ll.ll.

이론적 배경이론적 배경이론적 배경이론적 배경1.1.1.1.

랜덤하중하의 균열진전 예측랜덤하중하의 균열진전 예측랜덤하중하의 균열진전 예측랜덤하중하의 균열진전 예측1)1)1)1)

가 개 요가 개 요가 개 요가 개 요) ·) ·) ·) ·

나 하중상호작용효과나 하중상호작용효과나 하중상호작용효과나 하중상호작용효과))))

다 예측방법다 예측방법다 예측방법다 예측방법))))

피로파면 분석법피로파면 분석법피로파면 분석법피로파면 분석법2)2)2)2)

가 개요가 개요가 개요가 개요))))

나 일정진폭 피로파괴에서의 파면나 일정진폭 피로파괴에서의 파면나 일정진폭 피로파괴에서의 파면나 일정진폭 피로파괴에서의 파면))))

다 변동진폭 피로파괴와 파면다 변동진폭 피로파괴와 파면다 변동진폭 피로파괴와 파면다 변동진폭 피로파괴와 파면))))

시험재료 및 장치시험재료 및 장치시험재료 및 장치시험재료 및 장치2.2.2.2.

시험재료 및 시험편시험재료 및 시험편시험재료 및 시험편시험재료 및 시험편1)1)1)1)

가 시험재료가 시험재료가 시험재료가 시험재료))))

나 시험편나 시험편나 시험편나 시험편))))

시험장치시험장치시험장치시험장치2)2)2)2)

가 피로시험기가 피로시험기가 피로시험기가 피로시험기))))

나나나나) Strain Amplifier) Strain Amplifier) Strain Amplifier) Strain Amplifier

- 5 -

다다다다) Crack Length Measurerilent - Microscopic) Crack Length Measurerilent - Microscopic) Crack Length Measurerilent - Microscopic) Crack Length Measurerilent - Microscopic

라라라라) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge

시험방법시험방법시험방법시험방법3.3.3.3.

일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험1)1)1)1)

프로그램 랜덤하중 피로시험프로그램 랜덤하중 피로시험프로그램 랜덤하중 피로시험프로그램 랜덤하중 피로시험2)2)2)2)

파면분석파면분석파면분석파면분석4.4.4.4.

시료준비시료준비시료준비시료준비1)1)1)1)

파면관찰 및 촬영 순서파면관찰 및 촬영 순서파면관찰 및 촬영 순서파면관찰 및 촬영 순서2)2)2)2)

파면 분석 방법파면 분석 방법파면 분석 방법파면 분석 방법3)3)3)3)

4) SEM4) SEM4) SEM4) SEM

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과....ⅢⅢⅢⅢ

일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험1.1.1.1.

프로그램 랜덤피로시험 결과프로그램 랜덤피로시험 결과프로그램 랜덤피로시험 결과프로그램 랜덤피로시험 결과2.2.2.2.

랜덤 피로시험랜덤 피로시험랜덤 피로시험랜덤 피로시험3.3.3.3.

랜덤하중 피로시험 방법랜덤하중 피로시험 방법랜덤하중 피로시험 방법랜덤하중 피로시험 방법1)1)1)1)

가 초기 균열 도입가 초기 균열 도입가 초기 균열 도입가 초기 균열 도입) (Pre-Crack)) (Pre-Crack)) (Pre-Crack)) (Pre-Crack)

나 시험하중나 시험하중나 시험하중나 시험하중))))

다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법))))

라 하중 스펙트럼라 하중 스펙트럼라 하중 스펙트럼라 하중 스펙트럼))))

랜덤피로시험 결과랜덤피로시험 결과랜덤피로시험 결과랜덤피로시험 결과2)2)2)2)

응축하중 설계응축하중 설계응축하중 설계응축하중 설계IV.IV.IV.IV.

응축하중 설계방법응축하중 설계방법응축하중 설계방법응축하중 설계방법1.1.1.1.

균열진전에 영향을 미치지 않는 하중균열진전에 영향을 미치지 않는 하중균열진전에 영향을 미치지 않는 하중균열진전에 영향을 미치지 않는 하중1)1)1)1)

- 6 -

응축하중 설계응축하중 설계응축하중 설계응축하중 설계2.2.2.2.

응축하중 피로시험응축하중 피로시험응축하중 피로시험응축하중 피로시험3.3.3.3.

응축하중 피로시험 결과응축하중 피로시험 결과응축하중 피로시험 결과응축하중 피로시험 결과4.4.4.4.

결 론결 론결 론결 론....ⅤⅤⅤⅤ

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표 차례표 차례표 차례표 차례

Table 2-1 Chemical conposition of 2024-T351 Al alloyTable 2-1 Chemical conposition of 2024-T351 Al alloyTable 2-1 Chemical conposition of 2024-T351 Al alloyTable 2-1 Chemical conposition of 2024-T351 Al alloy

Table 2-2 Fatigue test conditionTable 2-2 Fatigue test conditionTable 2-2 Fatigue test conditionTable 2-2 Fatigue test condition

Table 2-3 Program random fatigue test conditionTable 2-3 Program random fatigue test conditionTable 2-3 Program random fatigue test conditionTable 2-3 Program random fatigue test condition

Table 3-1 The value of C and mTable 3-1 The value of C and mTable 3-1 The value of C and mTable 3-1 The value of C and m

Table 3-2 Random loading spectrum dataTable 3-2 Random loading spectrum dataTable 3-2 Random loading spectrum dataTable 3-2 Random loading spectrum data

Table 4-1 The condition parameter of truncation design programTable 4-1 The condition parameter of truncation design programTable 4-1 The condition parameter of truncation design programTable 4-1 The condition parameter of truncation design program

Table 4-2 The Result of truncation design programTable 4-2 The Result of truncation design programTable 4-2 The Result of truncation design programTable 4-2 The Result of truncation design program

Table 4-4 The value of C' and m'Table 4-4 The value of C' and m'Table 4-4 The value of C' and m'Table 4-4 The value of C' and m'

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그림 차례그림 차례그림 차례그림 차례< >< >< >< >

Fig. 2-1 Crack growth retardation after an overloadFig. 2-1 Crack growth retardation after an overloadFig. 2-1 Crack growth retardation after an overloadFig. 2-1 Crack growth retardation after an overload

Fig. 2.2 Single CompressiveFig. 2.2 Single CompressiveFig. 2.2 Single CompressiveFig. 2.2 Single Compressive

Fig. 2-3 Overload Follower byFig. 2-3 Overload Follower byFig. 2-3 Overload Follower byFig. 2-3 Overload Follower by

Fig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical in producingFig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical in producingFig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical in producingFig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical in producing

maximum retardationmaximum retardationmaximum retardationmaximum retardation

Fig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase In loadFig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase In loadFig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase In loadFig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase In load

Fig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factorFig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factorFig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factorFig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factor

Fig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler modelFig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler modelFig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler modelFig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler model

Fig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of the cycle touches theFig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of the cycle touches theFig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of the cycle touches theFig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of the cycle touches the

boundary of the overload plastic zoneboundary of the overload plastic zoneboundary of the overload plastic zoneboundary of the overload plastic zone

Fig. 2-9 For block history only loads above (non-shade region) assumed toFig. 2-9 For block history only loads above (non-shade region) assumed toFig. 2-9 For block history only loads above (non-shade region) assumed toFig. 2-9 For block history only loads above (non-shade region) assumed to

cause crack extensioncause crack extensioncause crack extensioncause crack extension

Fig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values of crackFig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values of crackFig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values of crackFig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values of crack

length, a ; (b) blocks to failure obtained by intergrating dB/dalength, a ; (b) blocks to failure obtained by intergrating dB/dalength, a ; (b) blocks to failure obtained by intergrating dB/dalength, a ; (b) blocks to failure obtained by intergrating dB/da

Fig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crack propagation in metallic alloyFig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crack propagation in metallic alloyFig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crack propagation in metallic alloyFig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crack propagation in metallic alloy

Fig. 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surfaceFig. 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surfaceFig. 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surfaceFig. 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surface

Fig. 2-13 Typical fracture surface due to program loadFig. 2-13 Typical fracture surface due to program loadFig. 2-13 Typical fracture surface due to program loadFig. 2-13 Typical fracture surface due to program load




Fig. 2-25 Test EquipmentFig. 2-25 Test EquipmentFig. 2-25 Test EquipmentFig. 2-25 Test Equipment

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Fig. 2-26 Schematic diagram of test equipmentFig. 2-26 Schematic diagram of test equipmentFig. 2-26 Schematic diagram of test equipmentFig. 2-26 Schematic diagram of test equipment

Fig. 2-32 Fatigue test MachineFig. 2-32 Fatigue test MachineFig. 2-32 Fatigue test MachineFig. 2-32 Fatigue test Machine

Fig. 2-33 Strain AmplifierFig. 2-33 Strain AmplifierFig. 2-33 Strain AmplifierFig. 2-33 Strain Amplifier

Fig. 2-34 Crack length measurement systemFig. 2-34 Crack length measurement systemFig. 2-34 Crack length measurement systemFig. 2-34 Crack length measurement system

Fig. 2-35 MicroscopeFig. 2-35 MicroscopeFig. 2-35 MicroscopeFig. 2-35 Microscope

Fig. 2-36 CRT MonitorFig. 2-36 CRT MonitorFig. 2-36 CRT MonitorFig. 2-36 CRT Monitor

Fig. 2-37 Power supplyFig. 2-37 Power supplyFig. 2-37 Power supplyFig. 2-37 Power supply

Fig. 2-39 CircuitFig. 2-39 CircuitFig. 2-39 CircuitFig. 2-39 Circuit

Fig. 2-40 Crack propagation gaugeFig. 2-40 Crack propagation gaugeFig. 2-40 Crack propagation gaugeFig. 2-40 Crack propagation gauge

