공구강의 피로 파괴

아무도 보지 않은 곳에서 피로 균열이 시작되는 이유

피로 파괴는 국부 응력이 단면의 공칭 응력보다 높은 곳에서 시작되며, 최대값이 강의 항복 강도 이하로 유지되는 반복 하중 하에서 성장합니다. 그 결과 발생하는 파단면은 두 개의 영역을 가지는데, 균열이 사이클마다 진행된 매끄러운 점진적 영역과 남은 단면이 파단된 더 거친 최종 영역입니다. 단면에 대한 점진적 영역의 크기는 부품이 실제로 받고 있던 하중의 직접적인 척도이며, 이것이 절단 전에 두 영역을 촬영할 가치가 있는 이유입니다.

기점의 위치는 공구 제작 현장이 조치할 수 있는 분석 부분인데, 이는 거의 항상 누군가가 가공한 형상이기 때문입니다. 기계 가공 홈, 각인 자국, 연삭 골, 날카로운 내부 코너, 개재물, 탈탄층, 부식 피트는 모두 노치이며, 노치는 깊이와 반경에 의해 결정되는 계수만큼 공칭 응력을 증폭시킵니다. 아래 표는 출처에서 다루는 부위를 나열하고, 각 부위가 애초에 존재해야 하는지를 결정하는 공정 점검 사항과 짝지어 보여줍니다.

공구에서 피로 균열이 시작되는 위치, 해당 형상이 응력을 집중시키는 이유, 그리고 그 부위를 공정 단계와 연결하는 점검 사항. 출처의 고장 식별 섹션에서 편집함.

시점에 관한 두 가지 사실이 논의의 가치를 결정합니다. 단순 피로에서는 균열 개시가 전체 수명의 약 90퍼센트를 차지할 수 있으므로, 부품은 발견할 균열이 생기기 전에 수명의 거의 전부를 소비하며, 서류상 넉넉해 보이는 검사 주기가 수명의 대부분이 될 수 있습니다. 접촉부에 프레팅도 존재하면 개시는 수명의 약 55퍼센트로 떨어지고 강도 감소 계수는 2에서 5 이상으로 상승하는데, 이것이 움직이도록 설계되지 않은 체결부가 공구를 조기에 잃는 매우 효과적인 방법인 이유입니다. 그 쌍의 프레팅 측면은 다음에서 다룹니다 공구의 프레팅 마모.

균열을 시작시키지 않고 부품에 마킹하기

식별 마크는 공구가 완성된 후에 적용되며 설계의 일부가 아니며, 바로 그 점이 문제를 일으킵니다. 출처는 선호 순서에 대해 직접적으로 언급합니다. 양각 문자는 음각 문자보다 좋은데, 양각 마크는 금속을 변위시키는 대신 재료를 추가하기 때문입니다. 마크를 음각해야 하는 경우에는 냉간 공정보다 열간 공정이 선호되며, 마킹 잉크가 전기 에칭 펜이나 진동 조각기보다 선호됩니다. 그 세 가지 음각 방법은 모두 냉간 강 각인보다 여전히 덜 해롭습니다. 각인이 불가피한 경우에는 문자의 날카로운 모서리를 제거한 저응력 각인, 또는 무딘 각인이 손상을 가장 적게 주며, 특히 각인이 얕을 때 그러하며, 각인은 필렛이나 단면 변화 옆이 아니라 알려진 저응력 부위에 위치해야 합니다. 길고 곧은 획을 가진 문자가 균열을 시작시킬 경향이 가장 큽니다.

출처에서 제시한 순서대로 식별 마킹 방법, 표면에 가장 덜 손상되는 것부터 가장 손상되는 것까지. 출처: 기사 Fatigue Failures의 식별 마킹 규칙.

환경이 개입할 때

부식 피로는 반복 응력과 환경의 조합으로, 어느 하나만으로는 부품을 균열시키지 않습니다. 그 실제적 특징은 주 균열 옆의 작은 균열 그룹, 표면에 압착된 부식 생성물, 그리고 매 사이클의 압축 반주기가 두 면을 함께 눌러 마모되고 변색된 기원부입니다. 탄소강에서 균열은 종종 반구형 부식 피트에서 시작되지만, 피팅이 필수 조건은 아니며, 경로는 일반적으로 입계를 통과하며 약간의 분지를 보입니다. 균열의 수는 유용한 판별 기준입니다. 여러 부식 피로 균열은 종종 평행 경로를 따라 나란히 성장하는 반면, 기계적 피로 균열은 같은 영역의 여러 지점에서 시작될 수 있지만 균열이 멀리 진행되기 전에 그 중 하나가 지배적이 됩니다.

검사 순서가 중요하며, 증거를 읽기 전에 파괴하기 쉽습니다. 출처에서 제시한 첫 단계는 셀룰로오스 아세테이트 테이프나 플라스틱 복제 재료로 파단면을 스트립하여 나중 분석을 위해 침전물을 포집하는 것입니다. 그런 다음 부품을 초음파 탱크에서 시약 등급 아세톤으로 세척 및 탈지하는데, 아세톤은 셀룰로오스 아세테이트 잔류물을 제거하고 자분 탐상 현탁액과 대부분의 액체 침투제를 용해하기 때문입니다. 브러시로 용매를 적용하는 것은 구체적으로 이 방법이 아닙니다. 기원부의 부식 생성물은 저배율에서 오도할 수 있으며, 구형 또는 결절형 산화물이 입계 파면으로 쉽게 오인될 수 있으므로 외관만으로 결론을 내려서는 안 됩니다.

