많은 구조물 응용 분야에서 피로는 기계적 결함을 일으키는 주요 원인이며 전형적인 피로 파괴에는 최소 3단계가 있습니다. 균열 시작, 균열 전파 및 최종 파괴가 그것입니다. 표면 결함(예: 거친 표면), 체적 결함(예: 기공, 융합 부족) 및 미세 구조가 금속 재료의 피로 성능에 영향을 미치는 요인이라는 것은 잘 알려져 있습니다. 균열이 종종 표면 또는 표면 근처에서 핵을 형성한다는 점도 주목할 가치가 있습니다. 이유는 표면에서 비탄성 변형이 발생하기 쉽고, 외부 부하로 인해 더 많은 응력/스트레인을 받고, 응력 집중 효과가 높기 때문입니다.
적층 제조(AM)이라고도 하는 레이어별 제조 공정에 대한 관심이 높아지면서 많은 산업에서 이러한 기술의 채택을 고려하게 되었습니다. AM 프로세스가 간단해 보이지만(레이어별 제조), 제조하는 동안 반복적인 용융/빠른 고체화와 관련된 많은 물리적 및 야금학적 복잡성이 있습니다. 제조 프로세스 동안 부품이 받는 복잡한 열 이력(예: 온도 차이, 냉각 속도 등)은 미세 구조, 결정학적 질감, 잔류 응력, 표면 거칠기 및 체적 결함의 형성(예: 가스 포획 기공 및 융합 부족)에 영향을 줍니다. 이는 결과적으로 기계적 특성, 특히 주기적 하중에 영향을 줍니다[1, 2]. 이와 관련하여 적층 제조된(AM) 금속 재료의 피로 특성에 대한 체적 결함, 표면 거칠기 및 미세 구조의 영향을 조사한 여러 연구가 있습니다[3].
대부분의 연구에서 AM 공정에 내재된 체적 결함의 부정적인 영향으로 인해 연철 가공된 소재와 비교하여 가공된 표면 상태에서도 AM 금속 소재의 피로 저항이 열등하다고 보고했습니다[4]. 이와 관련하여 프로세스 매개변수를 조정하여 이러한 결함의 크기와 수를 줄이기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 그러나 가장 최적화된 프로세스 매개변수를 사용하더라도 AM 부품에 가스가 갇힌 기공과 같은 일부 공정 유발 결함이 있어 피로 성능을 악화시킬 수 있습니다. 제조 후 표면 및 열 공정은 종종 AM 재료의 피로 저항을 개선하는 데 필수적입니다. 예를 들어 그림 1에서 기계 가공으로 표면을 부드럽게 만들면 레이저 보 파우더 베드 퓨즈(LB-PBF) 17-4 PH SS의 피로 성능이 크게 개선될 수 있음을 알 수 있습니다[1]. 다른 재료 시스템에서도 피로 특성에 대한 표면 거칠기가 유사한 효과를 발휘한다는 것이 보고되었습니다[5].
그림 1
LB-PBF 17-4 PH SS의 응력-수명 피로 비교(CA-H900 열 처리 후) 조건 및 빌드되고 가공된 표면 조건[1].
제조 후 열 공정(예: 고온 등압 프레스(HIP) 또는 열 처리)은 미세 구조(예: 기공 크기 및 분포, 입자 크기 및 형태, 침전 특성 등)의 변화와 관련된 AM 금속 재료의 피로 성능에 영향을 미칠 수 있습니다[2,4]. 예를 들어 용액 열처리 공정(17-4 PH SS에 대한 조건 A(CA)로 알려짐)을 포함한 제조 후 열처리 공정은 LB-PBF 17-4 PH SS의 피로 저항을 개선합니다(그림 2). 그 이유는 이 단계를 거치지 않은 열처리 후에 생성되는 미세 구조와 비교하여 CA 단계 후에 얻은 미세 구조가 더 균질하고 미세하기 때문입니다[1].
그림 2
다양한 열처리 절차를 거친 LB-PBF 17-4 PH SS의 응력-수명 피로 데이터, 빌드된 표면 상태[1]. 속이 빈 마커는 CA 단계가 없는 열처리 절차를 나타내는 반면 채워진 마커는 CA 단계를 포함한 열처리 조건을 나타냅니다.
흥미롭게도 적층 제조된 금속 재료는 대부분 파리 체제(즉, 안정된 균열 성장 영역)에서 가공된 것과 유사한 피로 균열 성장 특성(FCG)을 나타냅니다. 그림 3은 LB-PBF 17-4 PH SS가 단조 재료와 비교하여 동일한 FCG 거동을 가지고 있음을 보여주는 예입니다[6]. 그러나 LB-PBF 17-4 PH SS는 단조 소재에 비해 불안정한 FCG 영역(즉 높은 ÄK 영역)에서 더 높은 FCG 비율(즉 낮은 FCG 저항)을 나타냅니다. 이는 미세 구조의 차이와 LB-PBF 17-4 PH SS의 체적 결함으로 인해 단조 재료보다 주기적인 파괴 인성이 낮아지기 때문일 수 있습니다. 이러한 결함은 또한 임계값 부근에서 LB-PBF 17-4 PH SS의 FCG 비율을 증가시킬 수 있습니다.
그림 3
동일한 조건에서 열처리한 단조 재료와 비교했을 경우 CA-H900 열처리한 LBPBF17-4 PH SS의피로 균열 성장(FCG)[6].
참조
1. Nezhadfar PD, Shrestha R, Phan N, Shamsaei N. Int J Fatigue. 2019;124:188-204.
2. Pegues J.W., Shao S., Shamsaei N., Sanaei N., Fatemi A., Warner D.H., Li P., Phan N., Int J Fatigue, 2020: 132, p.105358.
3. Fatemi A, Molaei R, Simsiriwong J, Sanaei N, Pegues J, Torries B, Phan N, Shamsaei N., Fatigue & Fracture of Eng. Mater. & Struc. 2019: 991-1009.
4. Molaei R., Fatemi A., Sanaei N., Pegues J., Shamsaei N., Shao S., Li P., Warner D.H., Phan N., Int J Fatigue, 2020: 132, p.105363.
5. Pegues J., Roach M., Williamson R. S., Shamsaei N. Int J Fatigue, 116, 2018: 543-552.
6. Nezhadfar PD, Burford E, Anderson-wedge K, Zhang B, Daniewicz SR, Shamsaei N., Int J Fatigue. 2019.
오번 대학교의 NCAME(National Center for Additive Manufacturing Excellence)는 NASA Marshall Space Flight Center와의 협력을 통해 2017년에 설립되었습니다.