Fig. 2-41 Crack length(Grid No.) vs VoItageFig. 2-41 Crack length(Grid No.) vs VoItageFig. 2-41 Crack length(Grid No.) vs VoItageFig. 2-41 Crack length(Grid No.) vs VoItage

Fig. 2-42 RecorderFig. 2-42 RecorderFig. 2-42 RecorderFig. 2-42 Recorder

Fig. 2-43 program random load spectrumFig. 2-43 program random load spectrumFig. 2-43 program random load spectrumFig. 2-43 program random load spectrum

Fig. 3-1 Crack length vs cycleFig. 3-1 Crack length vs cycleFig. 3-1 Crack length vs cycleFig. 3-1 Crack length vs cycle

Fig. 3-2 Fatigue crack growth rateFig. 3-2 Fatigue crack growth rateFig. 3-2 Fatigue crack growth rateFig. 3-2 Fatigue crack growth rate





Fig. 3-7 Crack lertgth vs cycleFig. 3-7 Crack lertgth vs cycleFig. 3-7 Crack lertgth vs cycleFig. 3-7 Crack lertgth vs cycle






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Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)

Fig. 3-14 Crack length vs cycle (Rl)Fig. 3-14 Crack length vs cycle (Rl)Fig. 3-14 Crack length vs cycle (Rl)Fig. 3-14 Crack length vs cycle (Rl)

Fig. 3-15 Crack length us cycle (R2)Fig. 3-15 Crack length us cycle (R2)Fig. 3-15 Crack length us cycle (R2)Fig. 3-15 Crack length us cycle (R2)


Fig. 4-1 ExampleFig. 4-1 ExampleFig. 4-1 ExampleFig. 4-1 Example ⅠⅠⅠⅠ

Fig. 4-2 ExampleFig. 4-2 ExampleFig. 4-2 ExampleFig. 4-2 Example ⅡⅡⅡⅡ

Fig. 4-3 ExampleFig. 4-3 ExampleFig. 4-3 ExampleFig. 4-3 Example ⅢⅢⅢⅢ

Fig. 4-4 ExampleFig. 4-4 ExampleFig. 4-4 ExampleFig. 4-4 Example ⅣⅣⅣⅣ

Fig. 4-5 Example VFig. 4-5 Example VFig. 4-5 Example VFig. 4-5 Example V

Fig. 4-6 Flow Chart for truncation design programFig. 4-6 Flow Chart for truncation design programFig. 4-6 Flow Chart for truncation design programFig. 4-6 Flow Chart for truncation design program

Fig. 4-7 Random spectrum loading dataFig. 4-7 Random spectrum loading dataFig. 4-7 Random spectrum loading dataFig. 4-7 Random spectrum loading data

Fig. 4-8 Truncation spectrum loading data(T1)Fig. 4-8 Truncation spectrum loading data(T1)Fig. 4-8 Truncation spectrum loading data(T1)Fig. 4-8 Truncation spectrum loading data(T1)

Fig. 4-9 Truncation spectrum loading data(T2)Fig. 4-9 Truncation spectrum loading data(T2)Fig. 4-9 Truncation spectrum loading data(T2)Fig. 4-9 Truncation spectrum loading data(T2)


Fig. 4-11 Fatigue crack growth rate (T1)Fig. 4-11 Fatigue crack growth rate (T1)Fig. 4-11 Fatigue crack growth rate (T1)Fig. 4-11 Fatigue crack growth rate (T1)

Fig. 4-12 Fatigue crack growth rate (T2)Fig. 4-12 Fatigue crack growth rate (T2)Fig. 4-12 Fatigue crack growth rate (T2)Fig. 4-12 Fatigue crack growth rate (T2)

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서 론서 론서 론서 론....ⅠⅠⅠⅠ

연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성1.1.1.1.

금속 재료는 반복 하중을 받으면 금속 피로가 생기고 그로 인해 파단에 이르는 것,

으로 알려져 있는데 이 피로 과정의 오랜 연구에서 피로과정 대부분은 피로균열의,

발생 및 성장에 소비되는 것이 인식되어 금속 재료의 물성치 및 그 수명에 대한 연

구는 산업의 발달과 함께 꾸준히 발전되어오고 있다.

그 중에서도 재료의 피로 파괴는 재료의 일정 기간을 거쳐 발생되는 현상으로 항공

기 산업 구조물 선박 자동차 등 거의 대부분의 금속 및 비금속 구조물에 직접적, , ,

인 영향을 미치므로 피로에 따른 파괴현상은 매우 중요시 되어 왔다.

재료의 피로 파괴 및 피로 수명에 대한 예측법 개발은 피로 파괴의 기초적 이론을

기반으로 연구되어지고 있다 점차적으로 국내에서도 피로 파괴에 대한 사고 사례.

의 증가로 인하여 좀 더 신속하고 정확한 윈인 분석 및 수명에 대한 분석에 대한

개발의 기초를 토대로 발전되어야 함에 그 중요한 의미를 두어야 할 것이다.

실제 적용되는 기계 또는 구조물은 일정 반복하중을 받지 않고 하중의 크기가 일,

정하지 않은 랜덤하중을 받고 있는 것을 알 수 있다 이에 따른 재료의 피로의 수.

명의 평가 및 예측으로 인한 안전성에 대한 고려가 무엇보다도 중요하다고 할 수

있다.

국외에서는 년대 이후부터 랜덤하중하에서의 피로거동을 해석적으로 예측하는1970

기법들이 다양하게 이루어지며 활발한 활동을 하고 있는 반면에 국내에서는 극히

소수의 연구 단체에서만 필요성을 인지하며 연구가 이루어지고 있는 실정이다.

- 12 -

년 의 소위원회인 의 랜덤하중하에서 시험한 결과와 여러 가1981 ASTM E24.06.01

지 해석적인 방법을 피로 균열 진전 수명을 예측한 해석 일정진폭Round-Robing ,

하중하의 피로균열진전 데이터 시편의 치수 초기균열크기와 시험에 사용된 랜덤하, ,

중등의 자료가 제공 되었으며 연구자들에 의해 예측된 피로균열진전수명과 시험에,

의한 피로균열진전수명이 서로 비교 검토되었다, .

그 후로 에 의한 최대 및 최소치를 최대응력과 최소응력으로 결정하고 이Hudson ,

응력들을 균열진전식에 적용하여 피로균열진전수명 예측법을 에 의한 랜, Newman

덤하중하의 피로균열진전속도에서 하중상호작용효과의 원인을 그 원인으로 보고 균

열닫힘모델을 개발 수명 예측하였다, .

그리고 은 다중인자소성역 모델로 균열진전지연 가속효과 과소하중의 효Johnson , ,

과등을 고려 해석하였으며 등의 과대하중에 의한 균열지연효과를 아용한 일, Rudd

반 모델 등의 일반 모델을 이용한 균열진전지연 및 가Willenborg , Chang Willenborg

속현상 과소하중효과 고려 해석등이 있다, .

국내에서의 경우를 보면 관련 프로그램 개발 사례로는 한국과학기술원의 피로 강,

도 데이터 베이스 피로 수명해석 전문가시스템 피로 균열 발생수명 해석시스템, , ,

그리고 성균관대학교의 산업설바 안전성 평가 연구 센터에서 개발한 원자력설비,

궤도차량등 산업설비의 수명을 평가하는 프로그램등이 있다.

랜덤하중에 대한 재료의 피로 수명의 평가 및 예측을 통하여 구조물을 설계한다는

것은 무엇보다도 중요하다고 할 수 있다 랜덤하중에 대한 피로시험은 그 시험시간.

및 인력이 많이 소모되므로 이를 해결하기 위한 시간과 인력을 단축할 수 있는 응,

축하중 프로그램에 대한 연구는 시급히 이루어 져야 할 것으로 본다.

- 13 -

연구목적연구목적연구목적연구목적2.2.2.2.

실제 적용되는 모든 금속 재료를 가진 기계 및 구조물은 균일한 하중을 받지 않고,

대기중에서 랜덤하중이 적용됨을 알 수 있으므로 이에 따른 재료의 피로 수명의 평

가 및 예측으로 인한 안전성에 대한 고려가 무엇보다도 중요하다고 할 수 있다.

국외에서는 년대 이후부터 랜덤하중하에서의 피로거동을 해석적으로 예측하는1970

기법들이 다양하게 이루어지며 활발한 활동을 하고 있는 반면에 국내에서는 극히

소수의 연구 단체에서만 필요성을 인지하여 연구가 이루어지고 있는 실정이다.

본 시험법의 개선 목적은 우선적으로 그 동안 많은 시간과 물적 자원이 소요됨에

따라 운용하중스펙트럼을 개선한 응축하중스펙트럼을 적용함으써 가속시험법의 시

간적 단축효과를 볼 수 있다 또한 일반차량 선박 항공기 철도차량의 내구성시험. , , , ,

의 단축으로 인한 설계시간 단축 효과를 가지는 것이다.

아직까지 우리나라에서는 영국이나 미국에 비해 그 시험에 대한 인식은 되고 있으

나 개선법 개발에는 활발하지가 않다 그러므로 선진국 피로 파면 해석법 확립을.

위해서는 응축하중스펙트럼 적용이 필요한 것이다.

기대효과기대효과기대효과기대효과3.3.3.3.

응축하중 스펙트럼으로 인한 효율적인 손상허용설계 가능①

- 14 -

랜덤하중하의 균열진전을 고려한 해석법으로 인한 수명 예측 프로그램제작의 토②

대 마련

피로 파면 분석시 시간과 금전적인 면에서의 효율성 향상③


본 과제의 목표는 자동차 선박 항공기와 같은 기계 구조물의 내구성 시험시간을, ,

단축할 수 있는 가속시험법을 개발하는데 있다 이를 위하여 가지 세부과제를 가. , 2

진다 먼저 운용하중과 응축하중의 비교를 통하여 응축하중 설계 방법 알아보는 것. ,

이고 두 번째로는 파단면 분석을 통하여 응축 하중 설계 방법의 유효성을 검증하,

는 것이다 응축하중 스펙트럼을 적용하여 이루어진 설계 방법으로 과제를 수행함.

