Multiaxial fatigue studies are performed in two parts: i.e., multiaxial fatigue assessments of metals for fatigue life estimation, and growth behavior of mixed mode fatigue crack. Multiaxial fatigue researches which have been suggested after 1980 were classified and some problems in those studies were evaluated critically. Multiaxial fatigue assessments are categorized in five viewpoints, i.e., empirical formulas and modifications of Coffin-Manson equation, application of stress or strain invariants, use of space averages of stress or strain, critical plane approaches, and use of energy which is accumulated on the materials. During these periods major progresses in multiaxial fatigue analysis are the consideration of anisotropy of materials and the suggestion of energy method using Mohr's circles. Besides, existing equations or parameters were modified to consider the mean stress, loading path, etc. And also there have been some trials for the generalization of the existing theories.
The practical applications of crack growth studies based on constant amplitude mode I loading are somewhat limited, since it is not common that the mode I crack growth occurs independently under the influence of mode II(sliding mode) or mode III(tearing mode). For these cases, criteria, rules, and laws have to be worked out and verified by experiments. However, it is very difficult to evaluate the mixed mode fatigue crack due to the crack surface interference, crack closure, crack branching, etc. This work, defining the branched crack as effective slant crack with the length of the distance between two crack tips, explains the influences of the crack surface interference by introducing the concepts of adhesion wear and scrutinizes some related researches on mixed mode crack growth behavior. And also, an effective stress intensity factor is developed under the consideration of crack closure and crack surface interference and verified with the experimental results of mode I test and mixed mode fatigue tests.
Mode I fatigue test, cyclic mode I with superimposed static mode II fatigue test, and mixed mode I and II fatigue test are accomplished in this research in order to examine the crack growth behavior and verified the developed parameters and the effects of crack surface interference. The following conclusions can be obtained from the comparison with the experiments.
As the load ratio of mode I loading decreases and shear stress increases, cycle for crack growth increases and crack growth rate becomes monotonous or decreasing in cyclic mode I with superimposed static mode II test. Thus crack surface interference should be considered in the analysis of mixed mode fatigue crack growth. And the introduction of the adhesion wear theory is effective. The undulations, decrease, and constancy of crack growth rate are caused by the interaction between the larger plastic deformation, load ratio, and the contact area at the rough crack surface.
Comparing with the results of mode I fatigue tests, the addition of mode II fatigue loading reduces the cycle for crack growth remarkably under mixed mode I and II fatigue loading. The undulations of crack growth rate are also observed in mixed mode I and II fatigue test and are caused by the interaction between the larger plastic deformation, load ratio, and the increase of contact area at the rough crack surface as in cyclic mode I with static mode II tests. However as mode II loading condition becomes severe, there is a limitation in the analysis of mixed mode fatigue crack considering the effects of adhesion only. Therefore the evaluation of the other effects of factors besides adhesion will make the mixed mode fatigue crack analysis more reliable. The effective SIF range, considering crack closure and crack surface interference, explains the crack growth behavior by moving the results of mixed mode fatigue crack growth test into a relative small region. As a result, the effective SIF range and crack locking SIF are suggested as parameters for the analysis of mixed mode fatigue crack growth.
Since crack growth rate under mixed mode I and II fatigue loading becomes faster than that under mode I fatigue loading, it is advisable to make uniaxial loading condition and avoid combined loading condition as much as possible in the design of engineering structures and parts. And tests showed that mixed mode condition with static shear mode loading are preferable to the mixed mode condition with alternating shear mode loading.
520-01
다축피로해석을 위해 피로균열 발생과 피로균열의 진전으로 연구내용을 나누어 다축피로수명예측을 위한 이론 고찰과 다축피로하중하의 피로균열 거동해석 등 두 가지 분야를 독립적으로 수행하였다. 우선, 다축피로균열의 발생 수명 예측 이론의 고찰 결과 Garud는 1980년 이전까지의 다축피로해석을 위한 연구결과들을 3가지의 범주로 구분하여 연대순으로 검토하였으며, 본 연구에서는 1980년 이후에 제시된 다축피로 연구 결과들을 5가지의 범주로 분류하여 각각의 연구에 존재하는 문제점 및 수식들의 응용 범위를 살펴보았다. 다섯 가지 범주로는 실험식 및 Coffin-Manson식의 수정, 응력 또는 변형률 불변량의 응용, 응력 또는 변형률의 공간평균값의 이용, 임계평면법, 그리고 재료에 축적되는 에너지의 이용 등이다. 1980년 이후 다축피로 해석 분야에서 주요한 진전은 재료의 비등방성을 고려한 것과 Mohr의 원을 이용한 에너지법의 제안을 들 수 있다. 이외에도 하중 경로 및 평균응력의 영향을 고려하기위한 기존 수식이나 변수의 수정이 이루어져 기존 이론들의 일반화가 시도되고 있음을 알았다.
