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재영 진
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1 45 연구논문 강봉 (SM45C) 맞대기용접부의피로수명평가 오병덕 * 이용복 ** * 홍익대학교대학원기계공학과 ** 홍익대학교기계. 시스템디자인공학과 Estimation of Fatigue Life in Butt-Welded Zone of SM45C Steel Rod Byung-Duck Oh* and Yong-Bok Lee** *Dept. of Mechanical Engineering, Hongik University Graduate School, Seoul , Korea **Dept. of Mechanical and System Design Engineering, Hongik University, Seoul , Korea *Corresponding author : yblee@wow.hongik.ac.kr (Received March 7, 8 ; Revised May 14, 8 ; Accepted June 10, 8) Abstract SM45C steel rods being used generally for power transmission shafts and machine components was selected and welded by Butt-GMAW(Gas Metal Arc Welding) method. An estimation of fatigue life was studied by constructing S-N curve. Fatigue strength of base metal zone showed higher values than one of weld zone in low cycles between 10 4 and 10 6 cycles. However, significant decrease in fatigue strength of base metal was found around 10 6 cycles, which were almost same as one of heat affected zone. This decrease was attributed that initial residual stress of the steel rods distributed by drawing process was diminished by continually applied load, and resulted in softening of base metal. The fatigue limit of the weld zone was highest in the boundary between deposited metal zone and heat affected zone, and followed by in the order of deposited metal zone, base metal zone, and heat affected zone. Based on these results, it is revealed that the stress for safety design of machine components using SM45C butt-welded steel rods must be selected within the region of the lowest fatigue limit of heat affected zone. Key Words : SM45C steel rod, Machine components, Fatigue life, Fatigue strength, Fatigue limit, Base metal zone, Compressive residual stress, Drawing process, Alternating stress 1. 서론 기계의동력축이나피스톤로드등기계및건축구조물에많이사용하는강봉재는이음할때주로나사이음이나용접에의하여수행되고있고이들재료는인장, 압축, 굽힘, 그리고비틀림등의하중을정적, 동적및반복적으로받고있다. 이와같이사용조건에따라여러가지하중을받고있는강봉재구조물의안전설계를위하여많은노력이진행되어왔고이에대한연구자료들도많이존재하고있다 1-4). 용접기술의향상으로간편하고높은강도및경제성을고려하여용접은모든 강구조물과강봉이음에많이활용하고있다. 그러나용접이음부에는열응력에의한잔류응력이존재하고급냉에의한금속조직간의경계가발생하여용접부의강도를저하시키고있다 5-8). 그러므로강봉을사용하는구조물의안전설계를위하여강도를정확하게평가하는것은매우중요한과제이다. 특히강봉재의경우화학성분에따른강의재료와용접조건에따라용접부각경계의기계적성질이크게차이를나타내고있다. 따라서이들조건에따른강봉용접재료의안전사용및설계를위해서는그기초연구로서용접부각경계에서의기계적성질은물론피로거동을정확하게평가해볼필요가있다. 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 3 號, 8 年 6 月 259

