X선회절에의한SS41불림재 및 M.E.F.복합조직강의 피로파단면 해석에 관한 연구 = (A) Study on Fatigue Fractured Surface Analysis in Normalized SS41 Steel and M.E.F. Dual Phase Steel Using X-ray Diffraction Technique

국문 초록 (Abstract)

산업고도화에 따른 에너지, 해양 및 우주개발등의 추세에 의해 기계요소와 구조물들은 더욱 경량화, 환경가혹화 및 대형화되고 있으며, 안전성 확보 및 신뢰성 향상의 관점에서 기계적 성질과 가공성을 향상시킨 경제성이 좋은 재료를 더욱 요구하게 되었다.
자동차 산업의 발달과 더불어 복합조직강과 같이 높은 강도를 가지면서 우수한 성형성과 간단한 열처리에 의하여 재질개선이 가능한 재료에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 M.E.F.(martensite encapsulated island of ferrite)복합조직강은 연결상인 페라이트(ferrite)와 이를 둘러싼 경질상인 마르텐사이트(martensite)조직으로 구성된 2상 혼합조직이며, 이와 반대의 형태를 가진 F.E.M.복합조직강보다 항복 및 인장강도가 높으며, 피로 크랙 전파 저항이 더 우수한 것으로 보고되고 있다. X선 회절에 의한 파손해석은 기존의 기계요소의 파손사고의 원인규명수단으로서 일반적으로 널리 사용되는 전자현미경을 이용한 파면해석(electron fractography)방법에서 얻을 수 없는 유익한 정보를 얻을 수 있다.
한편 X선 회절법에 의한 파면해석인 X선 프랙토그래피(X-ray fractography)는 파면의 X선 관찰에서 얻어지는 X선 파라미터(잔류응력, 반가폭, 회절도형)의 특징으로 파괴양식의 판별, 파괴의 역학적 조건과 균열전파수명의 추정 또는 파괴의 미시적 기구를 논하는 방법이다. 이 방법은 파면상태를 나타내는 것이 아니라 파면근방의 격자변형상태에 관한 정보를 나타내는 것으로서, 표현을 전해연마등으로 제거하면 파면뿐 아니라 파면직하의 재료내부에 관한 정보를 알 수 있기 때문에 새로운 방법으로서의 가치가 있다.
본 연구에서는 불림처리하여 내부잔류응력을 제거하고 결정조직을 균질화시킨 SS41불림재와 경질인 마르텐사이트상이 연질의 페라이트상을 둘러싸고있는 복합조직으로 이루어진 M.E.F.복합조직강에 대해서 피로균열진전거동과 파괴역학적 조건과의 관계를 고찰하여, 파면상 및 파면하의 X선 파라미터와 파면형성시의 파괴역학파라미터를 비교검토하였고, 피로파면을 순차적으로 전해연마하면서 X선 파라미터의 변화로 소성역크기를 추정 할 수 있는 가능성을 검토하였다.
본 연구를 통하여 얻어진 결과는 다음과 같다.
1) X선 회절에 의해 잔류응력을 측정하였을 때, 무하중 상태에서 SS41불림재는 잔류응력이 나타나지않았으나, M.E.F.복합조직강은 잔류응력이 존재하였다. 이것은 SS41불림재는 결정조직이 변형되지않은 상태로 되어있고, M.E.F.복합조직강은 변형된 결정조직(마르텐사이트에 의하여 구속된 페라이트)이 있기 때문이다.
2) 피로균열진전에서 SS41불림재는 응력비 의존성이 별로 보이지 않았나, M.E.F.복합조직강의 경우는 응력비 의존성이 나타났다.
3) SS41불림재는 파면수직방향의 소성역크기의 결정은 파면하의 잔류응력의 분포로는 할 수 없었으나, 반가폭의 분포로는 가능하였다.
4) M.E.F.복합조직강은 파면수직방향의 소성역크기의 결정은 파면하의 반가폭의 분포로는 할 수 없었으나, 잔류응력의 분포로는 가능하였다.
5) 파면하의 X선 파라미터(잔류응력, 반가폭)의 분포로 부터 최대응력확대계수 K_(max)의 의해 형성된 단조소성역영역에 대응하는 파면수직방향의 소성역크기를 결정할 수 있고, 다음식으로부터 K_(max)의 규정이 가능하였다.
SS41불림재 : K_(max) = σ_(y)(w_(y)/0.136)^(1/2)
M.E.F.복합조직강 : K_(mat) = σ_(y)(w_(y)/0.143)^(1/2)

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study verified the relationship between fracture mechanics parameters and X-ray parameters for normalized SS41 steel with homogeneous crystal structure and M.E.F. dual phase steel (Martensite encapsulated islands of ferrite). The change in X-ray parameters (residual stress, half value breadth) accorking to loading history, stress ratio and plastic strain were investigated through fatigue crack propagation test. The experimental results obtained were as follows.
1. In case of the measurement of residual stress by X-ray diffraction technique, normalized SS41 steel had no the residual stress σ_(r) but M.E.F. dua1 phase steel did σ_(r) under no loading condition. The reason is that normalized SS41 steel has the non deformed crystal structure and M.E.F.dua1 phase steel has the deformed crystal structure (ferrite) encapsulated by martensite.
2. Normalized SS41 steel were independent upon the stress ratio R, but M.E.F.dua1 phase steel were dependent upon R in the crack propagation test.
3. In normalized SS41 steel the depth of maximum plastic zone w_(y) from the fatigue fracture surface could not be determined on the basis of the distribution of the residual stress σ_(r), but determined on the basis of the distribution of the half value breadth B.
4. In M.E.F. dud phase steel the depth of maximum plastic zone w_(y) from the fatigue fracture surface could not be determined on the basis of the distribution of the half value breadth B, but determined on the basis of the distribution of the residual stress σ_(r)
5. The depth of maximum plastic zone w_(y) was determined on the basis of the distribution of X-ray parameters(σ_(r), B) correspending to the monotonic plastic deformation region formed by the maximum stress intensity factor. It is possible to determine the maximum stress intensity factor.
Normalized SS41 steel : K_(max) = σ_(y)(w_(y)/0.136)^(1/2)
M.E.F. dual phase steel : = K_(max) = σ_(y)(w_(y)/0.143)^(1/2)

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅲ
• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 이론적 배경 = 4
• 1. X선 응력측정 원리 = 4
• 2. X선 응력측정의 기초이론 = 7
• Ⅲ. 실험장치 및 방법 = 12
• 1. 시험편재료 = 12
• 2. 피로균열진전실험 = 21
• 3. X선 회절실험 = 23
• 가. X선 회절조건의 결정 = 23
• 나. 피로균열진전시험편에서의 X선 피라미터 측정 = 26
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 = 29
• 1. 피로균열진전거동 = 29
• 2. 파면하의 X선 파라미터의 변화거동 = 31
• 가. 파면하의 잔류응력분포 = 31
• 나. 파면하의 반가폭 분포 = 34
• 다. 소성역깊이 W_(y)와 최대응력확대계수 K_(max)와의 관계 = 38
• Ⅴ. 결론 = 41
• 참고문헌 = 43
• Abstract = 46