The fatigue limit of an ion-nitrided steel was investigated experimentally and analytically. It is found that fatigue limit can significantly be increased by ion-nitriding, and that the case depth is the most important parameter which determines the fatigue limit. The data indicate that fatigue limit increases with the case depth as well as the surface hardness of the nitrided steel.
The fractographs of the fracture surfaces taken by a scanning electron microscope show that the fisch-eye is located at the subsurface of failed specimens.
Assuming that crack propagates from the subsurface inclusions, an analytical model is proposed to predict the fatigue limit. Taking into account the stress distribution of a nitrided specimen, fatigue limit is predicted as a function of the case depth. Proposed semi-empirical formula agrees satisfactorily with the experimental data obtained from rotating beam fatigue testing.
철강재에 질화처리를 하게 되면 피로한도는 현저하게 상승하는데, 그 원인은 질화물 형성에 의한 재질의 강화와 질화층에 생성되는 압축잔류응력의 영향 때문이다. 질화물 및 고용된 질소는 slip의 발생 및 이동을 어렵게 하여 균열의 발생을 방지하는 데에 크게 기여하고 있으며, 발생된 균열의 전파를 저지하는 데에도 어느정도 기여한다. 표면에 생성된 압축잔류응력은 균열의 전파를 저지시키는 작용을 하며, 균열 발생의 방지에는 별로 영향을 주지 못한다.
본 연구의 목적은, 시편표면온도, 분위기 개스압력, 개스조성, 질화처리 시간 등의 이온질화처리 조건에 관계없이, 그 조건들로부터 결정된 질화 깊이만이 피로한도를 결정짓는 변수라는 가정을 실험적으로 규명하고, 피로한도와 질화깊이와의 관계식을 해석적 모델로부터 유도하여 상수들을 결정해서 피로한도를 예측하는 것이다. SCM3에 대하여, 이온질화 처리한 후 경도실험, 피로 실험을 행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
피로한도는 경도와 함께 직선적으로 증가하며, 질화처리에 의하여 40 ∼ 60 % 정도 상승된다.
재료내의 최대유효인장응력이 임계치에 도달하게 되면 정류균열이 전파하기 시작하여 피로파괴를 일으킨다는 것을 가정하여, 회전굽힘피로시험편의 응력분포로부터
$\signa\omega = \frac{\sigma_{crit.} - \sigma_T}{1- \frac{h}{r_o}}$
인 관계식을 얻었다.
여기서 $\signa_{crit.}$ 은 피로파괴에 대한 저항을 나타내는 재료 고유의 상수이고, 비질화재에서는 피로한도와 같은 값을 갖는다. SCM3의 경우에 $(\signa_{crit.} - \signa_T)$의 값은 실험적으로 64 kg/㎟이 되었으며, 본 논문에서 유도한 피로한도-질화층 깊이 관계식은 실험 data와 근사하게 일치한다.
