표면균열무해화 기법에 의한 SKD61의 신뢰성 향상

Improving Reliability of SKD61 Using Nondamaging Technology

Abstract

Using the fatigue limit (△σ_unsm) and residual stress (σ_r) of the UNSM smooth specimen, the harmless maximum crack depth (α_hml) according to the crack aspect ratio (As) was evaluated. α_hml evaluated the reliability in the relationship between the minimum crack depth (α_NDI1, α_NDI2) detectable by nondestructive inspection(NDI) and the crack depth (α₂₅, α₅₀) that reduces the fatigue limit by 25% and 50%. All α_hml was determined by the crack depth. The α_hml of 80N UNSM with high σ_r and high △σ_unsm was found to be large. σ_r in the depth direction had a much effect on α_hml. Since α_hml>α₅₀(As=0.6-0.1) and α_hml>α₂₅, α₂₅ and α₅₀(some range) can secure the safety and reliability. Since α_hml<α₅₀ (As=1. 0-0. 6), it cannot be made harmless by UNSM. So safety and reliability cannot be secured. α_NDI1 and α_NDI2 are larger than α₂₅, α₂₅ cannot be detected by NDI. α_NDI1 and α_NDI2 are smaller than α₅₀, α₂₅ can detected by NDI.

1. 서론

최근 고강도강(HSS)의 사용은 구조물의 안전성과 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 높은 경제성을 위하여 경량화하고 있다[1-3]. 그러나 고강도강은 균열이 존재하지 않으면 강도가 우수하지만, 미세한 균열이라도 존재하면 강도는 감소한다[4]. 이러한 문제점 때문에 압축잔류응력을 도입함으로써 구조물의 피로 강도 향상을 연구하고 있다[5-7]. 또한 미세 균열이 존재할 것으로 예측하여, 인공 슬릿부에 피닝하여 균열무해화 기법을 개발하여 구조물의 안전성 및 신뢰성에 관한 연구를 하고 있다[8-12]. 또 다른 연구자들은 표면 개질 방법인 초음파 나노 결정 표면 개질 (Ultrasonic Nano- Crystal Surface Modification; UNSM) 기술을 이 용하여, 고강도강(SCM435, SKD61)의 압축 잔류응력을 도입하고, 피로 강도 개선을 연구하였다 [13,14]. 그러나 균열무해화 기법을 사용한 UNSM 시험편의 연구는 수행하지 않아, UNSM 잔류응력을 사용한 균열무해화의 해석적인 연구를 실시할 필요가 있다.

따라서 본 연구는 공구강 SKD61의 Non- UNSM 평활재의 피로한도( ) 및 하한계응력확  대계수( )를 사용하여 미소 균열 크기에 따  르는 피로한도( )를 평가하였다. 그리고  UNSM 평활재의 피로한도( ) 및 잔류응력( )   을 사용하여 균열 형상비(As)에 따르는 균열무해화 크기( )를 평가하였다. 또한 비파괴검사(NDI)로  검출 가능한 최소 균열 크기(, ), 피로한도를 25%와 50% 감소시키는 균열 크기( ,  )   및  사이의 관계를 평가하였다. 

2. 평가 재료 및 시험편

2.1 평가 시험편

평가 재료는 열간 금형용 합금강으로 부르는공구강 SKD61이다. 평가 형상 시험편은 Fig. 1과같이 판폭 2W=100 mm, 두께 t=10 mm로 응력비 R=0로 굽힘응력을 받는 것으로 가정하였다.

평가 시험편은 균열 깊이(a), 균열 길이(2c)의 반타원 표면균열을 가정하였다. 균열형상비(As=a/c)는 1.0, 0.6, 0.3 및 0.1로 4가지로 설정하였다. A 및C는 각각 균열최심깊이와 균열최표면을 나타낸다.