2 46 오병덕 이용복 이를고려하여본연구에서는일반적으로강봉구조물로많이사용하고있는 SM45C 강봉을선택하여 GMAW 법으로맞대기용접을실시하였고용접부위를용착금속부, 용착금속부와열영향부의경계, 열영향부로구분하여모재부와더불어각위치에원둘레노치를가공하고회전굽힘피로시험을하여피로강도및피로수명을평가하였다. 2. 실험및방법 2.1 시험편의준비 본연구를위하여일반적으로기계구조물로많이사용되고있고상온에서인발공정에의하여제조된지름 25 mm의 SM45C 강봉재료를선택하였다. 그리고양끝면을 30 경사지도록원둘레로기계가공하고 60 개선 (groove) 형태로맞대어지그로고정한후회전시키며 GMAW에의하여 3층맞대기용접하였다. 기계적성질을파악하기위하여표준인장시험편을기계가공한후용접부주위를경연마 (polishing) 하고부식시켜용착금속부의중앙, 용착금속부와열영향부의경계, 열영향부그리고모재부의각위치에반경 0.5 mm의원둘레 U-노치를기계가공하였다. Fig. 1에평활재및노치인장시험편을나타내었다. 경도시험편은용접부위를평평하게기계가공하고경연마후부식시켜각경계가명확하게나타나도록준비하였다. 또한회전굽힘피로시험편은평활재와노치재로구분하여용접부위의양쪽으로대칭되도록 Fig. 2와같이기계가공하였다. 용접부위는인장시험편의경우와같이용착금속부, 용착금속부와영열향부의경계, 열영향부, 모재부로 Fig. 2 The schematics of specimens for rotating bending fatigue test 구분하여원둘레 U-노치를가공하였다. 각경계의시험편은 12편이상씩준비하여 4단계시험하중으로구분하여각시험하중에서 3편이상씩회전굽힘피로시험을수행할수있도록준비하였다. 시험편재료의기계적성질및화학성분은 Table 1 및 Table 2와같고 GMAW 의용접조건은 Table 3과같다. 2.2 실험방법 강봉맞대기용접부의회전굽힘피로시험을수행하 Table 1 Mechanical properties of base metal Material Yield strength (MPa) Mechanical properties Ultimate strength (MPa) Vickers Hardness (H ) Elongation (%) SM45C Table 2 Chemical compositions of base metal Material Chemical compositions(wt,%) C Si Mn P S SM45C Number of pass Table 3 Welding conditions by GMAW Current (A) Voltage (V) Dia. of wire (mm) Gas flow (l/min) Fig. 1 The schematics of specimens for tensile test Journal of KWJS, Vol. 26, No. 3, June, 8

3 강봉 (SM45C) 맞대기용접부의피로수명평가 47 기전에용접각부의기계적성질을알아보기위하여먼저인장시험및경도시험을수행하였다. 인장시험은 kn의 UTM 을사용하였고, 각용접부위의특성을파악하기위하여모재부, 열영향부, 용착금속부와열영향부의경계그리고용착금속부로구별하여시험을수행하였다. 노치의영향을알아보기위하여모재의평활재료시험편 (un-notched specimen in base metal) 에대한시험도수행하였다. 경도시험은측정부위를평탄하게위치시키고용착금속부로부터모재부로이동시키며마이크로비커스 (micro-vickers) 경도를측정하였다. 회전굽힘피로시험은 FTO-10(H) 형식의회전굽힘피로시험기 (Fig. 3) 를사용하였고하중하의회전굽힘피로시험중에발생하는열을일정하게유지시키기위하여공냉챔버 (chamber) 를설치해서실내온도와같은 18 ~20 범위내의온도를유지시키며피로시험을수행하였다. 하중조건은각시험편마다 4~5 단계하중을사용하였으며 10 4 ~10 7 범위의고사이클에서회전굽힘피로시험을수행하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1. 용접재의기계적성질 용접재료에대한기계적성질을파악하기위하여경도및인장시험을수행하였다. 경도시험은 Fig. 4에보여주는바와같이용착금속부의중심위치로부터모재부로이동하면서 0.2 mm 간격으로측정하였다. 용착금속부는 167 Hv 정도의경도치를갖고용착금속부와열영향부경계에서급격하게경도가증가하여최고 Hv로나타나며, 열영향부에서급작스럽게경도가감소하여 165 Hv로감소한다. 그리고열영향부에서모재부로접근하면서서서히경도가증가하다가용착금속부중심으로부터 11 mm 떨어진위치로부터가장높은 205 Hv 정도의경도치를보이고있다. 이러한결과는모재가상온에서인발공정에의하여제조되므로 Micro-vickers hardness(hv) Distance from the center of weld metal zone(mm) Fig. 4 Distribution of micro-vickers hardness number in weld zone 가공경화의영향을크게받은결과로생각되며열영향부가가장낮게나타나고용착금속부와더불어모재부에비하여현저하게낮은결과를보이고있는데이결과는용접시높은열로가열된후상온에서서서히냉각되어재료가연화된결과라고생각된다. 인장시험은모재의평활재료시험편 (U-NBMZ: un-notched base metal zone) 과노치시험편 (NBMZ: notched base metal zone), 그리고용접재의모재부 (BMZ: base metal zone), 열영향부 (HAZ: heat affected zone), 열영향부와용착금속부의경계 (B of HAZ & DMZ: boundary between heat affected zone and deposited metal zone) 및용착금속부 (DMZ: deposited metal zone) 로구분하여수행하였다. 그결과는 Fig. 5에서보이는바와같다. 모재평활재료시험편의경우항복강도는 666 MPa, 인장강도는 721 MPa 그리고연신율은 15 % 이며노치시험편의경우모재노치재료는항복강도가 550 MPa, 인장강도가 612 MPa, 신율은 18 % 이다. 그리고열영향부, 열영향부와용착 Stress, σ a (MPa) MBNZ NHAZ NDMZ N B of DMZ & HAZ Fig. 3 Rotating bending fatigue testing machine Strain, ε Fig. 5 Stress-strain diagram for tensile specimens 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 3 號, 8 年 6 月 261

