니켈 합금의 피로 강도: 순환 하중 적용 분야에 대한 S-N 곡선

니켈 합금사용 수명 동안 수백만 또는 수십억 번의 응력 주기가 발생하는 구성 요소에 대해 자주 지정됩니다. - 터빈 블레이드, 펌프 샤프트, 해양 고정 장치, 해저 부속품. 해당 임무에 대해 인장 강도와 항복 강도는 설계에 잘못된 수치입니다. 지배적인 특성은 S-N 곡선에서 읽은 피로 강도입니다. 니켈 합금은 대부분의 엔지니어가 처음에 배우는 탄소강과 곡선에서 다르게 동작하며, 그 차이로 인해 안전한 설계 수명을 계산하는 방법이 달라집니다.

S-N 곡선이란 무엇이며 니켈 합금에 대해 무엇을 알려줍니까?

S-N 곡선은 재료가 견딜 수 있는 반복 응력(S)을 파손 주기 수(N)에 대해 표시하여 설계자에게 정적 인장 시험이 제공할 수 없는 단 하나의 정보, 즉 부품이 일회 하중이 아닌 반복 하중에서 얼마나 오래 생존하는지-제공합니다.

인장 테스트는 재료가 한 번 파손되는 힘이 얼마나 되는지에 대한 단일 질문 -에 대한 답입니다. 그런 식으로 실패하는 실제 구성 요소는 거의 없습니다. 샤프트는 수백만 번 회전하고, 압력 용기는 시동 및 정지 시마다 순환하며, 터빈 블레이드는 초당 수천 번 진동합니다. 각 사이클은 재료의 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력 수준에서도 눈에 보이지 않는 소량의 손상을 입히며 균열이 시작되어 파손될 때까지 손상이 누적됩니다. S-N 곡선 -은 Wöhler 곡선이라고도 하며, 이는 테스트 -를 개척한 19세기-세기 엔지니어가 서로 다른 응력 수준에서 동일한 표본을 순환시키고 각각이 생존하는 주기 수를 기록하여 구축된 것입니다. 고장 주기의 대수에 대한 응력을 표시하면 하향-경사 곡선이 생성됩니다. 응력이 높을수록 고장 주기가 적어지고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

니켈 합금 부품의 경우 S-N 곡선은 인장 사양 시트가 할 수 없는 실제적인 질문에 답합니다. 즉, 이 부품이 실제로 사용 중에 보게 될 응력 진폭에서 피로 균열이 위험이 되기 전에 몇 번의 사이클 - 및 몇 년 -을 실행할 것으로 예상할 수 있습니까?

니켈 합금에도 탄소강처럼 실제 피로 한계가 있습니까?

일반적으로 - 대부분의 니켈 초합금에는 엔지니어가 특정 응력 이하에서 탄소강을 "무한 수명"이라고 부를 수 있는 날카롭고 편평한 무릎이 없습니다. 대신 S-N 곡선은 10⁶ 사이클이 훨씬 지난 후에도 계속 완만하게 아래쪽으로 기울어지므로 니켈 합금 피로 강도는 무조건적인 한계로 처리되기보다는 명시된 사이클 수에서 정의되어야 합니다.

일반 탄소강과 저{0}}합금강은 특정 응력 진폭 아래에서 S-N 곡선이 본질적으로 평평해지고 해당 응력 이하에서 테스트된 시편은 무기한 생존한다는 특징으로 피로 테스트에서 유명합니다. 이러한 평평한 영역은 고전적인 "내구 한계"이며 기계 설계에서 가장 편리한 사실 중 하나입니다. - 그 범위를 벗어나지 않으며 사이클 수에 관계없이 피로 파괴는 문제가 되지 않습니다.

Inconel 718과 같은 니켈{0}}계 초합금은 일반적으로 이러한 거동을 명확하게 나타내지 않습니다. Inconel 718에 대해 공개된 높은- 및 매우{4}}높은-주기 피로 테스트에서는 S-N 곡선이 높은-주기 영역(대략 10⁵ ~ 107주기)을 통해 꾸준히 감소한 다음 딱딱하고 평평한 선-이 아닌 약 10⁶ ~ 10⁹ 주기에서 얕은 고원을 형성하고 피로 강도가 내부에서도 여전히 천천히 감소하는 것을 발견했습니다. 그 고원. 실제로 이는 니켈 합금의 "피로 강도" 또는 "내구 한계"로 인용된 숫자가 무한 수명의 증거가 아닌 실제 런아웃으로 처리되는 - 일반적으로 107 또는 10⁸ 사이클에서 측정된 사이클 수와 함께만 의미가 있음을 의미합니다.

