Fatigue tests were performed in cyclic loading at 10Hz and stress ratios, R of 0.1 and 0.2 at room temperature. The type 304 stainless steel specimens are prepared into two different thickness (3mm and 25mm). The fatigue crack growth rate of 25mm thick specimen is faster than that of 3mm thick specimen, and this result is attributed to the difference of plasticity in the crack tip region from the elastic-plastic fracture mechanical analysis. The residual stress fields are induced by the surface hardening treatments by induction heating at temperatures of ~600℃, 750℃ and 900℃, and the induced residual stresses are verified by the X-ray measurements of the induction heating treated specimen at 750℃. It is observed that the tensile residual stress is formed at heat affected zone and, behind this zone, the compressive residual stress is formed with maximum value of ~200 MPa. The results of fatigue tests showed the acceleration of the growth rate in tensile region, and the retardation in compressive region. The results of constant stress intensity tests illustrated that the variations of the crack growth rate are related with the change of crack closure level. A simple model for fatigue crack propagation of materials is derived with energy balance approach on the basis of the Dugdale model, and this model is verified through the experiments of two kinds of materials (type 304 stainless steel and Inconel 718). The energy balance model demonstrated that the variations of material's tearing modulus results in the change of fatigue crack propagation.
피로 실험은 상온에서 10Hz 주기를 갖는 정현파 형태의 반복 하중 조건에서 행하였고, 이때 응력비는 0.1과 0.2를 사용하였다. 304 스테인레스강은 3mm와 25mm 두께의 시편으로 피로 실험을 하였는데, 25mm 두께의 시편으로 실험한 결과가 3mm 두께의 시편보다 피로 균열 성장률이 더 빠르게 나왔다. 이는 균열 선단에서의 소성 특성의 차이로써 설명되었고, 탄소성 해석으로써 이를 입증할 수 있었다. 잔류 응력은 약 600℃와 750℃, 900℃로 각각 표면경화 처리를 하여 부가하였으며, 750℃로 열처리된 시편에 대하여 X선 측정을 하여 잔류 응력장을 확인하였다. 그 결과 열영향부위에서 인장 잔류 응력장이 형성되었고, 그 뒤쪽에 최고 약 200 MPa 정도의 압축 잔류 응력장이 형성되었음을 관찰하였다. 피로 실험 결과 인장 영역에서 피로 균열 성장률이 가속되고, 압축영역에서는 지체되었는데, 응력 집중 계수를 일정하게 유지 하면서 행한 실험을 통하여 이러한 피로 균열 성장률과 균열닫힘 하중의 변화가 서로 밀접한 관계에 있음을 확인할 수 있었다. Dugdale 모델과 균열 선단에서의 에너지 평형 이론을 바탕으로 실제 피로 균열 성장률을 예측할 수 있는 간단한 모델을 유도하고, 두 종류의 재료(304 스테인레스강과 Inconel 718)로 만들어진 CT 시편으로 피로 실험을 하여 이 모델을 입증하였다. 에너지 균형 모델은 재료의 찢김계수의 변화로 잔류응력의 영향을 설명하고 있는데 이는 균열선단에서의 탄소성 파괴 역학적 해석으로 부터 추정해 볼 수 있었다.