4 48 오병덕 이용복 금속부의경계및용착금속부의노치시험편은항복강도 441 MPa, 인장강도 595 MPa, 연신율 18 % 로모재평활재시험편의경우와비교하여노치영향 9) 에의한응력집중을받아전반적으로낮은값들을갖고모재노치시험편과비교하여항복강도는다소차이를보이나인장강도와연신율은유사하게나타난다. 이들결과로부터모재의경우상온인발공정에의한경화와높은압축잔류응력의발생으로인하여모재가초기에용접부위에비하여높은항복강도를나타내고있다. 그리고평활재료의인장강도가노치재료의인장강도보다높게나타나는것은노치의영향이라고생각된다 10). 각용접부위의노치재료는모재노치재료에비하여항복강도가큰차이로낮게나타나고있으나인장강도는유사하게나타나고있다. 이와같은현상은용접열로인하여연화된용접부위가초기에낮은항복강도를갖고이후소성변형에의한경화로강도가서서히증가하여모재의인장강도값과유사하게됨을알수있다 2). 3.2 S-N 곡선에의한피로수명 피로수명을평가하기위하여회전굽힘시험기를사용하여고사이클범위 ( ) 에서피로시험을수행하였다. 모재의평활재료 (un-notched specimen) 와노치재료 (notched specimen) 의피로시험결과는 Fig. 6에나타내었다. 노치재료시험편의피로수명곡선은노치에의한피로응력집중계수, K 의영향을받아평활재료의경우보다피로강도가전반적으로낮게나타나고있다 11-14). 각용접부위의노치재료시험편에대한피로수명곡선을모재의평활재료및노치재료의피로시험결과와같이피로한도를 10 6 사이클의피로수명을갖는범위로나타내면 Fig. 7과같다. 피로강도는열영향부와용착금속부의경계, 용착금속부, 열영향부의순으로높게나타나고있다. 모재노치시험편의피로강도는 0 Fig. 6 Un-notched base metal Notched base metal S-N curve for notched material and un-notched material in base metal 0 MBNZ NHAZ NDMZ N B of DMZ & HAZ Fig. 7 S-N curve for notched materials of weld zone and un-notched base metal 10 4 ~10 6 사이클범위의 10 4 사이클근방에서용접부노치시험편의피로강도보다높게나타나고있다. 그리고점점저하중고사이클쪽 (10 6 ) 으로갈수록피로강도가용접부시험편의경우보다급속하게떨어지는경향을나타내며 10 6 사이클에서용접부위에서가장낮은열영향부의피로강도와유사하게나타나고있다. 이러한경향은상온에서인발공정에의하여제조된모재가높은압축잔류응력을갖고있고기계적성질에서나타나는바와같이높은경도와인장강도를갖고있어초기에높은피로강도값을보이다가고사이클쪽으로갈수록오랜반복하중으로인하여압축잔류응력이이완되고경도및인장강도도다소완화되어나타나는현상으로생각된다. 이들의결과는기계적성질에서나타나는바와같이경도와인장강도의높은수준에따라피로강도가높게나타나고압축잔류응력이인장강도와피로강도에영향을주고있음을보여주고있다 15). 그리고용착금속부와열영향부의경계에서다른용접부위에비하여경도가매우높게나타나고 16) 있으나응력-변형률선도상의응력변화와 S-N 선도상의피로강도차이가크게차이를보이지않고있다. 이것은강봉맞대기용접시재료를 60 개선 (groove) 가공하여용접함으로써용착금속부와열영향부가다소혼합된상태의특성을보이는것이라생각된다. 또한경도분포도에서알수있듯이그경계폭이 2 mm 이내로좁고, 1 mm 폭의 U-노치를가공하여인장시험및피로시험을수행하였기때문에순수한용착금속부와열영향부사이의특정값을얻기가곤란했던결과라고생각한다. 각용접부의노치시험편데이터를사용하여기하학적조건에따른피로노치계수 17), K 를적용하여 S-N 곡선을 Fig. 8에나타내었다. 그리고모든시험데이터를함께나타내면 Fig. 9의 S-N 곡선과같다. 이들곡선으로부터피로노치계수, K 를고려하여평 262 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 3, June, 8

5 강봉 (SM45C) 맞대기용접부의피로수명평가 49 0 S-N curve considered by K f HAZ DMZ B of DMZ & HAZ Fig. 8 S-N curve considered fatigue notch factor, K for notched materials of weld zone 0 MBNZ NHAZ NDMZ N B of DMZ & HAZ Fig. 9 S-N curve for all of specimens in weld zone 활재료로예상한피로강도값들은실제모재의평활재료시험에서얻은값과비교하여다소높게나타나고있으나크게차이를보이고있지않고있어평활재료용접부위의피로강도평가를하는데자료로써활용할수있다고판단된다. Fig. 9로부터피로한도는열영향부와용착금속부의경계, 용착금속부, 모재부, 열영향부의순으로높게나타나고있다. 따라서본연구에서사용한 SM45C 강봉맞대기용접재료를사용하여기계구조물을제작할때안전설계를위해서는피로한도가가장낮게나타나는열영향부의피로한도값을기준으로설계응력을선택하는것이요구된다. 4. 결론 일반기계구조물로많이활용하고있는 SM45C 강봉재를 GMAW 용접법으로맞대기용접하여용접부위의기계적성질과피로수명에대하여고찰해보았다. 그결과를요약하면다음과같다. 1) 인발공정에의한소성경화로인하여모재부에서 경도와인장강도가가장높게나타나고다층용접에의한풀림현상으로용접부위가연화되어용착금속부와열영향부의경도및인장강도는낮게나타난다. 2) 각용접부의피로강도는고사이클범위 (10 4 ~ 10 6 ) 의초기에모재부, 열영향부와용착금속부의경계, 용착금속부, 열영향부의순으로높게나타나며, 이경향은경도값의순서와일치한다. 3) 모재부의피로강도는 10 4 ~10 6 사이클범위에서초기에용접부의피로강도와비교하여높게나타나고고사이클로갈수록피로강도값이현저히감소하여 10 6 사이클근방에서가장낮은열영향부의피로강도값과유사하게나타난다. 