일반적인 니켈 합금의 일반적인 피로 강도 값은 무엇입니까?

보고된 매끄러운-바 피로 강도 값의 범위는 107~10⁸ 주기에서 일반 단조 니켈 합금 전반에 걸쳐 대략 410~620MPa(60,000~90,000psi)입니다. 그러나 테스트 방법과 조건은 소스마다 다르기 때문에 이 수치는 상호 교환 가능한 설계 값이 아니라 예시 참조점으로 읽어야 합니다.

출처: 인코넬 625 데이터: Special Metals Corporation, INCONEL 합금 625 기술 게시판. Inconel 718 데이터: 20Hz 테스트 주파수에서 Basquin 내구성 한계 및 HCF 강도를 보고하는 높음/매우{4}}높음-주기 피로 연구입니다. Monel K-500 데이터: TMS Superalloys 회의 진행, 합금 625Plus, 718, 725 및 K-500의 피로 및 부식 피로 특성. 값은 보고된 제품 형태, 열처리, 시편 형상 및 테스트 방법에 따라 다릅니다. 다른 조건에 직접 적용하지 마십시오.

두 가지 패턴이 눈에 띕니다. 첫째, 이러한 니켈 합금 클러스터에 대한 인장 강도의 일부인 피로 강도는 단조 금속에 대해 일반적으로 인용되는-의-어림 비(대략 최대 인장 강도의 약 1-3분의 1-절반)와 대체로 유사한 범위에 있지만, 이 비율은 특정 합금 및 조건에 대한 근사치일 뿐 보장은 아닙니다. 둘째, Inconel 625 매끄러운 값과 노치 값 사이의 차이는 왜 합금 선택만으로는 피로 성능 - 기하학과 표면 상태가 화학만큼 바늘을 움직이는지 결정하지 못하는 이유를 보여줍니다.

노치 또는 응력 집중은 니켈 합금 피로 강도를 얼마나 감소시킵니까?

어닐링된 인코넬 625에 대해 실질적으로 - 발표된 데이터는 적당한 응력 집중(Kt=3.3)에서 약 620 MPa에서 약 241 MPa로 떨어지는 피로 강도를 보여줍니다. 이는 약 61% 감소하여 필렛 반경, 나사 뿌리 및 가공 마크를 1차 피로 설계 변수로 만듭니다.-

응력 집중 계수 Kt는 기하학적 특징 - 필렛, 키홈, 스레드 루트, 날카로운 모서리 -가 단면적만으로 계산된 공칭 응력 이상으로 국부 응력을 증폭시키는 정도를 설명합니다.- 정적 하중 하에서 연성 금속은 종종 결과 없이 국부 응력을 소성적으로 재분배할 수 있습니다. 주기적 하중 하에서는 일반적으로 불가능합니다. 균열은 가장 높은 국부 응력 지점에서 우선적으로 시작되므로 노치 피로 강도는 데이터 시트의 부드러운-바 값이 아니라 실제로 부품의 수명을 좌우합니다.

인코넬 625 예는 효과의 규모를 보여줍니다. 적당히 날카로운 필렛(Kt=3.3)보다 더 심각하지 않은 기하학적 특징은 매끄럽고 광택이 나는 시편에 비해 합금의 10⁸-주기 피로 강도를 약 61% 줄입니다. 이것이 바로 피로-에 민감한 니켈 합금 부품이 넉넉한 필렛 반경, 높은 응력 영역의 연마 또는 연삭 표면, 설계 단계에서 비용이 거의 들지 않지만 S-N 곡선이 보여 주는 제어된 반경 - 형상 결정으로 지정된 스레드 루트로 설계되는 이유입니다. 이는 단순히 더 강한 합금을 선택하여 나중에 복구할 수 없습니다.

표면 마감은 피로 수명에 어떤 영향을 미칩니까?

표면이 거칠수록 피로 균열은 거의 항상 표면에서 시작되기 때문에 피로 강도가 감소합니다. 따라서 기계 가공 흔적, 긁힘 또는 -주조 질감은 하나의 특징뿐만 아니라 하중이 작용하는 표면 전체에 걸쳐 작고 분산된 응력 집중으로 작용합니다.