Fig. 1 Schematic of a finite plate containing a semicircular crack

2.2 잔류 응력 분포

Fig. 2는 UNSM에 의한 압축잔류응력 분포를 나타낸다. UNSM의 압축잔류응력은 문헌[13]에서 인용하였다. UNSM은 주파수 20 kHz이고, 시험편에 가해지는 정하중을 각각 40N , 60 N 및 80 N의 3종류이다. 40 N UNSM, 60 N UNSM 및 80 N UNSM의 표면 압축잔류응력( )은 각각 rsmax –807.5, -1172.4 및 –1410.6MPa이다. 그러나 40 N UNSM의 최대 압축 잔류응력은 약 0.11 mm 깊이에서 –859.2 MPa이고, 60 N UNSM 및 80 N UNSM은 표면이다. Non-UNSM 평활시험편의 피로한도( )는 719 MPa이고, UNSM 평활시험  편의 피로한도( )는 각각 779, 800 및 848  MPa이다. 긴 균열의 하한계응력확대계수   는 11.6 로 하였다[15].

Fig. 2 Distribution of compression residual stress by changing of UNSM load

2.3  의 평가 및 결함 검출 확률 

응력비 R의 굽힘응력을 받는 유한판의 반타원표면균열  의 균열 길이 의존성은 식(1)로 평  가한다[9].

\(\Delta K _ { t h } = 2 \beta \Delta \sigma _ { w } \sqrt { \frac { a } { \pi } } \operatorname { cos } ^ { - 1 } [ \{ \frac { \pi } { 8 \beta ^ { 2 } a } ( \frac { \Delta K _ { t h ( l ) } } { \Delta \sigma _ { w } } ) ^ { 2 } + 1 \} ^ { - 1 } ]\)       (1)

또, 피로한도는 식(2)로 평가한다[9].

\(\Delta K _ { t h } = \Delta \sigma _ { w c } \sqrt { \pi a }\)       (2)

여기서 는 평활시험편의 피로한도, 은긴 균열의 하한계응력확대계수, 는 반타원 균열 깊이다. 형상보정계수 는 Newman-Raju 식[16] 에서 얻어지는 균열최심점(A점) 및 균열최표면(C 점)의 값이다.

응력확대계수 범위()는 식(3)으로 나타낸다.

\(\Delta K _ { T r } = \Delta K _ { a p } + K _ { r }\)       (3)

여기서 ∆는 작용응력으로 Newman-Raju

식[16]으로 평가한 응력확대계수, 은 API- RP579[17]에서 4차 다항식으로 얻어지는 잔류응력분포를 사용한다.

시험편의  조건은 식(4)로 나타낸다.

\(\Delta K _ { T r } = \Delta K _ { t h ( s }\)       (4)

는 A점과 C점을 비교하여, 작은 균열 크기를 사용한다. 그 점을 Fig. 3과 4에 나타내었다.

은 2c＝0.6 mm, a=0.3 mm의 반원 균열 면적, 균열 깊이  이다. 한편, 60％ 검출확률  의 피로균열 치수를 2c=1.4 mm, a=0.25 mm의반원 균열면적  , 균열 깊이  이다. 초음   파탐상법의 균열면적은 에코 강도에 의존한다. 반타원균열의 면적(S)는 이고, 균열형상비(As)가 달라도, 반타원 균열 면적S가 같으면, 균열검출확률은 같다. 그래서 NDI로 검출 가능한 최대 균열 깊이 와 의 관계는 식(5)로 나타  낸다[18].

\(S _ { N D I } = \pi a _ { N D I } ^ { 2 } / 2 A _ { s }\)       (5)

3. 결과 및 고찰

3.1  의 평가 

Fig. 3과 4는 균열 깊이에 따르는 과  의 관계를 나타낸다. (a)(b)(c)(d)는 각각 As=1.0, 0.6, 0.3 및 0.1의 결과이다. 여기서  는 Non-  UNSM 평활시험편의 피로한도( ) 719 MPa을  식(1)에 대입하여 평가하였다.  은 Newman-  Raju 식[16]에 의한  와 API-RP579[17]의 압  축잔류응력 식에 의한  의 합이다. 여기서    에 사용한 작용응력은 UNSM 평활시험편의 피로 한도( )를 사용하였다. 즉, 40 N UNSM, 60  N UNSM 및 80 N UNSM는 각각 779, 800 및 848 MPa을 사용하였다. 또한,  의 평가는 Fig. 2  에 나타낸 40 N UNSM, 60 N UNSM 및 80 N UNSM의 잔류응력을 API-RP579[17]에 의한 4차 다항식을 각각 사용하였다.

