ISO 12106/ASTM E606에 따른 저주기 피로(LCF) 시험

저주기 피로 강도 측정

저주기 피로란 적은 반복 횟수에서 나타나는 피로를 의미합니다.

ISO 12106 및 ASTM E606에 따른 저주기 피로(LCF) 시험은 실패 지점까지 반복 하중을 시뮬레이션하는 피로 시험입니다. 이 시험은 보통 서보유압 시험기로 진행합니다.

극도의 열적 하중과 기계적 하중에 노출되는 재료는 해당 저주기 피로의 범위 내에서만(즉, 하중 변화 최대 10⁵) 설계가 가능합니다. 주된 예로 항공기 엔진에 사용되는 터빈 블레이드와 디스크나 발전에 사용되는 정지 터빈을 들 수 있습니다. 더불어 배기가스 터보차저, 배기 매니폴드와 기타 이와 유사한 부품에도 LCF 시험을 진행합니다. 이들 부품은 설계되는 노치(예: 블레이드-디스크 연결부)가 응력에 따른 소성 반복 변형에 노출되어 머지않아 균열이 일어나게 됩니다. 저주기 피로(LCF) 시험에서는 시편에 이 같은 하중을 시뮬레이션하여 균열 개시 사이클 횟수를 측정합니다. 이 시험은 일반적으로 높은 온도에서 수행됩니다. 시험 주파수는 보통 0.01~5Hz입니다.

이 시험에 특히 필요한 것은 시험기와 시험기 제어장치입니다. 탄성 변형에서 소성 변형으로 바뀌는 과정에서 시편의 강성이 크게 달라지므로 일정한 변형 증가율을 보장하기 위해서는 제어장치가 매우 빠르게 반응해야 합니다. 이때 시험기의 매우 높은 강성이 중요한 역할을 합니다.

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저주기 피로 시험에서의 하중

저주기 피로 시험에서 하중은 탄성 Ɛ_a,e과 소성 Ɛ_a,p 변형 비율:Ɛ_a,t = Ɛ_a,e + Ɛ_a,p로 구성됩니다.

탄성 구간에서는 응력과 변형 사이에 선형 관계가 존재하지만(훅 법칙), 소성 구간에서는 이 관계가 선형이 아닙니다.그래서 이력 루프가 나타납니다.

ISO 12106/ASTM E606에 따른 저주기 피로 시험은 일정한 증폭으로 실행됩니다.또한 크리프/릴랙세이설정값으로 삼각 파형을 사용하거나 홀드 시간으로 사다리꼴파를 사용합니다.

구체적인 작동 하중을 시뮬레이션하면 다른 변형-시간 시퀀스도 가능합니다.그러므로 저주기 피로 시험은 중첩 고주파 진동과 함께 수행되기도 합니다.

시험 주파수는 보통 1Hz 이하이지만 이 한도가 계속해서 상향 조정되고 있으므로 LCF 시험은 최대 10Hz까지 수행되고 있습니다.

이 같은 LCF 시험에는 변형 제어가 사용됩니다.특별한 경우에 한하여 안정화된 이력 구간이나 홀드 시간 동안 크리프 시험을 조사하기 위해 하중 제어에 변화가 생깁니다.시험은 재료의 물성을 규정하기 위해 보통 R_Ɛ 비율 -1에서 진행합니다.

저주기 피로 시험 절차

시편을 조심스럽게 장착한 후 시험 온도로 가열합니다.시험기를 하중 제어 모드에 두고 값은 0kN으로 설정합니다.필요한 온도에 도달하면 신율계를 부착합니다.가열 단계에서 이미 시편에 신율계를 부착했다면 변화 허용오차를 L₀에 제시해야 합니다.이제 변형 제어를 선택하고 시험을 시작합니다.

최초 사이클에서는 재료들이 매우 다양한 거동을 보일 수 있으므로 이 시점이 특히 중요합니다.

그러나 안정화된 이력 현상은 대개 몇 번의 사이클을 거친 후에 확립됩니다.경화나 연화가 나타나지 않는 재료들도 많이 있습니다.

주기적인 경화

어떤 재료는 최초 몇 번의 사이클 동안 변형-경화를 겪습니다. 즉, 설정된 변형을 달성하는 데 필요한 힘이 사이클을 거듭할수록 증가한다는 뜻입니다.

주기적인 연화

또 어떤 재료는 정확히 반대의 거동을 보여 더 물러지고 필요한 힘은 감소합니다.

시험 종료

저주기 피로 시험의 끝은 보통 이력이 안정화되었을 때 하중과 회귀직선 감소의 비율로 정의됩니다.

이 같은 재료 거동 때문에 시작 시 모든 이력 루프를 기록하는 것이 중요합니다.안정화 구간에서는 100번째나 1,000번째마다 저장하는 것으로 충분합니다.로그 구간을 하나 선택하고 추가로 하중의 비율 변화를 자주 루프 저장의 기준으로 정의하기도 합니다.시험이 끝나갈 때쯤 모든 사이클을 한 번 더 기록하는 것이 좋습니다.