으로써 손상허용설계에 적용할 수 있고 수명을 예측할 수 있는 프로그램 개발의 기

초를 마련한다.

균열 진전을 고려한 응축 하증 설계 방법의 유효성을 입증함으로써 피로 수명 예측

에 보다 효율적으로 이용될 수 있으며 나아가 실지적 랜덤 하중하에 이루어지고,

있는 기계구조물의 피로 수명 예측에 필요한 효율성이 있는 프로그램을 만들 수 있

기에 본 과제가 이루어져야 한다고 생각된다.

- 15 -

연구내용연구내용연구내용연구내용....ⅡⅡⅡⅡ

이론적 배경이론적 배경이론적 배경이론적 배경1.1.1.1.

랜덤하중하의 균열진전 예측랜덤하중하의 균열진전 예측랜덤하중하의 균열진전 예측랜덤하중하의 균열진전 예측1)1)1)1)

가 개 요가 개 요가 개 요가 개 요))))

일정진폭 하중하에서 수행된 피로균열 성장시험과 예측은 종종 랜덤하중 조건하의

결과와 상당히 다르다 일정진폭 하중하의 균열성장의 증분 는 현재의 균열크기. a△

와 작용하중 만에 의존하는 것에 반해 랜덤하중하의 피로균열 성장증분 은 이, ( a)△

전의 반복적인 하중이력에도 의존한다 이갓은 하중상호작용 으로. (Load interaction)

알려져 있다 하중 상호작용이나 연속효과 는 피로균열 성장률에. (Sequence efffcts)

많은 영향을 미치고 따라서 피로수명에 크게 영향을 미친다, .

먼저 연구된 하중상호작용 거동에 대해 논의하고 랜덤하중 조건하에서 피로균열성,

장을 예측하기 위해 개발된 몇가지 모델을 설명한다.

나 하중상호작용효과나 하중상호작용효과나 하중상호작용효과나 하중상호작용효과))))

연구동향연구동향연구동향연구동향

년데 초반에 상호작용효과가 처음 알려졌다 단일과대하중을 작용하면1960 . Flg.

에서 보여주는 것처럼 균열성장비의 감소를 발생시키며 이 현상을 균열지연2-1 , "

이라고 한다 만일 과대하중이 충분히 크다면 균열지연이 발생(crack retardation)" . ,

하여 피로균열의 성장이 완전히 멈출 것이다.

- 16 -

Fig. 2-1 Crack growth retardation after an overloadFig. 2-1 Crack growth retardation after an overloadFig. 2-1 Crack growth retardation after an overloadFig. 2-1 Crack growth retardation after an overload

균열지연은 과대하중 후 얼마간의 하중작용기간 동안 영향을 받는다 이 기간 동안.

의 사이클 수는 과대하중 때문에 생겨난 소성역 크기에 해당하는 것으로 알려졌다.

과대하중에 대한 소성역이 커지면 커질수록 균열성장지연의 효과는 오래 남는다.

일반작으로 소성역의 크기는 다음과 같다.

여기서 는 평면응력의 경우에 이고 평면변형률의 경우에는 이다2 , 6 .β

균열성장지연의 기간은 얇은 시편 이나 낮은 항복강도재료와 같이 큰 소성역( =2)β

크기를 가지는 재료에서 더 길다 일반적으로 균열이 과대하중영역 밖으로 성장해.

나갈 때 보통의 성장비로 되돌아간다고 인식 된다.

균열성장속도는 과대하중이 작용한 후에 곧바로 최저점에 도달하지 않는다 그것보.

다는 균열이 과대하중 소성역의 에서 정도의 거리로 진전한 후에 최저점에1/8 1/4

도달하는데 이 같은 거동을 연착지연 이라고 한다, " (denayed retardation)" .

- 17 -

단일과대압축하중은 에서 보여주는 것처럼 보통 균열성장 속도의 가속을Fig. 2-2

유발한다 또한 에서처럼 과대압축하중이 과대인장하중 다음에 가해지면. Fig. 2-3

균열지연의 양이 현저하게 감소한다.

고 저 하중순서 에서도 균열지연이 발생한다 과대하중의 포화(fig.2-4) . "→

한계에 도달할 때까지 인장과대하중의 반복수가 증가하면 균열지연은(saturation)"

증가한다 과대하중사이의 거리 은 이러한 경향에 있어서 중요하다 과대하중이. M .

너무 가까이 있으면 균열진연의 효과가 줄어든다 그것은 재료반응이 과대하중과.

일치하는 일정진폭균열성장으로 가는 경향을 보이기 때문이다.

마지막으로 저 고 순서 는 균열성장의 가속을 가져올 수 있다 다행히도(Fig.2-5) .→

이러한 가속은 지연효과와 비교해서 볼 때 빨리 안정된다.

주기적인 과대하중 이 항상 이롭지는 않다는 것을 주목하여야" (periodic overload)”

한다.

Fig 2.2 Single CompressiveFig 2.2 Single CompressiveFig 2.2 Single CompressiveFig 2.2 Single Compressive

overloadoverloadoverloadoverload

Fig. 2-3 Overload Follower byFig. 2-3 Overload Follower byFig. 2-3 Overload Follower byFig. 2-3 Overload Follower by

an underloadan underloadan underloadan underload

- 18 -

몇몇 저사이클 피로 실험에서 주기적인 과대하중이 균열성장의 가속을 일으킨(LCF) ,

다고 보고되었다.

Fig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical inFig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical inFig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical inFig. 2-4 Spacing, M, between multiple overloads, P, is critical in

producing maximum retardationproducing maximum retardationproducing maximum retardationproducing maximum retardation

Fig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase in loadFig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase in loadFig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase in loadFig. 2-5 Acceleration in crack growth rate due to an increase in load

하중상호작용모델하중상호작용모델하중상호작용모델하중상호작용모델

균열지연을 성명하기 위해서 몇가지 이론이 개발되어 왔다 이들 이론은 다음 내용.

을 포함한다.

균열선단의 무뎌짐1. (Crack tip blunting)

- 19 -

균열선단에서의 압축잔류응력2. (Compressive residual stress at crack tip)

균열닫힘영향3. (Crack closure efffct)

균열선단 무뎌짐은 과대하중의 결과로서 발생한다고 보고되었다 이 이론은 균열선.

단이 과대하중에 의해 무뎌지기 때문에 균열로 인한 응력집중을 완화시키게 되고,

결과적으로 균열진전율을 느리게 한다는 것을 나타낸다 불행히도 이 이론은 관찰.

된 연착지연거동을 설명하지 못하며 일치하지도 않는다.

과대하중이 작용하는 동안 균열선단의 무뎌짐이 최대가 되므로 균열지연은 과대하,

중작용 후 즉시 최대가 된다고 할 수 있다 그러나 균열은 과대하중 영역을 통과해. ,

서 어느 정도 진전한 후에 최대의 지연의 발생 한다.

과대하중 작용후 큰 소성역 때문에 균열선단에서 압축잔류응력이 발생한다는 두 번

째 모델이 하중상호작용 효과를 설명하기 위해서 보고되었다 일단 과대하중이 제.

거되면 압축응력이 발생하여 균열선단을 둘러싸고 있는 탄성체가 과대하중 소성역

을 압축한다 이 압축 응력은 균열선단의 유효응력을 감소시킴으로써 균열진전율을

감소시킨다 이 이론은 연착지연을 예측하지 못한다 그 대신 과대하중 후 즉각적으. .

로 최대지연이 발생함을 예측한다.

균열닫힘 모델은 균열지연 및 가속이 균열닫힘효과에 의해 발생된다고 가정한다.

균열닫힘효과는 하중의 변화에 따라 다양한 개구응력과 유효응력확대계수를 가져온

다 균열에서의 잔류변위로 인하여 인장하중이 제거되기 전에 균열면이 접촉하거나.

닫히게 된다 이것을 균열닫힘이라고 부른다 균열닫힘에 대한 연구는 하중상호작용. .

거동을 예측하는데 효과적이다.

- 20 -

균열닫힘이론은 저 고 하중변화에서 균열가속을 예측하거나 고 저 하중변화에서→ →

균열지연을 예측한다 저 고 하중변화에서 고하중 블록 사이클 초기에 균열진전율. ,→

가속은 균열진전율을 일시적으로 증가시키며 결국은 안정화된다 이와 유사하게 고.

저 하중변화에서 균열지연은 균열진전율에서의 일시적인 감소이다 에 나.Fig. 2-6→

타난 것처럼 낮은 응력수준과 관계있는 안정화된 닫힘응력확대는, KA이며 높은 하,

중수준에서의 응력확대는 KB이다 하중이 높은 하중으로 증가할 때 닫힘량 크기도.

낮은 하중에서 보다 더 높이 상승하게 된다.

Fig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factorFig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factorFig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factorFig. 2-6 Variation in crack closure stress intensity factor

이러한 천이기간 동안 균열진전가속이 발생하는데 이것은 일시적인, K△ eff가 높은

하중에서의 안정화된 값보다 크기 때문이다 높은 하중크기에서 사이클이 계속되면.

는 K△ eff는 안정화되고 균열성장비는 높은 하중에 따르는 값에 도달한다 이와 유, .

사한 방법으로 높은 하중에서 낮은 하중으로 변화하는 과정에서 일시적인 균열성장

지연이 낮은 블록 사이클의 초기에 발생한다 이 일시적인 천이기간 동안(Fig.2-6).

K△ eff는 낮은 하중에서 안정화된 값보다 작다.

- 21 -

균열닫힘 이론은 단일과대하중 후에 관찰되는 연착지연 거동을 잘 예측할 수 있다.

과대하중 소성역을 둘러싸고 있는 탄성체는 압축잔류응곡을 발생시킨다 이 소성역.