Fig. 3 Evaluation of  by UNSM for Point A. (a) As=1.0, (b) As=0.6, (c) As=0.3, (d) As=0.1

Fig. 4 Evaluation of  by UNSM for Point C. (a) As=1.0, (b) As=0.6, (c) As=0.3, (d) As=0.1

Fig. 3과 4는 각각 A점 및 C점의 결과이다. Fig. 3과 4에서 A점 및 C점의  는 모두   에 대하여,  와  의 교차점 ●을    나타내었다. 그러나 C점의 교차점은 A점보다 크게나타나서  결정 조건인 식(4)에 의하여, UNSM  시험편의  은 모두 A점에서 결정되었다. 

은 80N UNSM (=848 MPa)이 가장크게 나타났다. 그러나 40 N UNSM (  =779 MPa)의  은 As=1.0-0.3 범위에서 60 N  UNSM ( =800 MPa)보다 크다. 이것은 40  N UNSM의 잔류응력이 60 N UNSM의 것보다더 깊게 도입되었기 때문이다. 즉 표면의 잔류응력 크기보다, 깊이 방향의 잔류응력이  에 더  큰 영향을 미친다는 것을 의미한다. 따라서 큰  을 얻기 위해서는 표면의 잔류응력 크기보다  깊이 방향을 더욱 깊게 도입할 필요가 있다.

3.2 표면균열무해화 기술의 SKD61 안전성 및 신뢰성

Fig. 5는 Non-UNSM 평활시험편의 피로한도가 25% 또는 50% 감소하는 균열 깊이(  ),     및 NDI에서 검출 가능한 균열 깊이(  )   를 나타내었다. (a)(b)(c)는 각각 40 N UNSM, 60 N UNSM 및 80 N UNSM의 결과이다. As가 작아짐에 따라서  및  은 감소하였다. 피로한도   25％ 및 50% 감소하는 피로균열  는 무해화 가 

능 균열 크기 보다 아래쪽에 있으므로 UNSM 으로 무해화 가능하다. 그러나  은 As=1.0-0.6  범위에서  보다 위쪽에 있어 UNSM으로 무해  화 불가능하지만, As=0.6-0.1 범위에서  보다  아래쪽에 있어 UNSM으로 무해화 가능하다. NDI 의 균열 검출 능력(  )은 피로한도 25％   피로균열 보다 위쪽에 있으므로 NDI로 의 균열을 검출할 수 없지만, 피로한도 50% 감소하는 피로균열  보다 아래쪽에 있으므로 비파괴검  사로  의 균열은 검출할 수 있다. 따라서 검출  불가능한 균열은 더욱 고정도인 NDI 기술을 적용할 필요가 있다.

Fig. 5 As dependence on , ,  and  . (a) 40 N UNSM, (b) 60 N UNSM,  (c) 80 N UNSM

4. 결론

본 연구는 SKD61강의 , ,  및 3종류의 UNSM 하중에 의한 잔류응력 분포를 사용하여,  의 As 의존성을 평가하였다. 또한,   은 (  )와 (  )의 관계에서 신뢰      성을 평가하였다. 얻어진 결론은 다음과 같다.

(1) UNSM 시험편의 은 모두 깊이()에서 결정되었다. 압축 잔류응력 분포는  에  영향을 미치지만, 압축 잔류응력이 크고,  가 큰 80N UNSM의  이 크게 나   타났다.

(2) 한편 UNSM 60 N의 잔류응력보다 더 깊게 도입된 UNSM 40 N의  은 As=1.0–0.3  범위에서 더 크다. 표면의 잔류응력 크기보 다, 깊이 방향의 잔류응력이  에 더 큰  영향을 미치므로. 표면의 잔류응력 크기보다 두께 방향으로 더욱 깊게 도입할 필요가 있다.

(3) ＞ 및 As=0.6-0.1 범위에서 > 이므로  및 일부 범위의  는 강의 안   전성 및 신뢰성을 확보할 수 있으나, As=1.0-0.6 범위에서  < 이므로, UNSM   으로 무해화 불가능하여, 강의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 없다.

(4) ()>이므로 NDI로 의 균열을 검출할 수 없지만, , <이므로 NDI로  의 균열은 검출할 수 있다. 