혼합모드 하중조건에서 균열닫힘을 통한 피로거동해석 = Analysis of Fatigue Behavior by Crack Closure on Mixed-mode Loading Condition

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Both dynamic machines such as vehicles and static structures operate under mixed loads instead of a single load. Although a crack grows under single load apparently, real crack does not grow with self similarity because of boundary conditions and material properties. In that sense, even though a single load applied to the crack, mixed mode loading conditions (MMLC) should be considered for local crack tip. Normally, the MMLC have more than two components of stress, and combined loading of MMLC with mode I and II is the most common case. The mode I and II fracture are governed by tensile stress component and shear stress component, respectively. According to previous studies of MMLC, tensile stress component is the major component of crack initiation and growth. On the other hand, shear stress component brings down crack driving forces. For example, if a crack branches as kinked or forked manner, the effective crack driving force is reduced by the formation of two stress components, i.e. effective crack driving force under MMLC is smaller than under mode I only. With increasing the level of mode mixture, the ratio of shear stress component for tensile stress component, both of crack initiation lifetime and failure lifetime are increased. These results are due to the effective crack driving force was decreased by effect of crack closure was owing to shear stress component with mode II on MMLC.

In addition, crack closure for MMLC is different from that of mode I loading condition. Crack closure depends mostly on stress ratio (R) under mode I, but it also depends on the level of mode mixture and R under MMLC. The effect of the level of mode mixture on the crack closure under MMLC can be confirmed by crack opening ratio which is the ratio of opening effective stress intensity factor for maximum effective stress intensity factor. The majority of crack closure studies have been concentrated on the case of mode I, and it is hardly find the study of crack closure under MMLC. One of the major reasons of difficulty for the study under MMLC is that crack closure can be quantified by the variation of the level of mode mixture.
In this study, various effects of MMLC on the crack closure are studied experimentally. And the fatigue behavior analyzed by crack closure under MMLC. Fatigue crack growth and measuring of crack tip displacement tests are conducted by modified compact tension shear (MCTS) specimens to validate effects of the level of mode mixture and R on crack growth behavior and observe crack closure under mixed-mode (mode I and mode II) loading conditions. The tests are applied at two different modes such as mode I only and mixed mode I/II and at two different constant amplitude loads with a stress ratio. Crack tip displacement (CTD) is observed using the computerized image processing system to observe crack closure with variation of the level of mode mixture. The computerized image processing system is useful to take continuous photographs of the crack tip displacement during cyclic loads without stopping testing machine. To quantify crack closure, the observed crack opening displacement is analyzed by crack tip displacement (CTD) vector method. The CTD vector method is very effective for decomposing crack closure into two different stress components such as tensile and shear stress components under MMLC.

The crack opening ratio can be obtained from the CTD vector method, and crack closure behavior is correlated well with the calculated crack opening ratio. For high level of mode mixture and low load amplitude, crack closure is larger than that for low level of mode mixture and high load amplitude. In addition, effective stress intensity factor range can be recalculated by application of crack closure as a function of crack opening ratio. In conclusion the effects of crack closure by Mode II under MMLC and load amplitude at fatigue test are verified using the fractographic by C-scan.

국문 초록 (Abstract)

반복하중에 기인하는 재료의 피로 파괴거동에 대한 해석적, 실험적 연구는 균열의 전파에 지배적인 영향을 미치는 단일모드 하중조건(single mode loading condition)인 인장하중 형태로써 주로 모드 I (Mode I) 하중상태에 대하여 주로 한정되어왔다. 그러나 실제 구조물에 작용하는 응력상태는 매우 복합적이어서 이로 인해 발생하는 대부분의 균열은 일반적으로 혼합모드 하중상태(mixed-mode loading condition)의 양상을 나타낸다. 이에 따라 혼합모드 하중에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있으며, 많은 연구자들에 의하여 혼합모드 하중조건에서의 균열발생 및 전파 메커니즘을 밝히기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
혼합모드 하중상태를 조성하는 결합하중의 형태 중 실제 기계요소에서 빈번하게 관찰되는 형태는 모드 I 과 모드 II (Mode II) 가 결합된 혼합모드 I/II (mixed-Mode I/II) 하중상태로 이에 대한 연구가 활발하다[01-05]. 하지만 혼합모드 피로균열의 거동에 대한 실험표준의 미제정, 실험방법의 다양성과 이로 인한 연구결과들의 차이 등으로 인하여 일관적이고, 통일적인 평가는 어려운 실정이다. 이와 같은 이유로 여전히 다양한 조건 및 환경에 대한 혼합모드 하중조건에서의 피로거동에 관한 연구자료의 축적은 부족하다.

