실제 반복 열하중 조건에서 다양한 실린더 헤드 재질의 피로 특성을 비교하기 위해 열피로 해석을 위한 새로운 시편 설계 및 테스트 시스템이 개발되었습니다. 시편 형상과 열 순환은 유한 요소 분석을 사용하여 최적화되었습니다. 열피로 시험체의 아령형 단면을 고주파 유도가열기를 이용하여 국부적으로 가열한 후 압축공기를 이용하여 냉각시켰다. 그런 다음, 시편 내에서 생성된 불균일한 열 구배를 사용하여 내부적으로 기계적 변형을 유도하여 실제 작동 조건에서 실린더 헤드의 밸브 브릿지 작동을 정확하게 시뮬레이션합니다. 결과적인 피로 수명은 합금의 고유한 피로 강도뿐만 아니라 열전도율, 탄성 계수, 열팽창 계수와 같은 기타 관련 특성과도 관련이 있습니다. 이 테스트는 다양한 합금의 열 피로 적용을 비교하는 데 필수적인 도구입니다. 조성 변화와 열처리가 열역학적 특성에 미치는 영향을 연구하기 위해 4개의 알루미늄 합금을 테스트하고 테스트 방법과 결과를 자세히 소개했습니다.
0?머리말
자동차 제조업체는 미래에 대한 엄격한 연비 요구 사항을 충족하기 위해 연비를 개선하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 경량화와 더불어 터보차저는 연비 향상과 출력 확보를 통해 엔진 소형화를 달성하기 위한 첨단 설계 전략으로 자리 잡았다. 그러나 터보차징은 엔진 작동 온도를 상승시켜 종종 부품 고장으로 이어집니다. 자동차 엔진 부품은 복잡한 부하 조건과 열 사이클에 노출되는 경우가 많습니다. 엔진 실린더 헤드 내에서는 주기적인 점화 응력으로 인해 고주기 피로(HCF)가 발생하고, 엔진 시동 및 정지 시 열 사이클에 의해 유발된 소성 변형으로 인해 저주기 피로(LCF)가 발생합니다. 증가된 실린더 헤드 온도 및 압력 요구 사항에 대응하여 이 새로운 엔진 설계에 사용하기 위해 다양한 내열 주조 알루미늄 합금이 개발되었습니다. 일반적으로 새로운 합금의 열피로 특성은 등온피로시험, 열기계피로(TMF) 시험, 기타 열특성 측정(열용량, 열팽창계수, 열전도율 등) 등 다양한 시험을 통해 예측됩니다. 이러한 테스트는 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다. 또한 모든 열 특성이 동시에 영향을 미치기 때문에 추정된 열 피로 성능은 그다지 정확하지 않습니다. 열 피로 테스트는 모든 재료 특성을 고려하는 구조 테스트입니다. 등온 저주기 피로 테스트와 열역학적 피로 테스트는 재료의 고유한 피로 특성을 얻기 위한 좋은 도구입니다. 합금의 열피로 테스트를 위한 가장 정확하고 직접적인 방법은 부품 수준 테스트를 수행하는 것입니다. 테스트에서는 토치를 사용하여 실린더 헤드의 연소실을 가열하고 물 미스트를 사용하여 냉각했습니다. 열전대는 중요한 위치의 온도를 지속적으로 모니터링하는 데 사용됩니다. 실린더 헤드는 균열이 나타날 때까지 광학 현미경으로 주기적으로 검사되었습니다. 그러나 실린더 헤드 성형 및 실린더 헤드 열 피로 테스트 비용은 매우 높습니다. 따라서 소규모 열피로 시험만 수행할 수 있습니다.
이 기사에서는 다양한 열피로 테스트 장치 및 테스트 방법을 제안하며, 모두 장점과 단점이 있습니다. Hayashi는 모래시계 모양의 둥근 머리 아령 모양의 표본과 특별히 설계된 오토클레이브를 사용하여 304 스테인리스 강의 열 피로 강도를 테스트했습니다. 물 환경에서 끓는 물 반응기(BWR)의 온수 제트와 냉수 제트는 각각 샘플을 가열하고 냉각하는 데 사용됩니다. 이 테스트 시스템의 목적은 BWR 시뮬레이션 환경에서 304 스테인리스 강의 열 피로 특성을 연구하는 것입니다.
Meyer-Olbersleben 등은 니켈 기반 단결정 초합금의 열 피로 특성을 연구하기 위해 블레이드형 쐐기형 시편을 사용했습니다. 블레이드 모양의 부품을 가열하기 위해 유도 코일을 사용하고, 공기 냉각을 위해 블레이드 전단에 있는 구리 노즐을 사용합니다. 시편의 열팽창 차이로 인해 열 변형과 응력이 발생합니다. 이 설계의 장점은 단순한 시편 형상과 짧은 사이클 시간이지만 단점은 전체 블레이드의 가열 및 냉각이 고르지 않다는 것입니다. Panda와 Wei 등은 비슷한 디자인의 평평하고 두꺼운 시편을 사용하고 가스 용접 토치를 사용하여 가열했습니다. Schneider 등은 디스크 모양의 샘플을 사용하고 가열을 위해 두 개의 텅스텐 할로겐 램프를 사용했습니다. 가열 속도는 1?000?°C/s에 도달할 수 있습니다.
