균열폐쇄

균열폐쇄는 피로하중에 나타나는 현상으로서 균열의 반대쪽 면은 재료에 작용하는 외부하중에도 접촉 상태를 유지한다.하중이 증가함에 따라 균열이 개방되는 시간에 임계치에 도달하게 된다.균열 폐쇄는 균열면을 여는 재료의 존재로 발생하며 균열 확산 중 플라스틱 변형 또는 위상 변형, 균열 표면 부식, 균열 내 유체 존재 또는 균열 표면의 거칠기 등 많은 원인에서 발생할 수 있다.^[1]

설명

반복하중 시 균열이 열리고 닫히면서 균열 팁 개방 변위(CTOD)가 가해진 힘에 따라 주기적으로 변화한다.부하 주기에 음의 힘 또는 $응력비{\displaystyle }$ R${\displaystyle$ R$}($, < 0 ${\displaystyle R<0})$의 기간이 포함되는 경우, 균열면을 함께 누를 때 CTOD는 0과 동일하게 유지된다.그러나 CTOD는 가해진 힘이 양성이어서 스트레스 강도 인자가 최소치에 도달하는 것을 막더라도 다른 시간에도 0이 될 수 있는 것으로 밝혀졌다.따라서 균열 팁 구동력이라고도 하는 응력 강도 계수 범위의 진폭은 폐쇄가 발생하지 않는 경우에 비해 감소하여 균열 증가율을 감소시킨다.응력비에 따라 폐쇄 레벨이 증가하며 약 $R{\displaystyle }$= 0$(\displaystyle R=0.7}),$균열면이 접촉하지 않으며 일반적으로 폐쇄가 발생하지 않는다.^[2]

가해진 하중은 크랙 팁에 응력 강도 계수를 생성하며, $K{\displaystyle }$ ${\디스플레이 스타일$ K$}$은 크랙 팁 개방 변위 CTOD를 생성한다$$.균열 성장은 일반적으로 응력 강도 ${\displaystyle \mathrm{계수}}$ 범위인 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ K ${\displaystyle \Delta K}$의 함수로서, 적용 하중 주기에 대한$$ 함수는 다음과 같다.

${\deltayle \Delta K=K_{\text{max}-K_{\text{min}}}$

그러나 균열 폐쇄는 양하중에도 불구하고 파단 표면이 수준의 응력 강도 인자 K< ${\displaystyle K_{\text{op}}}$ 이하에 접촉할 때 발생하므로 유효 응력 강도 범위 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\delta K_{\text{eff}}$를 양하중으로 정의할 수 있다.

${\delta K_{\text{eff}}=K_{\text{max}-K_{\text{op}}}}$

이는 공칭 적용 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle \Delta K}$보다 작다$.$

역사

균열폐쇄 현상은 1970년 엘버에 의해 처음 발견되었다.그는 반복적인 인장 하중 동안에도 파단 표면 사이의 접촉이 발생할 수 있다는 것을 관찰했다.^[3][4]균열 폐쇄 효과는 광범위한 피로 데이터를 설명하는 데 도움이 되며, 특히 응력비(높은 응력비에서 닫힘이 적은 경우)와 짧은 균열(동일한 반복 응력 강도에 대해서는 긴 균열보다 닫힘이 적은 경우)의 영향을 이해하는 데 중요하다.^[5]

균열 폐쇄 메커니즘

가소성 유발 균열 폐쇄

가소성에 의한 균열폐쇄 현상은 피로균열의 옆구리에 잔류탄성 변형물질의 개발과 관련이 있다.^[6]

균열 팁의 가소성 정도는 재료 제약 수준에 의해 영향을 받는다.극단적인 두 가지 경우는 다음과 같다.

1. 평면 응력 조건에서는 플라스틱 구역의 재료 조각이 길어지고, 이것은 주로 재료의 평면 외 흐름에 의해 균형을 이룬다.따라서 평면 응력 조건에서의 가소성 유도 균열 폐쇄는 균열 팁 뒤쪽에 늘어진 재료의 결과로 표현될 수 있으며, 균열 팁에 삽입되어 균열 팁의 주기적 소성 변형을 감소시키는 쐐기로 간주할 수 있으며, 따라서 피로 균열 증가율을 감소시킨다.^[7]
2. 평면 변형 조건과 일정한 하중 진폭에서는 균열 팁 뒤쪽의 먼 거리에는 플라스틱 쐐기가 없다.그러나 플라스틱 웨이크에 있는 물질은 탄력적으로 변형된다.플렉시블 피복은 원래 재료의 회전을 유도하며, 그 결과 균열 끝 부근에 국부 쐐기가 형성된다.^[8]

위상변환에 의한 균열폐쇄

균열 팁의 응력장 내 변형에 의한 마텐시틱 변형이 균열 폐쇄를 유발하는 또 다른 가능한 원인이다.파인아우, 펠루, 혼보겐이 메타스테일오스테나이트 스테인리스강에서 처음 연구했다.이 강철들은 충분히 높은 변형 하에서 오스테나틱에서 마텐자이트 격자 구조로 변형되며, 이는 균열 팁에 앞서 재료 부피의 증가로 이어진다.따라서 균열 표면이 서로 접촉할 때 압축 응력이 발생할 가능성이 높다.^[9]이러한 변형에 의한 폐쇄는 시험체의 크기 및 기하학적 구조와 피로 균열의 영향을 강하게 받는다.

산화 유발 균열 폐쇄

산화물 유도 폐쇄는 균열 전파 중 급격한 부식이 발생하는 경우 발생한다.골절면의 기초물질이 기체 및 수성 대기에 노출되어 산화될 때 발생한다.^[10]산화층은 일반적으로 매우 얇지만, 연속적이고 반복적인 변형 하에서 오염층과 기초물질은 반복적으로 파손되어 더 많은 기초물질을 노출시키고, 따라서 더 많은 산화물을 발생시킨다.산화 부피는 증가하며 일반적으로 균열 표면 주변의 기초 물질의 부피보다 크다.이처럼 산화물의 부피는 균열에 삽입된 쐐기로 해석할 수 있어 효과응력 강도 범위를 줄일 수 있다.실험 결과 옥사이드로 인한 균열폐쇄는 실내와 높은 온도 모두에서 발생하며, 산화물은 낮은 R-비율과 낮은 (거의) 균열증가율에서 더 두드러진다.^[11]

거칠기로 인한 균열 폐쇄

거칠기 유도 폐쇄는 모드 II 또는 평면 내 전단 하중 유형과 함께 발생하며, 이는 균열 상부와 하부의 거친 파단 표면이 잘못 적합하기 때문이다.^[10]마이크로 구조물의 음이소트로피와 이질성으로 인해 모드 II 하중이 가해질 때 국소적으로 평면 외 변형이 발생하며, 따라서 피로파괴 표면의 미세한 거칠기가 존재한다.그 결과 이러한 불일치 웨지는 피로 하중 과정에서 접촉하게 되어 균열이 닫히게 된다.균열 표면의 부적응은 균열의 먼 영역에서도 발생하는데, 이는 물질의 비대칭 변위 및 회전으로 설명할 수 있다.^[12]

표면의 거칠기가 균열 개구부 변위와 동일한 순서일 경우 거칠기 유발 균열 폐쇄는 정당하거나 유효하다.곡물 크기, 적재 이력, 재료 기계적 특성, 하중 비율 및 표본 유형과 같은 요인에 의해 영향을 받는다.

참조