이 균열선단 앞에 있을 때 이러한 압축응력은 균열개구응력에 영향을 끼치지 않는,

다 그러나 균열이 과대하중영역으로 전파해 나가면 압축응력은 균열면에 작용한. ,

다 결과적으로 균열선단에 작용하는 하중은 이 압축응력 때문에 감소하게되어 균.

열성장지연이 일어난다 균열이 과대하중에 의한 소성역으로 전파해 갈 때 균열은.

균열진전율이 최소값에 도달할 때까지 감소비율로 진전한다 이 영역을 빠져나가게.

되면 균열진전율은 정상적인 비율을 회복할 때 까지 증가한다.

다 예측방법다 예측방법다 예측방법다 예측방법))))

가변진폭 하중하에서 피로균열성장을 예측하는 방법은 하중상호작용효과를 설명하

기 위해서 발전되었다 일반적으로 이 방법들은 선형탄성파괴역학적 개념을 기초로.

하며 다음의 세가지 분류로 나누어 질 수 있다, .

균열선단 소성 모델균열선단 소성 모델균열선단 소성 모델균열선단 소성 모델1.1.1.1. 이 모델은 하중상호작용효과 균열성장지연 가 과대하중을- ( )

받는 동안 생기는 큰 소성역 때문에 발생한다고 가정한다 계속되는 사이클에서 균.

열 선단소성역이 과대 하중으로 인한 소성역 내에 남아 있는 동안 이 효과는 계속

유진된다.

통계적 모델통계적 모델통계적 모델통계적 모델2.2.2.2. 이 모델은 균열진전율을 하중이력의 확률 밀도 곡선의 특성인 통- -

계적 파라미터 K△ rms 와 같은 유효 K△ eff와 관련시킨다.

- 22 -

균열닫힘모델균열닫힘모델균열닫힘모델균열닫힘모델3.3.3.3. 이 모델에서 균열지연 가속은 하중변화에 따른 개구응력과 유효- /

응력확대계수 변화를 가져오는 균열닫힘효과에 의한 것이라고 가정한다.

균열선단 소성모델균열선단 소성모델균열선단 소성모델균열선단 소성모델

균열선단 소성모델은 가변진폭하중하의 균열성장비가 균열선단 소성역의 상호작용

과 관련이있다는 가정에 기초하고 있다 이같은 형태의 모델 중에서 잘 알려진 것.

은 와 에 의해 연구된 것이다 이 모델들을 다음에 개별적으로Wheeler Willenborg .

설명하였다.

모델모델모델모델WheelerWheelerWheelerWheeler 이 모델에서 과대하중 다음에 균열진전율의 지연은 일정진폭진전-

율을 수정하여 예측되었다 장에서 일정진폭하중에서의 진전율은 보통 다음과 같. 3

이 나타내었다.

의 관계식을 이용하면Paris ,

모델은 실험적 지연매개변수Wheeler , Cp로 일정진폭진전율을 수정하였다.

여기서 (da/dN)CAi는 하중사이클 에서 응력확대계수폭j K△ i 응력비 에 해당되는, R

일정진폭 진전율이다.

- 23 -

이 지연매개변수 (Cp)i는 과대하중으로 인한 소성역 크기에 대한 현재 소성역 크기

비의 함수이다.

여기서, ryi는 번째 하중사이클에 의한 반복서성역의 크기이고i , ap는 과대하중이 발

생하였을 때 균일길이와 과대하중 소성역크기의 합, ai는 번째 하중 사이클에서의i

균열길이 는 실험적으로 정의된 형상 계수이다 이들을 도식적으로 나타내면, p . Fig.

과 같다2-7 .

Fig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler modelFig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler modelFig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler modelFig. 2-7 Plastic zone size used in Wheeler model

- 24 -

이 모델은 균열지연은 과대하중후에 즉시 발생하는 최대지연과 함께 균열이 과대하

중 지벽 안으로 진전함에 따른 비례적인 지연감소를 예측한다. (Cp)i 값은 0.0~1.0

의 범위이다 과대하중에 의해 생긴 소성역 내에 현재 소성역이 있는 동안 균열지.

연이 발생한다고 가정한다.

현재 소성역의 경계가 과대하중소성역의 경계에 닿자마자 지연이 멈추고 (Cp)i=

이라고 가정한다1.0 (Fig.2-8).

Fig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of ith cycle touches theFig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of ith cycle touches theFig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of ith cycle touches theFig. 2-8 Retardation cease when plastic zone of ith cycle touches the

boundary of the overload plastic zoneboundary of the overload plastic zoneboundary of the overload plastic zoneboundary of the overload plastic zone

위의 파라메타 들에서

일 때 지연이 멈추고, (Cp)i 이다 다시 정리하면= 1.0 .

- 25 -

최대지연은 (CP)i가 a0에 접근할 때 발생한다.

이 모델을 이용하면 균열성장은 다음과 같이 계산된다, .

여기서 a0는 초기균열길이, ar은 사이클 후의 균열길이r , (da/dN)i는 번째 사이클i

동안의 균열성장이다.

이 모델의 주요한 약점은 실험적 상수는 이다 이것은 실험데이터에서 형상계수p .

(CP)j를 필요로 한다 이 값은 실험적으로만 결정할 수 있고 실험 전에는 결정할 수.

없다 또한 앞에서 논의한 관찰된 연착지연 현상과는 대조적으로 이 모델은 과대하. ,

중 직후에 최대지연을 예측하고 있다 이것은 또한 균열지연에서 음의 최고 하중의.

반작용 효과를 무시한다.

모델모델모델모델WillemborgWillemborgWillemborgWillemborg 이 모델에 의해 개발된 균열전단 소성모델은 균열성장 지연이-

균열전단에 작용하는 압축잔류응력에 의해서 생긴다는 가정에 기초하고 있다 이.

응력들은 과대하중이 제거된 후에 압축으로 되는 과대 하중 소성역을 둘러싸고 있

는 탄성체 때문에 생긴다 이 모델은 유효응력을 사용하는데 이것은 압축잔류응력. ,

에 의해 감소된 작용응력이고 후속의 하중 사이클에서 균열선단의 응력확대계수를,

결정하는 데 사용된다 이 모델의 개략적인 설명은 다음과 같다. .

- 26 -

1 ap의 결정

의 모델과 유사하게Wheeler ,ap는 초기균열길이 과대하중이 작용했을 때의 균열길(

이 와 과대하중에 의한 소성역의 합이다) .

여기서 평면응력일 때 이고 평면변형률일 때 이다 현재의 균열길이, =2 , =6 . aβ β i와

그것과 관련된 소성역 ryi의 합이 ap와 같거나 클 때까지 균열지인은 점점 감소한

다 다시 말하면 현재의 소성역의 경계가 과대하중영역의 경계와 닿으면 균열지연. ,

은 멈춘다.(Fig. 2-8)

과대하중 소성역 경계와 접촉하는 항복영역2. (rreq)i을 구하기 위해 요구되는 응력

(σreq)을 계산한다

.

- 27 -

압축응력압축응력압축응력압축응력3. (3. (3. (3. (σσσσ mpmpmpmp∞∞∞∞ ))))iiii의 결정의 결정의 결정의 결정

이 모델에서는 과대하중을 둘러싼 탄성체에 의한 압축응력은 번째 싸이클일 때 발i

생하는 최대응력(σmax)i와 여기에 해당되는 필요응력(σreq 의 차라고 정의한다) .

유효응력유효응력유효응력유효응력4. (4. (4. (4. (σσσσeeeeiiii 의 결정의 결정의 결정의 결정))))

번 째 하중 사이클에서 실제 최데 및 최소 응럭은 유효응력i (σei)를 구하는데 있어서

있어서 (σ mp∞ )i로 인하여 감소된다.

만약 이 유효응력이 보다 작으면 이라고 놓고, 0 0 (△σei)))) 를 계산한다) .

균열성장법칙에 이용하기 위하여5. ( K△ eff)i를 계산한다.

- 28 -

이 식들을 선택된 균열성장법착 즉 와 의 식에 대입한다, Paris Forman .

의 식에서Paris

의 식에서Forman

의 모델은 과대하중응력확대계수Willenborg KoL과 그에 뒤따르는 낮은 하중크기의

응력확대계수Kmax의 비가 보다 크거나 같을 때 균열정지가 발생할 것이라고 예2.0

측한다 이 여러 재료에 대한. Nelson KoL/Kmax값을 도표화하였다 그는 균열정지가.

발생하였을 때 이 비율은 에서 사이였다고 보고하였다 따라서 그는2.0 2.7 .

값 이 실험데이터의 관점에서 매우 합당한 주장이라고 표현하였다Willenborg 2.0 .

의 모델처럼 의 모델도 최대지연이 과대하중 후에 시 발생한다고Wheeler Willenborg

예측한다 그 모델도 최대지연이 과대하중 후에 즉시 발생한다고 예측한다 그 모델. .

은 관찰된 예측지연 효과를 예측하지 못한다 또한 압축중에 의한 지연의 감소를.

예측하지도 못한다 와 모델의 가장 중요한 차이점은. Wheeler· Willenborg

의 모델은 단지 일정진폭균열성장 데이터만을 사용하고 형상 상수가 필Willenborg

요 없다는 점이다.

- 29 -

통계적 모델통계적 모델통계적 모델통계적 모델

통계적 방법도 랜덤하중 하에서 균열성장을 예측하는데 사용되어왔다 은. Barsom

평균제곱근 응력확대계수 Krms에 기초를 둔 모델을 개발하였다.

여기서 은 사이클 수이고n , K△ i는 번째 사이클과 관련된 응력확대계수폭이다 평.Ⅰ

균피로균열진전율은 다음 식에서의 K△ rms를 이용하여 일정진폭 데이터로부터 예측

할 수 있다.

여기서 와 은 일정진폭 데이터로부터 결정되는 재료상수이다 이 모델은 지연과C m .

