에이징 효과를 고려한 알루미늄 합금의 저주기 피로수명 예측

Abstract

최근 경량화 재료를 이용한 고성능, 고출력 내연기관 개발 추세에 의해 자동차 엔진 부품으로 다양한 소재 들이 적용되고 있으나 이와 같은 재료들은 엔진의 고압 또는 고온의 작동 환경에서 재료물성 변화가 발생할 수 있으며 따라서 부품의 내구성에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 자동차 엔진 피스톤에 적용되는 알루미늄 합 금을 대상으로 저주기 피로실험을 수행하였으며 반복점소성 이론에 기반하여 피로수명 예측모델을 개발하고 실 험 데이터와 해석결과를 비교, 검증하였다. 저주기 피로실험은 250°C에서 200시간 동안 에이징 처리된 시편과 처 리하지 않은 시편을 대상으로 변형률 제어를 통해 25°C와 250°C 온도 조건에서 수행되었다. 실험 결과로부터 에 이징 처리된 시편의 응력안정화 곡선은 동일한 온도와 변형률진폭 조건에서 에이징 처리되지 않은 시편과 비교 하여 소성변형률 범위는 증가하였지만 응력은 감소하였으며, 피로수명 또한 감소하는 것을 확인하였다. 아울러 피로수명 모델을 이용한 수치해석 결과와 실험값의 비교를 통해 알루미늄 합금 소재의 반복경화, 반복연화 및 점 소성 특성 등 재료거동 변화를 10% 오차 내에서 모사 가능하였으며 저주기 피로수명 또한 2 factor 내에서 예측 할 수 있었다. 결론적으로 피스톤에 적용되는 알루미늄 합금의 에이징 효과로 인한 기계적 물성변화를 반복점소 성 이론 기반의 피로수명 예측모델에 반영함으로써 사용 재료의 거동과 저주기 피로수명을 적절히 예측할 수 있 는 기법을 제시하였다.