피로는 대부분의 경우 표면에서 시작되는 고장 모드이기 때문에{0}}제조 공정에서 남겨진 미세한 봉우리와 골은 마치 작은 노치 집단처럼 행동합니다. 거칠게 가공되거나 단조된- 표면은 동일한 합금 및 형상의 연마 또는 광택 처리된 표면에 비해 피로 강도를 상당히 줄일 수 있습니다. 이는 게시된 S-N 데이터가 일반적으로 시편 표면 상태를 설명하고 피로-중요 니켈 합금 부품이 종종 치수 공차뿐만 아니라 최대 표면 거칠기 값으로 지정되는 이유입니다.

쇼트 피닝 및 기타 압축 표면 처리는 반대 방향으로 작용하여 의도적으로 표면에 잔류 압축 응력을 도입하여 균열 발생을 지연시키고 측정된 피로 수명을 향상시킵니다.

온도는 니켈 합금 피로 강도에 어떤 영향을 미칩니까?

니켈 초합금은 일반적으로 다른 많은 합금 계열보다 높은 온도에서 높은-주기 영역에서 피로 저항을 잘 유지하지만 매우-높은-주기 피로 강도는 여전히 높은 온도에서 감소하므로 실온에서 수집된 피로 데이터를 사용 온도에서 직접 적용한다고 가정해서는 안 됩니다.

실내 온도와 650도(1,200도 F) 거동을 비교한 Inconel 718에 대한 연구에서는 온도 상승이 약 10⁸ 사이클 미만에서는 피로 ​​저항에 미미한 영향만 미쳤지만 10⁸ 사이클 이상의 매우-높은- 사이클 영역에서는 피로 ​​강도가 크게 감소한 것으로 나타났습니다. 이 패턴은 애초에 열간 단면 터빈 및 제트 엔진 구성요소에 니켈 초합금이 선택되는 이유와 일치합니다. 니켈 초합금의 강화 석출물은 대부분의 강철을 훨씬 더 심각하게 연화시키고 피로 약화시키는 온도에서 안정적으로 유지됩니다.{11}}

그럼에도 불구하고, 높은 온도에서 VHCF 강도가 떨어진다는 사실은 실온-S-N 데이터만을 기반으로 한 합금 선택이 대부분의 서비스 수명을 뜨겁게 보내는 부품의 피로 수명을 과대평가할 수 있다는 점을 강조합니다.

부식-피로 서비스에서 니켈 합금이 스테인레스강보다 성능이 뛰어난 이유는 무엇입니까?

니켈 합금은 스테인리스강의 부식-피로 균열을 유발하는 구멍 및 틈새 공격에 저항합니다. 이것이 바로 두 재료가 건조한 공기에서 비슷한 피로 강도를 보이는 경우에도 해수 및 기타 염화물이 풍부한 환경에서 주기적으로 하중을 받는 구성요소에 대해 니켈 합금이 스테인리스보다 자주 지정되는 이유입니다.{1}}

피로 균열에는 시작점이 필요하며, 부식성 환경에서 시작점은 제조 결함이 아닌 부식 구멍인 경우가 많습니다. 스테인레스강의 내식성은 염화물 이온이 국부적으로 분해될 수 있는 얇은 수동 크롬-산화막에 따라 달라집니다. 피트는 주기적 하중 하에서 응력 집중 장치 역할을 하여 -건조 공기 값보다 훨씬 낮은 피로 강도를 저하시킵니다-.

크롬, 몰리브덴 및 니켈 함량이 높은 니켈 합금은 필름 파손을 훨씬 더 효과적으로 국부적으로 방지합니다. 해양 패스너 합금에 대한 업계 지침에 따르면 특정 니켈{0}}구리 및 니켈-크롬-몰리브덴 합금은 해수 부식에 효과적으로 면역되고 해당 환경에서 탁월한 피로 저항성을 보이는 반면, 비슷한 스테인리스 등급은 물 속에 있을 때 안정적으로 작동하려면 음극 보호가 필요할 수 있습니다. 수백만 번의 응력 주기와 지속적인 염화물 노출을 견뎌야 하는 부품의 경우, 이러한 부식-피로 저항은 종종 건조-공기 S-N 곡선만으로는 합금 선택-을 결정하는 요소가 아닙니다.

S-N 데이터를 실제 부품 설계에 어떻게 적용해야 합니까?

설계 엔지니어는 S-N 곡선에 안전계수를 적용하고 구성 요소에 표시되는 실제 평균 응력을 수정하며(대부분의 게시된 S-N 데이터는 완전히 반대임) 최상의-케이스 매끄러운-바 숫자가 아닌 가장 낮은 관련 피로 강도 -노치, 부식 또는 상승된-온도-로 설계합니다.