가속같은 하중사이클 연속효과를 설명할 수 없기 때문에 하중효과는 최소화되어 단

지 짧은 스펙트럼에서만 적용할 수 있다 는 상호작용효과를. Chang, Szamossi, Liu

고려하지 않았을 때 대부분이 인장 인장 사이클로 구성되는 랜덤 스펙트럼에서 피-

로수명 예측이 매우 안전하다는 것을 발견하였다 반대로 주로 인장 압축 하이클로. -

구성된 스펙트럼에서 상호작용효과가 무시될 때는 예측은 안전하지 않았다 형. RMS

의 통계적 방법은 연속적인 단일모드분포에의해 설명될 수 있는 하중 사이클 순서

에만 제한적으로 사용되도록 제안되었다.

- 30 -

균열닫힘모델균열닫힘모델균열닫힘모델균열닫힘모델

앞에서 서술한 바와 같이 균열닫힘 이론은 σop의 변화에 따른 K△ eff로 압축과대하

중의 효과와 지연을 설명한다 최근에 몇가지 균열닫힘모델이 개발되었다 균열닫힘. .

모델의 어려운 점은 가변진폭하중에서 개구응력 σop를 구하는 것이다 이것이 일단.

구해지면 균열진전율을 예측하기 위하여 다음과 같은 과정을 따른다.

1. (△σeff)i와 그에 따른 K△ eff를 구한다.

2. a△ i를 계산한다.

식에 응용하면 다음과 같다paris .

여기서 Co와 K△ eff는 동일한 수준에 해당한다.

3.

마지막 균열길이까지 위 단계를 반복한다.

사이클마다 이 과정이 행해져야 하고 σop를 구하는 어려움 때문에 장시간 운영되는

컴퓨터 프로그램이 필요하다 그러나 예측수명과 실험결과 사이에 좋은 상관관계가.

얻어진다.

- 31 -

균열닫힘 모델과 함께 식이 사용될 때 균열성장계수Paris Co는 유효응력 확대계수

항 K△ eff와 동일한 닫힘수준에 해당되어야 한다 값에 대하여 만들어진 대부분의. C

표는 균열닫힘 영향을 고려하지 않는다 바꾸어 말하면. σop=σmin이다 상수 는 다. C

음과 같은 관계식으로 된 새로운 닫힘크기에 대해 수정될 수 있다.

여기서

예를 들면 만약 균열성장계수 가 인 데이터를 사용하여 구하고 개구크기C R=O Kop

가 0.3kmax라 가정하면 수정되는 CO값은

균열성장지수 은 균열닫힘효과를 설명하기 위해 수정할 필요가 없다m .

블록하중블록하중블록하중블록하중

많은 시간을 절약할 수 있는 균열성장 계산법이 제안되었다 각 사이클당 진전된.

합으로 균열성장을 계산하는 것 대신 각 하중블록당 균열성장 을 구한다, ( a/ B) .△ △

- 32 -

블록하중법은 짧은 스펙트럼의 하중이력으로 제한된다 이들 이력에서 블록당 균열.

성장은 블록에서 가장 큰 하중주기에 의해 형성되는 소성역을 지나서 성장할 만큼

크지는 않다 이 방법은 긴 스펙트럼 하중에서는 적당하지 않다 긴 스펙트럼 하중. .

에서는 하나의 큰 과대하중 사이클 다음에 수많은 작은 하중 주기가 뒤따른다 블.

록하중법을 사용할 때에는 다음과 같은 사항을 가정한다.

실제 작용하중이력은 하중블록의 반복에 의해 모델링 될 수 있다고 가정한다- .

균열길이는 하중블록 동안 고정된다고 가정한다- . ( a/ B a)△ △ ≪

이 방법에서 손상은 균열이 열렸을 때만 발생한다고 가정한다 균열열림은 발생하.

는 응력크기 σop가 정의되어야만 한다 일단 결정되면 이 값은 전체하중블록 동안.

일정해야 한다 개구응력크기는 유효응력확대계수를 결정하는 데 사용될 수 있고. ,

이 확대게수는 다시 균열성장비 계산에 사용된다. σop를 결정하기 위한 두가지 가

정이 아래에 있는 단계 에 설명되어진다I .

블록당 균열길이의 변화는 다음과 같은 절차에 의해서 계산한다.

1. (△σeff)j를 다음 두가지 가정에 의해서 결정한다.

단지 인장하중만이 균열확장을 발생시킨다고 가정한다a. .

- 33 -

이 가정에서 σmin 이면0 σ≦ op=0

이 가정은 하중이력에서 큰 과대하중이 없고 하중이 완전교번 하중일 때 적용가능,

하다.

균열개구응력는b. σop는 보다 크다고 가정한다0 .

많은 경우에 있어서 가정 는 과도하게 안전에 치중하는 편이다 부재가 평면응력a . (

상태일 때 및 주기적인 과대하중을 갖는 하중이력이 그 예이다 이러한 경우에 대)

하여 균열 개구응력 σop를 추정할 수 있다 은 개구응력과 최대응력의 비. Newman

(σop/σmax 가 에서 사이의 값이라고 추정하였다) 0.0 0.7 .

따라서 σop/σmax 일 때=0

그리고 σop/σmax 일 때=0.7

가정 에서( a σop/σmax=0)

그러므로 △σeff나 K△ eff 값의 한계는 0.0~0.7σmax범위의 개구응력값을 이용하여

구할 수 있다 이는 유효응력. △σeff에서 한계값의 변화가 1.0σmax~0.3σmax가 되게

한다. 0.0σmax에 가까워지는 σop값은(△σeff는 1.0σmax에 가까워짐 가장 안전하다) .

- 34 -

주기적인 과대하중을 포함하는 블록하중이력에서 과대하중에 해당되는 개구응력, σ

op는 균열닫힘효과 때문에 하중이력을 좌우한다 앞에서 언급한 것처럼 개구응력은. ,

블록에서 일정하게 되고,

여기서 σop는 과대하중과 관련된 개구응력이다.

σop값보다 높은 하중만이 하중 사이클에서 균열확장을 가져온다고 가정한다 이것.

이 에 도시적으로 나타내었다Fig. 2-9 .

Fig. 2-9 For block history only loads aboue lop(non-shade region)Fig. 2-9 For block history only loads aboue lop(non-shade region)Fig. 2-9 For block history only loads aboue lop(non-shade region)Fig. 2-9 For block history only loads aboue lop(non-shade region)

assumed to cause crack extensionassumed to cause crack extensionassumed to cause crack extensionassumed to cause crack extension

2. ( K△ eff)j를 결정한다. (△σeff)i가 결정되면 ( K△ eff)j는 다음과 같이 구해진다.

- 35 -

블록당 균열길이의 변화 를 계산한다 블록당 균열길이의 변화3. ( a/ B) . ( a/ B)△ △ △ △

는 각 하중반복수에 의하여 생기는 균열길이의 변화를 합하여 구한다.

여기서 블록당 사이클 수 이며, n=

의 법칙을 사용해서Paris

여기서 Co와 Keff는 같은 닫힘크기에 해당된다.

그러므로

하중이력은 블록이력의 반복에 의해서 모델링 될 수 있다고 가정하였으므로 다음

항은 전체 수명해석을 하는 동안 각 블록에서 일정한 값을 가진다.

이 값은 균열길이에 따라 변화하지 않는다 따라서 다음번 하중블록에서의 블록당. ,

균열성장을 계산하기 위해서 단지 만을 다시 계산하면 된다f(g) .

- 36 -

파괴까지의 블록 결정파괴까지의 블록 결정파괴까지의 블록 결정파괴까지의 블록 결정4.4.4.4.

몇몇 균열길이에서 블록당 균열성장 이 결정되면 피로수명은 파괴까지의 블(fa/fB) ,

록을 구하기 위해서 역수 를 적분함으로써 계산된다(fB/fa) . (Fig. 2-10)

Fig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values ofFig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values ofFig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values ofFig. 2-10 (a) Crack growth per block, da/dB, ploted for values of

crack lenath, a ; (b) blocks to failure obtained by intergratina dB/dacrack lenath, a ; (b) blocks to failure obtained by intergratina dB/dacrack lenath, a ; (b) blocks to failure obtained by intergratina dB/dacrack lenath, a ; (b) blocks to failure obtained by intergratina dB/da

법칙과 같은 간단한 수치적인 방법이 위 식을 적분하는데 사용된다Simpson .

- 37 -

피로파면 분석법피로파면 분석법피로파면 분석법피로파면 분석법2)2)2)2)

가 개요가 개요가 개요가 개요))))

균열의 성장에 의하여 형성된 재료의 파면에는 균열의 성장과정 및 진행과정을 나

타내는 특징적인 흔적들이 남아 있으며 이러한 흔적을 관찰하여 검토 분석함으로,

써 파괴의 원인과 그 메커니즘 에 관련된 중요한 정보를 얻을 수 있다(mechanism) .

한편 파면해석학적 방법 또는 그 학문적 분야를 의미하는 프렉토그래피,

는 관찰수단 즉 현미경의 발달과 더불어 발전하여 왔다 육안 및 저(fractography) , .

배율의 광학 현미경을 관찰수단으로 사용하는 매크로 프렉토그래피

를 거처 고 배율의 광학 현미경 및 주사형 전자현미경(macro-fractography)

투과형 전자현미경(Scanning Electron Microscope : SEM), (Transmission

과 같은 전자현미경을 주로 사용하는 마이크로 프랙토Electron Microscope : TEM)

그래피 로 대변되는 시기에 이르러 급속한 발전을 이루었다(micro-fractography) .

현재 널리 인식되어지고 있는 파괴역학적 연구결과 중의 많은부분들이 마이크로 프

랙토그래피를 이용한 파면 해석학의 산물이며 또한 표면 및 파면 해석에 있어서,

파괴역학과 관련된 정량적 직접적 증거자료를 제시할 수 있는 관찰 수단으로서 가,

장 많이 사용되어지고 있다.