이러한현상은모재의인발공정으로인한초기의높은압축잔류응력이오랜반복하중으로인하여이완되고경도및인장강도도다소연화되는영향으로생각된다. 4) S-N 곡선에의한용접부위의피로한도는열영향부와용착금속부의경계, 용착금속부, 모재부, 열영향부의순으로높게나타난다. 따라서본강봉용접재의안전설계응력은가장낮은열영향부의피로한도범위내에서정하는것이필요하다. 후 기 이논문은 6 년도홍익대학교교내연구비에의하여지원되었음. 참고문헌 1. H. E. Boyer: Metal Handbook No.10, Failure Analysis and Prevention, 8th ed., American Society for Metals, Ohio (1975) 2. R. C. Juvinall: Engineering Considerations of Stress, Strain, and Strength, McGraw-Hill, New York (1983) 3. J. A. Collins: Failure of Materials in Mechanical Design, Wiley-Interscience, New York (1981) 4. L. Sors: Fatigue Design of Machine Components, Pergamon Press, Oxford (1971) 5. H. O. Fuchs and R. I. Stephen: Metal Fatigue in Engineering, Wiley-Interscience, New York (1980) 6. H. f. Moore and J. B. Kommers: An Investigations of the Fatigue of Metals, Univ. Ill., Eng. Exp. Stn. Bull., 124 (1921) 7. Y. B. Lee, N. I. Cho and K. E. Park: A Study on Surface Fatigue Crack Behavior of SS440 Weldment, J. of KWS, 14-2(1996), (in Korean) 8. S. C. Kim, Y. B. Lee: The Application of Forman Equation for Fatigue Crack Propagation in Welding Residual Stress Region, J. of KWS, 5-1(1987), (in Korean) 9. R. E. Peterson: Stress Concentration Factor, john Wiley & Sons, Inc. (1974) 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 3 號, 8 年 6 月 263

6 50 오병덕 이용복 10. R. Kuguel: A Relation between Theoretical Stress Concentration Factor and Fatigue Notch Factor Deduced from the Concept of Highly Stressed Volume, Am. Soc. Test. Mater. Proc., 61 (1961), T. H. Toper, R. M. Wetzel, and JoDean Morrowm: Neuber s Rule Applied to Fatigue of Notched Specimens, J. Mater., 4-1 (1969), N. E. Dowling: Fatigue at Notches and the Local Strain and Fracture Mechanics Approaches, in Fracture Mechanics, ASTM STP 667, C. W. Smith (ed.), American Society for Testing and Materials, Philadelphia, (1979), R. A. Smith and K. J. Miller: Fatigue Cracks at Notches, Int. J. Mech. Sci., 19(1977), D. F. Socie, N. E. Dowling, and P. Kurath: Fatigue Life Estimation of Notched Members, in ASTM STP 833, Fracture Mechanics Fifteenth Simposium, R. J. Sanford (ed.), American Society for Testing and Materials, Philadelphia, (1984), J. Bannantine, J. Comer and J. Handrock: Fundamentals of Metal Fatigue Analysis, (1987), Y. B. Lee: An Experimental Study of the Stress Intensity Factor at the weld zone, Master Thesis, (1978),50-58 (in Korean) 17. W. D. Pilkey: Stress Concentration Factors, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., (1997), Journal of KWJS, Vol. 26, No. 3, June, 8

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DBPIA-NURIMEDIA 37 기술논문 압연및용접방향이같은맞대기용접강판의하중방향에따른피로균열진전특성 이용복 * 김성엽 ** 오병덕 ** * 홍익대학교기계 시스템디자인공학과 ** 홍익대학교대학원기계공학과 Characteristics of Fatigue Crack Propagations with Respect to Loading Directions in Butt-Welded Steel