요약하자면, 효율적이고 신뢰할 수 있는 열 피로 테스트 벤치를 설계하기 위해서는 좋은 가열 방법과 적절한 시편 구조가 필수 조건입니다. 이 기사에서는 새로운 유형의 열 피로 테스트 벤치를 소개하고 다양한 알루미늄 합금의 열 피로 특성을 비교하기 위한 테스트 방법을 제안합니다.
1? 테스트 장치
1.1? 열 피로 테스트 벤치
본 연구에 사용된 열 피로 테스트 벤치는 그림 1에 나와 있습니다. 디자인은 효율성을 향상시킬 수 있는 다른 연구자들로부터 몇 가지 아이디어를 차용했습니다. 가열 과정에서 테스트 벤치는 특별히 설계된 코일이 있는 유도 히터를 사용하여 샘플 측정 섹션을 국부적으로 가열합니다.
클램프는 테스트 벤치의 필수적인 부분입니다. 그 기능은 시편을 고정하고 냉각시키는 것입니다. 클램프는 상단 및 하단 부품 끝을 고정하여 열 순환 중에 시편이 느슨해지지 않고 클램프와 완전히 접촉하여 적절한 냉각이 가능하도록 합니다. 열 주기 동안 클램프는 클램프 중앙을 통과하는 냉각 루프에 의해 지속적으로 냉각되어 시편 뒷면에서 과도한 열을 흡수하여 시편이 녹는 것을 방지합니다. 냉각수 온도는 60°C로 설정되어 있습니다. 냉각 사이클에서는 측정 구간 양쪽 끝에 위치한 2개의 노즐을 사용하여 압축 공기를 통해 시료 측정 구간을 국부적으로 냉각합니다(그림 1). 급속 가열 및 냉각은 측정 섹션에 극심한 열 변형을 일으킬 수 있습니다.
그림 1과 같이 측정 구간의 온도는 고온계를 통해 지속적으로 모니터링됩니다. 시료측정부의 양쪽 끝부분은 검정색 내열도료로 코팅되어 정확한 온도 측정이 가능합니다. 온도 측정의 정확성을 보장하기 위해 페인트의 방사율이 보정되었습니다.
측정 구간의 중앙은 가장 높은 변형률과 온도를 견뎌야 하는데, 이 부분에서 크랙이 발생할 가능성이 가장 높습니다. 측정부의 환형 구멍 내부 표면을 사포로 연마하여 표면의 가공 결함을 제거하여 발생한 균열을 보다 쉽게 관찰할 수 있도록 했습니다. 연마방향은 크랙방향과 수직으로 하여 인위적인 결함으로 인한 크랙을 방지합니다.
LabVIEW® 소프트웨어를 사용하여 열 주기를 제어하고 온도를 기록하십시오. 일반적인 열주기 범위는 10~40μs이며, 가열 및 냉각 시간은 독립적으로 조정될 수 있습니다.
1.2 열피로 시험편의 기하학적 구조
열피로 시험편에 채택된 설계는 측정 구간에 나타나는 기계적 변형이 열변형과 온도에 의해 발생한다는 것을 의미한다. 표본 내 그라데이션. 샘플은 한쪽에 환형 구멍이 있는 얇은 직육면체입니다. 구체적인 기하학적 구조는 그림 2에 나와 있습니다. 측정부의 두께는 점차 얇아지며, 옆에서 보면 모래시계 모양이 됩니다. 가열 사이클 동안 측정 부위의 온도가 증가하므로 시편의 나머지 부분의 온도가 낮아져 열팽창 및 압축 변형률의 발생이 억제됩니다. 냉각 사이클 동안 측정 섹션은 압축 공기에 의해 국부적으로 냉각되어 인장 변형이 발생합니다. 시편의 넓은 표면적은 열을 공기 중으로 방출하며, 시편 뒷면은 클램프에 의해 지속적으로 냉각됩니다.
시편의 측정 섹션에서는 열 피로 충격을 받을 가능성이 가장 높고 가장 극심한 열 구배를 견뎌야 하는 실린더 헤드의 밸브 브리지를 시뮬레이션합니다. 그림 3은 테스트에 사용된 실린더 헤드의 연소실 포트 설계의 일반적인 구조를 보여줍니다. 흡입구와 배기구 사이의 밸브 브릿지는 원으로 표시되어 있으며, 밸브 브릿지 위치에 균열이 보입니다.
유한 요소 분석 도구를 사용하여 시편 구조를 최적화하면 가속 열 피로 테스트를 합리적인 시간 내에 수행할 수 있습니다. 최적의 시편 구조를 결정하고 예상 위치에 균열이 나타나는지 확인하기 위해 여러 번의 반복 테스트를 수행했습니다.