더욱이 최근에는 연구의 고 정밀도화와 고 해상도로의 관찰이 요구되고 있으며 이, ,

에 따른 장치의 개량 및 고성능화가 이루어져 다양한 현미경이 개발 이용되어지고,

있다 특히 년대에 개발되어진 주사형 턴넬링 현미경. , 1980 (Scanning Tunneling

이나 원자간력 현미경 과 같Micrescope : STM) (Atomic Force Microscope : AFM)

은 주사형 탐침 현미경 의 급속한 발전과 응(Scanning Probe Microscope : SPM)

용분야의 확대로 인하여 표면형상뿐만 아니라 다양한 표면 물리량을 원자레벨 해상

도로 차원 관찰하여 검토하는 나노 프랙토그래피 도 시도되고3 (nano-fractography)

있다.

- 38 -

나 일정진폭 피로파괴에서의 파면나 일정진폭 피로파괴에서의 파면나 일정진폭 피로파괴에서의 파면나 일정진폭 피로파괴에서의 파면))))

피로균열은 에 나타내는 것과 같이 하중반복 횟수의 증가와 더불어 하중Fig. 2-19

방향에 수직한 방향으로 진전경로가 변하며 이 단계가 되면 균열전파는 주로 역학

적인 조건에 지배되고 결정학적 방향과는 무관해지며 파면에는 스트라이에이션,

이라고 하는 특징적인 모양이 남는다 는 모식도에서 나타내고(striation) . Forsyth(14)

있는 것과 같이 피로균열의 성장단계를 결정학적 파괴를 일으키는 제 단계 결, [ 1 ],

정학적 특정면에 의존하지 않고 하중방향에 수직하게 진전하는 제 단계 피로수명[ 2 ],

의 최후에 외력에 견디지 못하고 파괴되어 정적인 인장시험에서 볼 수 있는 파면과

동일한 제 단계 로 나누고 있다 전술한 표면 및 파면에서의 변형 및 파괴에 따른[ 3 ] .

기본적인 형상변화도 파면역학적 관찰의 결과이며 현재까지도 광학현미경 및 전자,

현미경을 이용한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

특히 역학적인 지배를 받는 제 단계 의 피로파면에 대하여 집중적인 연구가 이루, [ 2 ]

어져 이 단계에서는 전형적인 피로파면의 특징적인 형태로서 잘 알려져 있는 스트,

라이에이션이 형성되며 이 모양은 각 하중 사이클에 대응한다고 알려져 있다 또, .

한 그 간격은 거시적인 균열진전속도 과 거의 일치한다고 알려져 있으며 그, da/dN

형성기구에 관해서도 몇몇의 모델이 제시되어 있다·

은 알루미늄 합금의 피로 스트라이에이션의 사진이며Fig. 2-20 2024-T351 SEM ,

다양한 응력비에서 전형적인 연성 스트라이에이션이 관찰되어 있다.

- 39 -

Fig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crackFig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crackFig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crackFig. 2-11 Schematic diagram of the fatigue crack

propagation in metallic alloypropagation in metallic alloypropagation in metallic alloypropagation in metallic alloy

R=0.1R=0.1R=0.1R=0.1 R=0.3R=0.3R=0.3R=0.3

Fig 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surfaceFig 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surfaceFig 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surfaceFig 2-12 SEM micrographs of fatigue fracture surface

- 40 -

다 변동진폭 피로파괴와 파면다 변동진폭 피로파괴와 파면다 변동진폭 피로파괴와 파면다 변동진폭 피로파괴와 파면))))

정현파의 일정 응력진폭 하에서 피로파면에 형성되는 스트라이에이션은 각 응력 반

복 횟수에 대응하며 진폭이 클수록 그 간격이 증가한다 또한 스트라이에이 은, . tus

일정 응력진폭 하에서 뿐만 아니라 변동 응력진폭 하에서도 형성된다고 잘 알려져

있다 그러므로 변동응력진폭 하에서 형성되는 스트라이에이션을 검토하는 것은 변. ,

동응력 하에서의 미시균열 진전속도를 검토하는 것이 되고 동시에 실동응력으로,

파괴된 부재에 작용한 응력의 크기와 빈도를 추정할 수 있는 근거를 마련하는 것이

된다 더욱이 이러한 검토로부터 스트라이에이션에 미치는 응력파형의 영향을 조.

사 함으로써 스트라이에이션의 형성기구와 피로균열 진전기구에 관련된 중요한 정

보를 얻을 수 있다 이러한 견지에서 종래부터 변동응력진폭 하에서의 스트라이에.

이션의 형성에 관하여 많은 연구가 이루어져 왔다.

의 알루미늄 합금으로 응력 비 로 하여 실행한 연구J. C. McMillan 2024-T3 0

- 41 -

등의 실험결과를 종합하면 스트라이에이션 간격변화J. C, McMillan, R. Koterazawa

에 있어서 응력변동의 영향은 최대응력을 변화 시켰을 경우에 나타나며 양진응력,

피로 보다는 응력비 의 편진응력 피로(alternating stress) 0

- 42 -

Fig. 2-13 TypicaB fracture surfaceFig. 2-13 TypicaB fracture surfaceFig. 2-13 TypicaB fracture surfaceFig. 2-13 TypicaB fracture surface

due to program Ioaddue to program Ioaddue to program Ioaddue to program Ioad

Fig. 2-14 Typical fracture surfaceFig. 2-14 Typical fracture surfaceFig. 2-14 Typical fracture surfaceFig. 2-14 Typical fracture surface

due to program loaddue to program loaddue to program loaddue to program load





- 43 -

그러나 파면에서 관찰된 스트라이에이션 간격이 계산된 균열진전속도 와 양(da/dN)

호하게 일치한다는 보고도 있다 균열진전의 점프 점진적 증가 점진적 감소 및 지. , ,

연현상을 고려한 세밀한 프랙토그래피 검토가 랜덤하중 하에서도 하중 사이클과,

파면형상과 관련지었으며 이에 역학적 의미를 부여하였다, .

본 시험에 있어서도 이와 같은 인자들을 충분히 고려하고 하중 스펙트럼의 블록,

단위로 형성되는 비치 마크 과대하중에서의 스트라이에이션 간격의(beach mark),

점프 균열지연 영역 등의 상대적 검토로부터 하중이력에 관련된 역학적 의미를 부,

여하여 분석하였다.

- 44 -

시첨재료 및 장치시첨재료 및 장치시첨재료 및 장치시첨재료 및 장치2.2.2.2.

시험재료 및 시험편시험재료 및 시험편시험재료 및 시험편시험재료 및 시험편1 )1 )1 )1 )

가 시험 재료가 시험 재료가 시험 재료가 시험 재료))))

본 시험에 사용된 재료는 항공기 재료에 주로 사용되는 알루미늄 합금2024-T351

으로 이 재료의 화학적 성분을 에 나타내었다, Table 2-1 .

Table 2-1 Chemical cenposition of 2024-T353 Al alloyTable 2-1 Chemical cenposition of 2024-T353 Al alloyTable 2-1 Chemical cenposition of 2024-T353 Al alloyTable 2-1 Chemical cenposition of 2024-T353 Al alloy

나 시험편나 시험편나 시험편나 시험편))))

피로 시험편 형상은 와 같다Fig.2-25~2.29 .

- 45 -

시험장치시험장치시험장치시험장치1 )1 )1 )1 )

본 시험에 사용된 시험장치는 Fatigue test machine, Controller, Strain Amplifier,

등으로Micro-scope, Crack propagation measurement system, Specimen grip

구성되어 있다 에 본체 및 개략도를 나타내었다. Fig. 2-30, 2-3l .

Fig.2-22 Test EquipmentFig.2-22 Test EquipmentFig.2-22 Test EquipmentFig.2-22 Test Equipment

- 46 -

1kf

Fig. 2-23 Schematic diagram of test equipmentFig. 2-23 Schematic diagram of test equipmentFig. 2-23 Schematic diagram of test equipmentFig. 2-23 Schematic diagram of test equipment

가 피로시험기가 피로시험기가 피로시험기가 피로시험기))))

피로시험에 사용된 시험기는 사Instron 1332 Hydraulic-Survo fatigue test

를 이용하였다 본 시험기는 최대용량 이고 에서 시험제어machine . 20Ton , Controller

가 가능하며 또한 로 제어 및 데이터 저장이 가능하다, Computer .

프로그램 하중 제어 피로시험 및 랜덤 하중 피로시험은 설계된 하중 스펙트럼을

에 저장하고 사에서 제작된 프로그램으로 하여Computer , Instron "Random" logging

수행한다.

피로시험에서 시험편을 체결하는 은 시험편 폭이 이하인 시Grip 16mm A, B Type

험편은 을 이용하고 이상 시험편은 체결형Hydraulic Grip , 16mm C type Bolts

을 이용하였다Grip .

- 47 -

나나나나) Strain Amplifier) Strain Amplifier) Strain Amplifier) Strain Amplifier

본 시험에서는 균열 여닫힘 응력을 측정하기 위하여 균열 진전방향에 Strain gauge

를 부착하였다 는 사의. strain gauge MICRO-MEASUREMENT CEA-06-125UN-350

이고 는 사의 제품이다, strain amplifier NEC AS 1503 .

의 변화는 브릿지 회로를 거쳐 에 입력되고 출력단에서는strain strain amplifler ,

사이의 전압으로 출력된다 출력전압은 피로시험기의 에 입력되-10~10V . controller

어 컴퓨터에 전압변화 변화 가 저장되도록 구성하였다(strain ) .

Fig. 2-24 Fatigue test MachineFig. 2-24 Fatigue test MachineFig. 2-24 Fatigue test MachineFig. 2-24 Fatigue test Machine

- 48 -

Fig.2-25 Strain AmplifierFig.2-25 Strain AmplifierFig.2-25 Strain AmplifierFig.2-25 Strain Amplifier

다다다다) Crack Length Measurement-Microscopic) Crack Length Measurement-Microscopic) Crack Length Measurement-Microscopic) Crack Length Measurement-Microscopic

현미경을 이용한 균열길이 측정 장치는 이동식 현미경, CCD camera, Power,

로 구성되어 있다Monitor .