합격 결정에 반영할 수치는 피로 한계인데, 이는 환경에서 살아남지 못하기 때문입니다. 연강의 피로 한계는 전기화학적 전위에 따라 수성 조건에서 제거되며, 파괴를 일으키는 데 필요한 응력 범위는 시간과 사이클 수가 증가함에 따라 점진적으로 감소합니다. 이것이 부식 피로 시험이 총 수명이 아닌 환경에서의 균열 성장 속도를 측정하는 이유이며, 습윤 또는 수소 함유 서비스에서 반복되는 부품이 공기 중에서 측정된 한계에 대해 출하될 수 없는 이유입니다.

공구가 구르거나 미끄러지는 접촉 피로

접촉 피로는 반복 구름 또는 구름과 미끄럼이 결합된 두 곡면의 파괴이며, 중요한 응력은 부품이 움직일 때 방향이 반전되는 교번 전단 응력입니다. 순수 구름에서 그 전단 응력은 표면 약간 아래에서 최대가 되므로 외부에서 건전해 보이는 재료에서 균열이 시작될 수 있고, 나중에 피트로 표면에 도달합니다. 미끄럼이 추가되면 마찰이 최대 전단 응력을 표면에 더 가깝게 이동시키고 그 크기를 증가시키므로, 기어 이는 접촉이 순수 구름인 피치 라인 위가 아니라 피치 라인 옆에서 피팅됩니다. 마이크로피팅은 다시 더 미세한 규모로 재료를 제거하며, 하중에 비해 너무 얇은 케이스는 케이스와 코어 사이의 계면에서 파괴되는데, 출처는 이 모드를 서브케이스 피로 또는 케이스 크러싱이라고 부릅니다.

이 주제의 용어는 오랫동안 문제였는데, 베어링과 기어 산업이 동일한 손상을 다른 이름으로 불렀기 때문입니다. ANSI/AGMA 1010-E96이 이를 해결하기 위해 발행되었으며, 보고서에서 가장 중요한 두 가지 변경은 스폴링 대신 매크로피팅을, 필링 대신 마이크로피팅을 사용해야 한다는 것입니다.

ANSI/AGMA 1010-E96에 의해 정렬된 접촉 피로 용어, 베어링과 기어 산업이 동일한 손상을 동일한 방식으로 설명하도록 발행됨. 출처: 기사 Fatigue Failures의 표 1.

공구강 주문에서 그 표준의 유용한 부분은 모드와 이를 제어하는 요인 사이의 연결입니다. 아래 표의 다섯 가지 모드 중 세 가지는 윤활의 영향을 받으며, 표면에서 시작하는 모든 모드를 포함하고, 표면 아래에서 시작하는 두 가지는 대신 재료에 의해 결정됩니다. 개재물 기원 접촉 피로는 미끄럼 베어링의 주요 모드이며, 이는 경화 산화물 개재물과 그들이 형성하는 스트링거의 크기와 밀도에 의해 제어되므로 진공 처리 강이 사용되는 이유입니다. 서브케이스 피로는 강 청정도 문제가 아닌 설계 및 열처리 문제이며, 해결책은 케이스 깊이를 늘리거나 코어 경도를 높이는 것이며, 이가 완전 경화되어 취성이 되지 않도록 주의 깊게 적용해야 합니다.

다섯 가지 접촉 피로 모드와 출처에서 각각을 제어한다고 나열한 요인들. 다섯 중 세 가지는 윤활의 영향을 받으며, 기원이 표면에 있는 모든 모드를 포함한다. 출처: Fatigue Failures 기사의 Table 2.

공구강 주문에서 이것이 의미하는 바

피로는 도면, 강재, 현장 작업 관행이 모두 사후에 판독할 수 있는 흔적을 남기는 유일한 파손 모드이며, 동일한 도면으로 또 다른 금형을 만들기 전에 그 판독을 수행할 가치가 있다. 네 가지 항목이 기록에 포함되어야 한다. 실제로 생성된 표면 조도와 필렛 반경, 왜냐하면 노치 계수는 의도가 아니라 형상에 의해 결정되기 때문이다. 모든 식별 마크의 위치와 방법, 왜냐하면 응력이 작용하는 영역의 마크는 설계된 균열 개시점이기 때문이다. 강재의 청정도 수준, 개재물이 문제가 될 만큼 접촉 응력이 높은 경우. 그리고 표면 처리, 왜냐하면 표면의 압축층은 개시 수명을 확보하며 형상을 변경할 수 없는 경우의 표준 해답이기 때문이다. 그 층이 변화시키는 잔류 응력은 다음과 같이 보고된다 공구의 잔류 응력 측정 에서 설명하는 방식으로, 그리고 표면이 시작하는 상태를 결정하는 열처리 단계는 다음에 제시되어 있다 공구강의 담금질 균열. 파단면 자체의 흔적 뒤에 있는 메커니즘은 다음에 제시되어 있다 파단면 특징 및 그 의미, 공구 또는 금형 파손의 단계별 원인은 다음에 있다 공구 및 금형 고장 분석, 그리고 파단이 설명되기 전에 분류되는 방식은 다음에 있다 손상 모드 식별 차트. 충격 및 반복 사용을 위한 인성 등급은 다음 아래에 분류되어 있다 균열 저항성을 위한 공구강, 등급이 흡수하는 충격 에너지는 다음에 기록되어 있다 공구강의 샤르피 충격 시험, 그리고 파괴 인성 데이터는 다음에 있다 공구강 파괴 인성 차트, 그리고 그 수치 뒤의 조직을 검사하는 방식은 다음에 제시되어 있다 공구강 미세조직.

출처: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.