혼합모드 하중상태를 조성하는 결합하중의 형태 중 실제 기계요소에서 빈번하게 관찰되는 형태는 모드 I 과 모드 II (Mode II) 가 결합된 혼합모드 I/II (mixed-Mode I/II) 하중상태로 이에 대한 연구가 활발하다[01-05]. 하지만 혼합모드 피로균열의 거동에 대한 실험표준의 미제정, 실험방법의 다양성과 이로 인한 연구결과들의 차이 등으로 인하여 일관적이고, 통일적인 평가는 어려운 실정이다. 이와 같은 이유로 여전히 다양한 조건 및 환경에 대한 혼합모드 하중조건에서의 피로거동에 관한 연구자료의 축적은 부족하다.
피로시험에 있어 초기 균열면 상에 작용하는 분포하중의 크기가 동일할 때 혼합모드 하중조건에서의 균열진전력(crack driving force)은 단일모드 하중조건에서의 균열진전력보다 작다. 이는 피로균열의 발생 및 성장에 지배적인 영향을 주는 인장하중과 균열지연의 원인이 되는 전단하중의 차이에 기인한다[06]. 혼합모드 하중을 받는 노치나 초기 균열로부터 발생하는 피로균열은 전파과정에 있어 모드 II 의 하중 또는 응력성분이 작용하지만 모드 I 의 하중 또는 응력성분이 지배적인 상태에서 전파하게 된다. 또한 모드혼합도(mode mixture)에 따른 응력성분 간의 혼합비(mixity)에 의해 균열의 전파속도는 일정한 차이를 유지하며 전파한다. 이는 혼합모드 I/II 에서 전단하중성분의 영향이 피로거동에 있어 균열의 전파과정보다 균열발생단계에서 더 크게 작용하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 혼합모드 하중조건에 대한 피로거동의 평가는 균열발생단계에서의 거동을 고찰하는 것이 중요하며, 이로부터 정확한 평가와 예측이 가능하다고 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• Nomenclature
• 1. 서 론
• 1.1 연구배경
• 1.1.1 혼합모드 하중조건에서 피로거동
• 1.1.2 혼합모드 하중조건에서 균열닫힘
• 1.1.3 혼합모드 하중조건에서 피로균열 파단면
• 1.2 관련연구
• 1.2.1 혼합모드 하중조건에서 피로거동
• 1.2.2 혼합모드 하중조건에서 균열닫힘
• 1.2.3 혼합모드 하중조건에서 피로균열 파단면
• 1.3 연구목적 및 내용
• 1.3.1 혼합모드 하중조건에서 피로거동
• 1.3.2 혼합모드 하중조건에서 균열닫힘
• 1.3.3 혼합모드 하중조건에서 피로균열 파단면
• 2. 관련이론
• 2.1 혼합모드 하중조건과 피로거동
• 2.1.1 응력확대계수
• 2.2 혼합모드 하중조건과 균열닫힘
• 2.2.1 균열닫힘효과
• 2.2.2 균열선단변위
• 3. 실 험
• 3.1 피로시험
• 3.2 균열선단변위 측정
• 3.2.1 균열선단변위거동
• 3.2.2 화상이미지처리시스템
• 4. 실험결과 및 고 찰
• 4.1 혼합모드 하중조건에서 피로거동
• 4.1.1 혼합모드 하중조건에서 균열전파경로
• 4.1.2 혼합모드 하중조건에서 응력확대계수
• 4.1.3 혼합모드 하중조건에서 피로수명
• 4.1.4 혼합모드 하중조건에서 피로균열전파속도
• 4.2 혼합모드 하중조건에서 균열닫힘
• 4.2.1 혼합모드 하중조건에서 균열선단거동 및 균열열림하중
• 4.2.2 혼합모드 하중조건에서 균열열림비
• 4.2.3 혼합모드 하중조건에서 균열열림비의 적용
• 4.3 혼합모드 하중조건에서 피로균열 파단면
• 4.3.1 균열진력과 재료의 파괴양상
• 4.3.2 하중모드와 등고선 면적 거칠기 파라미터
• 5. 결 론
• 5.1 혼합모드 하중조건에서 피로거동
• 5.2 혼합모드 하중조건에서 균열닫힘
• 5.3 혼합모드 하중조건에서 피로균열 파단면
• 6. 참고문헌
• List of tables
• List of figures
• Publications -