Fig. 2-26 Crack length measurement systemFig. 2-26 Crack length measurement systemFig. 2-26 Crack length measurement systemFig. 2-26 Crack length measurement system

- 49 -

- Microscope- Microscope- Microscope- Microscope

이동식 현미경은 정밀도의 향상을 위하여 버니어 부분에 디지털 버니어를 장착하여

까지 측정할 수 있다0.01mm .

현미경의 경통 부분에 을 삽입하고 접안렌즈에는 를 장착half-mirror , CCD camera

하여 상에서 균열을 관찰할 수 있도록 개조하여 균열첨단 부분을 더욱 정밀하CRT

게 측정할 수 있다.

- Monitor- Monitor- Monitor- Monitor

에서 획득된 신호를 받아서 화면에 나타내는 장치로서 기존의CCD camera CRT ,

육안으로 관찰하는 경우보다 더욱 안정되게 균열첨단을 관찰 측정할 수 있다 육안, .

으로 관찰하는 경우는 현미경 배율인 배로 대상물을 관찰하였으나 본 장비를 이50 ,

용함으로써 배로 확대된 균열을 관찰 할 수 있으므로 더욱 정확한 균열길이에200

대한 데이터를 획득 할 수 있었다.

Fig. 2-27 MicroscopeFig. 2-27 MicroscopeFig. 2-27 MicroscopeFig. 2-27 Microscope

- 50 -

Fig. 2-28 CRT MonitorFig. 2-28 CRT MonitorFig. 2-28 CRT MonitorFig. 2-28 CRT Monitor

라라라라) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge) Crack Length Measurement - Crack propagation gauge

- Power Supply- Power Supply- Power Supply- Power Supply

계측회로에 전압을 공급하는 장치로서 게이지 특성상 입력전압은 이하의 전, 10volt

압을 가해야 하며 출력전압 또한 수 임으로 가 많은 일반 를, mV , noise transformer

이용하는 것은 출력 값에 예기치 못한 결과를 보일 수 있으므로 매우 위험하다.

본 시험에서는 에서 제작된 를 이용하여 안정된 전원을Fluke PM2831 Power supply

회로에 공급하였다 입력전압은 이다. 8 volt .

Fig. 2-29 Power supplyFig. 2-29 Power supplyFig. 2-29 Power supplyFig. 2-29 Power supply

- 51 -

- Circuit- Circuit- Circuit- Circuit

균열진전을 측정하는 게이지는 스트레인게이지의 변형된 형태로 그리드의 단락에

의한 전압변화 또는 저항변화를 측정하여 균열길이를 환산할 수 있게 만들어졌다.

게이지는 좁은 폭에 많은 그리드를 포함하고 있어야함으로 각 그리드 폭은

정도이다 그리드의 단락에 의한 저항변화는 아주 미세하다고 할 수 있100~200 .㎛

다 미세한 저항변화를 회로와 스트레인 앰프를 이용하여 측정하는 경우도 있고. (共

회로 및 정밀전압측정기를 이용하여 균열진전을 측정하는 방법도 있다), .和電業

본 시험에서는 두 번째 측정방법을 이용하였으며 이에 따른 회로구성은 아래와 같,

다 저항을 병렬로 연결하고 게이지에 과전류를 방지하기 위하여 입력전압. Ik ,50 ,Ω Ω

을 로 일정하게 공급하고 출력 측에는 수 까지 측정이 가능한 측정기를8volts , mV

설치하여 구성하였다.

- 52 -

Fig. 2-31 CircuitFig. 2-31 CircuitFig. 2-31 CircuitFig. 2-31 Circuit

- Crack Propagation Gauge- Crack Propagation Gauge- Crack Propagation Gauge- Crack Propagation Gauge

시험에 사용된 는 형 게이지로써 에 나Clack Propagation Gauge KV-C , Fig. 2-40

타내었다 이 게이지는 그리드 수가 개이며 각 그리드의 간격은 이다 초. 46 , 0.Imm .

기 저항은 약 이며 폭이 그리드 초기길이가 마지막 길이가l , 4.6mm, 5.4mm,Ω

이다25.2 .

위에서 언급한 회로로 구성하였을 때 그리드의 단락에 의하여 에 나타나, Recorder

는 전압변화를 에 나타내었다Fig. 2-41 .

- Recorder- Recorder- Recorder- Recorder

초기 균열진전시 의 변화는 수백 로써 에 의하여 일반 장비로서output volt , noise㎶

는 이 전압변화를 측정하기가 매우 어렵다 본 시험에서는 에서 제작된. NEC RT

장비를 이용하여 데이터를 수집하였다3100N .

- 53 -

Fig. 2-32 Crack propagation gaugeFig. 2-32 Crack propagation gaugeFig. 2-32 Crack propagation gaugeFig. 2-32 Crack propagation gauge

Fig. 2-33 Crack length(Grid No.) vs VoltageFig. 2-33 Crack length(Grid No.) vs VoltageFig. 2-33 Crack length(Grid No.) vs VoltageFig. 2-33 Crack length(Grid No.) vs Voltage

Fig. 2-34 RecorderFig. 2-34 RecorderFig. 2-34 RecorderFig. 2-34 Recorder

- 54 -

시험 방법시험 방법시험 방법시험 방법3.3.3.3.

일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험1)1)1)1)

본 피로시험을 통하여 균열 안정 성장 구간에서 균열성장거동을 검토하였다 피로.

시험은 사의 를 이용하여Instron 1332 Hydraulic-Survo fatigue test machine

에 따라 수행하였다ASTM E647 .

피로시험편 형상은 과 같은 시험편을 사용하였Fig. 2-25~28 MT(Middle Tension)

으며 피로시험은 와 같은 일정진폭 하중에서 수행하였다, Table 2-2 .

균열진전 속도에 가공노치의 영향을 줄이기 위하며 피로시험을 수행하기 전에

와 예균열을 도입하였다 균열길이 관찰은 배율의 이동식 현미경에0.2mm . 50 CCD

카메라를 장착하여 배율로 관찰하여 측정 정밀도를 높였다200 (Fig. 2-34).

Table 2-2 Fatigue test conditionTable 2-2 Fatigue test conditionTable 2-2 Fatigue test conditionTable 2-2 Fatigue test condition

프로그램 랜덤하중 피로시험프로그램 랜덤하중 피로시험프로그램 랜덤하중 피로시험프로그램 랜덤하중 피로시험2)2)2)2)

피로시험에 프로그램화 된 변동하중을 이용하여 시험함으로써 일정진폭 하중이 아,

닌 소구간 규칙적인 하중변화 블록하중 에 따른 균열진전 속도를 평가한다( ) .

하중 형태는 에 나타내었으며 하중조건은 에 나타내었다Fig. 2-43 , Table 2-3 .

- 55 -

Fif:. 2-35 program random load spectrumFif:. 2-35 program random load spectrumFif:. 2-35 program random load spectrumFif:. 2-35 program random load spectrum

Table 2-3 Program random fatigue test conditionTable 2-3 Program random fatigue test conditionTable 2-3 Program random fatigue test conditionTable 2-3 Program random fatigue test condition

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파면 분석파면 분석파면 분석파면 분석4.4.4.4.

본 과제 수행에 있어서 파면분석은 단계별로 수행하며 파면관찰에 사용하는 장비, ,

는 주로 전자현미경 을 사용한다(Scanning Electron Microscope : SEM) .

시료 준비시료 준비시료 준비시료 준비1)1)1)1)

시험편으로부터 하중 축에 가능한 직각 방향으로 파면 상부에서 약 두께(1) 5mm

로 파면을 채취한다.

채취된 파면을 아세톤으로 초음파세척 후 현미경 관찰한다(2) .

파면관찰 및 촬영 순서파면관찰 및 촬영 순서파면관찰 및 촬영 순서파면관찰 및 촬영 순서2)2)2)2)

디지털 카메라로 전 파면이 포함되는 시편의 형상을 관찰 및 촬영 한다(1) .

후속 되는 및 관찰 위치를 표시- OM SEM

피로파면의 거시적 해석(2) (Macro-Fractography)

등의 거시적인 파면형상 관찰에는 으로 관찰 및- Beach mark, Chevron mark OM

촬영한다.

균열이 측정된 전 파면을 대상으로 한다- .

후속되는 관찰 위치를 표시한다- SEM .

피로 파면의 미시적 해석(3) (Micro-Fractography)

각 하중사이클에 대응하는 피로 스트라이에이션 각 하중블록에 대응하는 피로- ,

스트라이에이션 타이어 트랙 플레토 석출물 등의 미세형상은, (Tire track), (Plateau),

으로 관찰 및 촬영 한다SEM .

- 57 -

촬영 장소는 기준점으로부터 시험편에 따라 임의로 지정하고 배의 배율을 기( 3000

준으로 함 방향 구분하여 오차로 기록한다) x, y 1/100mm .

파면 분석 방법파면 분석 방법파면 분석 방법파면 분석 방법3)3)3)3)

항에 의하여 디지털 카메라로 전 파면이 포함된 시편 형상을 관찰 및 촬(1) 2-(1)

영

항 및 항에 의하여 균열길이가 측정된 전 파면을 관찰 및 촬영(2) 2-(I) 2-(2)

항에 의하여 스트라이에이션이 형성되어 있는 파면의 연속관찰과 촬영(3) 2-(3)

항에 의하여 각 하중 블록에 대응하는 스트라이에이션의 블록을 정의 촬(4) 2-(3) (

영 하고 각 블록별로 균열깊이 및 균열길이 를 구하여 블록 수에 대응시킨) (aB) (CB)

모식도를 작성

균열깊이 방향 및 길이 방향에 대응하는 각 블록별 균열깊이 및 길이의(5) (a) (C)

작성Table

항의 거리 측정방법으로 데이터를 구함(6) 2-(3)

이상의 관찰 측정 및 분석을 통하여 파면의 예 균열부 초기 균열부 관통 균(7) , , ,

열부 각 블록의 피로 균열부 최종 파단 균열부의 모식도를 작성하고 각 부분의 현, ,

미경사진을 촬영한다.