이 문서의 값을 포함하여 대부분의 게시된 S-N 데이터는 완전히 역방향 하중(인장과 압축 사이의 동일한 응력 순환, 평균 응력 0)에서 생성됩니다. 실제 구성품은 일정한 토크와 진동이 있는 샤프트에 -0이 아닌 평균 응력({3}})을 전달하는 경우가 많으며, 압력 용기는 완전히 감압되지 않습니다. 엔지니어는 일반적으로 허용 교번 응력을 완전히 역전된 피로 강도 및 재료의 극한 인장 강도와 연관시키는 Goodman 선과 같은 평균{5}}응력 관계를 사용하여 이를 수정합니다. 평균 응력이 증가하면 부품이 안전하게 견딜 수 있는 교번 응력이 감소합니다.

적절한 안전 계수와 관련 있는 경우 위에서 설명한 노치 및 높은 온도 조정이 결합되어 실험실 S-N 곡선을 데이터 시트에서 직접 가져온 숫자가 아닌 허용 가능한 설계로 전환합니다.

다양한 소스의 S-N 곡선을 직접 비교할 수 없는 이유는 무엇입니까?

테스트 방법, 응력 비율, 시편 형상 및 표면 마감은 모두 합금 화학과 관계없이 S-N 곡선을 이동시키기 때문에 "동일한" 합금에 대한 두 개의 피로 강도 수치는 틀리지 않고 크게 다를 수 있습니다. - 이들은 단순히 서로 다른 테스트 조건을 설명합니다.

이것이 이 문서에 포함된 모든 단일 S-N 번호를 설계 값의 저하가 아닌 시작 참조로 처리하는 실질적인 이유입니다.- 피로 수명 계산에 사용하기 전에 소스 데이터의 로딩 모드, 응력 비율, 시편 조건 및 온도가 실제 응용 프로그램과 일치하는지 항상 확인하십시오.

자주 묻는 질문

Q: 니켈 합금에도 강철처럼 내구성 한계가 있습니까?

A: 일반적으로 고전적인 의미는 아닙니다. 대부분의 니켈 초합금은 날카로운 평탄한 무릎 대신 지속적으로 점진적으로 감소하는 S-N 곡선을 나타내므로 피로 강도는 일반적으로 무조건적인 무한{4}}수명 한계가 아닌 특정 사이클 수(종종 107 또는 10⁸)로 보고됩니다.

Q: 인코넬 625의 피로강도는 얼마나 됩니까?

A: 어닐링 냉간 압연-인코넬 625 시트에 대해 게시된 데이터는 역 굽힘에서 10⁸ 주기의 부드러운 시편에 대해 약 620 MPa(90,000 psi)를 보고하며 중간 응력 농도(Kt=3.3)에서 약 241 MPa(35,000 psi)로 떨어집니다.

Q: 노치가 니켈 합금 피로 강도를 얼마나 감소시키나요?

답변: Kt가 3.3인 인코넬 625의 경우 10⁸ 주기에서 발표된 피로 강도는 부드러운 시편에 비해 약 61% 떨어집니다. - 이는 피로가 중요한 설계에서 필렛과 스레드-루트 형상이 합금 선택만큼 중요한 이유를 보여줍니다-.

Q: 온도가 니켈 합금 피로 강도를 감소시키나요?

답변: 니켈 초합금은 일반적으로 높은-사이클 범위의 높은 온도에서 잘 견디지만, Inconel 718에 게시된 데이터는 대략 10⁸ 사이클 이상의 매우-높은-사이클 범위에서 높은 온도에서 피로 강도가 더 눈에 띄게 떨어지는 것을 보여줍니다.

Q: 순환 하중을 받는 해양 부품에 스테인리스강 대신 니켈 합금을 선택하는 이유는 무엇입니까?

A: 염화물-이 풍부한 환경에서는 부식 구멍으로 인해 피로 균열이 발생합니다. 니켈 합금은 많은 스테인리스 등급보다 국부적인 피막 파괴에 더 효과적으로 저항합니다. 이것이 바로 건조-공기 피로 강도가 비슷할 때에도 주기적으로 부하가 가해지는 해수 부품용으로 자주 지정되는 이유입니다.

Q: 한 데이터 시트의 S-N 값을 다른 데이터 시트와 직접 비교할 수 있습니까?

A: 하중 모드, 응력 비율, 시편 표면 상태 및 온도가 일치하는 경우에만 해당됩니다. 그렇지 않으면 두 숫자는 서로 다른 테스트 조건을 나타내며 동일한 합금에 대해서도 직접 비교할 수 없습니다.