다축피로수명예측이론의 고찰과 더불어 복합모우드상태에 놓인 균열의 진전거동을 살펴보았다. 모우드 II 혹은 모우드 III의 영향은 항상 존재하기 때문에 일정 진폭의 모우드 I 하중에 의한 균열거동 연구의 실제적인 응용은 제한적일 수 밖에 없다. 이러한 경우, 기존의 이론이나 법칙 등이 실험을 통하여 검증되어야 하지만 균열면의 간섭, 균열닫힘, 균열의 꺾임 등으로 인해 복합 모우드 피로 균열의 해석은 매우 어렵다. 이에 본 연구에서는 꺾인 균열을 균열 선단 사이의 거리를 균열 길이로 갖는 유효경사균열을 정의하여 응착마모이론으로 균열면 간섭의 영향을 설명하였고 균열닫힘과 균열면 간섭을 고려한 유효응력강도계수진폭을 구성하였다. 단순 모우드 I 피로하중, 모우드 II 정하중이 중첩된 모우드 I 피로하중, 그리고 모우드 I과 II의 반복하중의 세가지 시험하중으로 피로균열 진전시험을 수행하여 검토한 결과 다음의 결론을 얻었다.
모우드 II 정하중과 모우드 II 피로하중이 가해지는 각각의 균열진전 실험에서 축하중비가 감소하고 전단응력값이 증가할수록 균열진전 수명은 증가하고, 균열진전률은 일정 혹은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 균열면의 간섭에 의한 것으로 복합모우드 피로균열해석에서 균열면 간섭의 영향은 필히 고려되어야 하며 응착마모이론을 도입한 균열해석이 효과적임을 보였다. 또한 균열진전률의 기복 및 처짐 현상은 과도한 소성변형, 하중비, 거친 균열면의 접촉 면적 등의 상호작용에 의한 것임을 알았다.
단순모우드 I 피로실험결과와 비교해볼 때 모우드 II 피로하중의 중첩은 균열진전 수명을 현저하게 감소시키며 위에서 언급한 소성변형, 하중비, 접촉면적의 상호작용으로 축하중비가 커질수록 균열진전률의 기복현상이 뚜렷하게 관찰되었다. 그러나 모우드 II 하중조건이 클수록 복합모우드 피로균열해석에 응착마모이론만을 도입하는 것에는 무리가 따를 수 있으며 응착이외의 요소에 의한 영향도 함께 고려해준다면 더욱 신뢰성있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
이상의 결과로부터 복합모우드 피로균열해석의 중요한 요소로서 균열닫힘과 균열면의 간섭을 제시하였고 이 두가지 요소를 고려하여 구성된 유효응력강도계수진폭은 피로실험결과들을 보다 좁은 영역으로 수렴시키고 있어 하중비 및 응력진폭의 변화에 관계없이 좋은 상관관계를 보이고 있으므로 복합모우드 피로균열해석을 위한 해석변수로 제안하였다. 균열선단의 J-적분 비교로부터 꺾인 균열은 균열선단간의 거리를 길이로 갖는 유효균열로 정의할 수 있으며 그 오차는 2%이내임을 알았다. 또한 실험결과로부터 복합모우드 하중상태에서 균열진전률은 단순모우드 피로실험의 것보다 빠르기 때문에, 보다 안정적인 피로해석을 위해서는 각각의 하중조건으로 계산된 응력강도계수들의 적절한 조합으로 해석변수의 계산이 이루어지고 복합모우드 피로균열 진전실험이 선행되어야 한다. 그리고 가능한한 단축하중 상태가 이루어지도록 공학구조물를 설계하여야 할 것이다.