블록 수와 최대 균열 길이와의 관계를 모식도로 그리고 을 작성(8) Table

- 58 -

4) SEM4) SEM4) SEM4) SEM

본 시험에 사용된 장비는 일본 사의 으로 해상도 배율SEM Hitachi S-4100 1.5nm,

이다x40~x300,000 .

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시험결과시험결과시험결과시험결과....ⅢⅢⅢⅢ

일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험일정진폭하중 피로시험1.1.1.1.

일정진폭하중 피로시험은 최대응력 최소응력 조건에 주파수96.7Mpa, 9.7Mpa ,

로 시험하였다 에 시험결과를 나타내었다10Hz . Fig.3.1~3.2 .

시험 시 의 검증을 위하여 육안 현미경 관찰 및, Crack propagation gauge ( ) volts

변화 값을 동시에 획득하였다 그 결과를 에 나타내었다 는 총 개. Fig. 3.1 . gauge 40

의 로 구성되어 있으며 균열진전에 따라 번 부터 단락이 되어 변차grid , 1 grid volts

를 보이는 데 초기 번 의 단락에 의한 변화는 수 보다 작아서 측, I~5 gris volts mV

정된 데이터를 판독하기 힘들기 때문에 측정값에 포함시키지 않았다.

- 60 -

Fig.3-1 Crack length vs cycleFig.3-1 Crack length vs cycleFig.3-1 Crack length vs cycleFig.3-1 Crack length vs cycle

Fig.3-2 Fatigue crack growth rateFig.3-2 Fatigue crack growth rateFig.3-2 Fatigue crack growth rateFig.3-2 Fatigue crack growth rate

- 61 -

프로그램 랜덤피로시험 결과프로그램 랜덤피로시험 결과프로그램 랜덤피로시험 결과프로그램 랜덤피로시험 결과2.2.2.2.

프로그램 랜덤 피로시험 조건은 최대하중 에 대하여 각각 되는 하(P) 40, 60, 80%

중 추가하중 을 가하였으며 이 때 시험주파수는 로 수행하여( ) I~100 Cycle , 2.5Hz

각각에 대한 결과를 분석하였다.

결과 분석시 추가하중에 대한 균열진전속도의 영향을 파악하기 위하여 최대하중만, ,

을 수에 포함시켰으며 추가하중의 은 해석에 포함 시키지 않았다Cycle , Cycle .

균열진전에 따른 균열측정은 앞에서 언급한 를 이용하여Crack Propagation gauge

피로시험 수행동안 자동으로 획득하였다 다음에 각 시험조건의 결과를 정리하여.

나타내었다.

추가하중이 인 시험에서는 일정진폭하중 결과와 차이를 보이지 않았으며 이로40% ,

써 하중은 균열진전에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 판단되며 이것은40% , △

Keff가 K△ th와 거의 일치하기 때문으로 사료된다.

에 나타난 것처럼 추가하중이 인 경우는 일정진폭하중 피Fig. 3-3~3.10 , 60%, 80%

로시험결과 보다 확연한 균열성장의 상승을 확인할 수 있다.

- 62 -

Fig.3-3 Crack length vs cycleFig.3-3 Crack length vs cycleFig.3-3 Crack length vs cycleFig.3-3 Crack length vs cycle


- 63 -

Fig.3-5 Crack length vs CycleFig.3-5 Crack length vs CycleFig.3-5 Crack length vs CycleFig.3-5 Crack length vs Cycle


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Fig. 3-7 Crack length vs CycleFig. 3-7 Crack length vs CycleFig. 3-7 Crack length vs CycleFig. 3-7 Crack length vs Cycle


- 65 -

Fig. 3-9 Crack length vs CycleFig. 3-9 Crack length vs CycleFig. 3-9 Crack length vs CycleFig. 3-9 Crack length vs Cycle


- 66 -

각 시험에서 획득된 식에서 제시한 값을 에 나타내었다C, m(Paris ) Table 3-1 .

Table 3-1 The value of C and mTable 3-1 The value of C and mTable 3-1 The value of C and mTable 3-1 The value of C and m

위 데이터를 이용하여 각각의 균열성장속도 곡선을 에 나타내었으며 균Fig. 3-11 ,

열길이 대 반복수에 대한 곡선을 초기균열길이 로 하여 해석한 결과를4mm Fig.

에 나타내었다3-12 .

- 67 -



- 68 -

랜덤 피로시험랜덤 피로시험랜덤 피로시험랜덤 피로시험3.3.3.3.

랜덤하중 피로시험 방법랜덤하중 피로시험 방법랜덤하중 피로시험 방법랜덤하중 피로시험 방법1)1)1)1)

가 초기균열 도입가 초기균열 도입가 초기균열 도입가 초기균열 도입) (Pre-Crack)) (Pre-Crack)) (Pre-Crack)) (Pre-Crack)

초기균열도입을 위한 최대하중(Pmax 은 최대하중스펙트럼 의 로 설정하여) (MSL) 50%

피로시험을 수행하였다 하중비. R(Pmin/Pmax 여기서, Pmin=최소하중,Pmax 최대하중= )

이 인 일정진폭 하중으로 주파수는 로 행하였다0.1 5Hz .

하중반복수가 매 회에 도달하면 하중장치를 멈추고5,000 , Pmax의 하중이 걸린 상태

에서 선단에 균열발생 여부를 측정하였다Pre-flaw .

균열진전의 확인 후에는 점진적으로 측정 수를 줄여 균열길이 가Cycle , (2a or a)

에 도달할 때까지 일정진폭하중 피로시험을 반복하였다6mm(3mm) .

나 시험하중나 시험하중나 시험하중나 시험하중))))

본 시험에 사용된 피로시험기는 사의 유압 서보 피로시험기 로Instron (Model 1332)

최대용량은 이다 본 시험의 시험편에는 축방향 하중 이 가해지며25ton . (Axial Load) ,

가해지는 랜덤 피로 시험 최대하중은 로 설정하였으며 하중형태는 인장2900kgf , -

압축의 하중이다random spectrum .

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다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법다 랜덤 스펙트럼 하중 피로시험 방법))))

스펙트럼을 시험장비의 랜덤 프로그램 사 에 입력한다(Instron ) .①

각 블록의 스펙트럼 시험이 완료되면 시험을 일시중지하고 균열측정을 실시한②

다 균열측정이 완료되면 그 때의 블록수와 균열진전길이를 기록한다. , .

이상의 과정을 시험편이 파단될 때까지 반복 수행한다.③

만약 시험도중 블록이상의 시험이 수행되었는데도 균열길이의 진전이 없을10 ,④

경우에는 최대하중을 배씩 증가 시킨다1.2 .

스펙트럼 시험이 완료되면 파단면 분석을 위하여 일정진폭하중으로 피로시험을,⑤

수행하여 시편을 완전히 파단시킨다.

라 하중 스펙트럼라 하중 스펙트럼라 하중 스펙트럼라 하중 스펙트럼))))

본 시험에 적용될 랜덤하중 스펙트럼은 에서 최대 최소점 응Peak/Valley(1 Cycle / )

력점 수를 당 개로 보았을 경우 스펙트럼에서의 응력점수에 대한 정보를1cycle 2 ,

에 나타내었고 하중 스펙트럼 이력을 에 나타내었다 랜덤 피Table 3-2 , Fig. 3-13 .

로 시험 최대하중은 로 설정하였다2900kgf .

Tabfe. 3-2 Random loading spectrum dataTabfe. 3-2 Random loading spectrum dataTabfe. 3-2 Random loading spectrum dataTabfe. 3-2 Random loading spectrum data

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랜덤하중 피로시험 데이터랜덤하중 피로시험 데이터랜덤하중 피로시험 데이터랜덤하중 피로시험 데이터2) - R12) - R12) - R12) - R1

Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)Fig. 3-13 Random spectrum loading data (R1)

같은 조건으로 시험을 두 번 수행하였으며 균열길이 및 반복수에 대한 결과를, Fig.

에 균열성장속도에 대한 결과를 에 나타내었다 두 경우 아주3-14, 3-15 Fig. 3-16 .

유사한 결과를 보임을 알 수 있으며 이로써 실험방법 및 실험상의 문제점은 없는,

것으로 판단한다.

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Fig. 3-14 Crack length vs cycle (R1)Fig. 3-14 Crack length vs cycle (R1)Fig. 3-14 Crack length vs cycle (R1)Fig. 3-14 Crack length vs cycle (R1)

Fig. 3-15 Crack length vs cycle (R2)Fig. 3-15 Crack length vs cycle (R2)Fig. 3-15 Crack length vs cycle (R2)Fig. 3-15 Crack length vs cycle (R2)

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응축하중 설계응축하중 설계응축하중 설계응축하중 설계IV.IV.IV.IV.

장에서 실험한 랜덤 하중 스펙트럼 피로시험은 총 하중점 갯수가 개로써3 125050

시험을 수행하는데 시간 분 정도 소요된다 그리고 총 파단을1Block 17 30 . 23

으로 간주했을 때 일 정도의 막대한 시간이 소요되며 시험 시간동안 시험Block , 17 ,

에 관련된 인력도 상당할 것으로 본다.

실제 구체 구조물에서 획득된 스트레인 또는 스트레스 데이터는 많은 필요치 않은,

균열진전에 영향을 미치지 않는 데이터가 포함이 되어 있으며 이를 시험실에서( ) ,

재현 시험을 한다는 것은 시간적 인력적으로 많은 손해를 초래할 수 있다· .

응축하중은 실제 구조물에서 확득한 데이터에서 강도에 영향을 미치지 않는 데이터

를 걸러내어 압축시킨다는 의미를 가지�

내구성 시험용 랜덤 응축 하중 가속 시험법 개발 ( )최종보고서 · 2011. 12....

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