1.3? 열 피로 테스트 프로세스
위에서 언급한 것처럼 열 피로 테스트는 다양한 재료의 열역학적 특성을 비교하는 이상적인 방법입니다. 비교를 위해 4개의 실린더 헤드 알루미늄 합금 재료가 사용되었습니다. 동시에, 가열 속도와 전류 입력 사이의 관계를 이해하고 균열이 나타나는 사이클 수를 얻기 위한 예비 테스트가 필요합니다. 이 정보는 열 주기 시간을 결정하고 해당 균열 발생 주기 수를 추정하는 데 사용될 수 있습니다.
본 연구에 사용된 재료를 각각 합금 1~4라고 명명한다. 이들 합금의 차이점은 첨가된 미량원소의 양과 열처리 공정입니다. 기밀 유지상의 이유로 이들 합금의 정확한 구성은 공개할 수 없습니다. 테스트에는 두 가지 방법이 사용됩니다. 하나는 가열 전류 입력을 고정하고 특정 사이클 수에 도달하면 테스트를 중지하는 것입니다. 다른 하나는 안정적인 사이클에서 최대 온도를 고정하고 특정 사이클 수에 도달하면 테스트를 중지하는 것입니다. 도달했다.
테스트에 사용된 세 가지 조건은 표 1과 같다. 조건 1은 400ΩAΩ의 고정 전류 입력입니다. 조건 2는 고정 전류 입력이 450μA이지만 가열 시간이 5μs 단축되어 조건 1과 비교하여 최대 온도가 비슷합니다.
조건 3은 최대 온도가 280°C로 고정된 안정적인 사이클 공정입니다. 합금마다 열 특성이 다르고 전류 입력도 그에 따라 조정되기 때문입니다.
표 1: 본 연구에 사용된 테스트 조건
모든 테스트는 2,000사이클에서 중단되었으며, 시편을 절단하고 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 검사했습니다. 종료 주기는 시편이 완전히 파손되기 전에 적당한 수의 균열이 관찰될 수 있는 예비 테스트를 기반으로 결정되었습니다. 소성 변형으로 인해 시편 표면이 매우 거칠어져 작은 균열을 식별하기가 어렵기 때문에 균열의 원인을 결정하는 것은 어려운 작업입니다. 이러한 이유로 균열 개수를 정량화하기 위한 균열 계수 기준이 제정되었으며, 길이가 50μm를 초과하는 균열만 계수하였다. 균열 길이는 균열의 두 끝점 사이의 직선 길이로 정의됩니다. 이 계산 표준은 네 가지 합금의 열 피로 특성을 비교하기 위한 합리적인 통계적 기초를 제공합니다.
합금 1과 합금 3의 경우 각 테스트 조건에서 2개의 샘플을 테스트했습니다. 합금 2 및 합금 4의 경우 각 테스트 조건에서 3개의 시편을 테스트했습니다. 결과와 논의에는 영향을 미치지 않지만 표본 수가 제한되어 있어 절충안이 이루어졌습니다.
2? 결과 및 토론
대부분의 균열은 측정 단면의 중앙 근처에 위치하며 방향은 주요 인장 응력 방향에 수직입니다. 구체적인 예는 그림 4를 참조하십시오. 시편 표면에서 다량의 소성 변형이 명확하게 볼 수 있습니다. 극심한 온도와 소성 변형으로 인해 균열은 고주기 피로에서 흔히 볼 수 있는 것과 달리 불규칙한 모양으로 성장하고 전파됩니다. 다양한 테스트 조건에서 각 샘플의 관찰된 균열 길이가 그림 5에 표시되어 있으며, 각 지점은 관찰된 균열 하나를 나타냅니다.
2.1 전류 입력의 영향
서로 다른 합금 간의 열기관 성능을 비교하기 위해 전류 입력을 일정한 값으로 설정하고 열용량, 열팽창 계수를 합금의 열전도도와 특성은 함께 측정 섹션에서 발생하는 기계적 변형을 결정합니다. 최대 온도는 시편의 열적 특성과 기공 등의 결함으로 인해 변경됩니다. 본 연구에 사용된 합금은 주조 알루미늄 합금이며, 수축 공동과 기공은 주조 공정 중 일반적인 결함입니다. 결과는 합금 1과 비교하여 합금 2, 합금 3 및 합금 4가 수축 공동 및 기공이 많다는 것을 보여줍니다. 테스트 중에 관찰된 최대 온도 결과는 표 2에 나와 있습니다.
합금 1의 최대 온도가 가장 낮고 크게 변하지 않습니다. 합금 2, 합금 3 및 합금 4의 최대 온도는 더 높으며, 최대 온도는 샘플에 따라 크게 다릅니다. 이러한 결과의 본질적인 이유는 합금 구성, 열처리 및 주조 결함입니다.
그림 5에서 볼 수 있듯이 두 테스트 조건 모두에서 합금 1의 균열 길이가 50μm를 초과하는 경우는 관찰되지 않았습니다. 이는 주로 합금 1의 최대 온도가 매우 낮고 열 구배로 인한 기계적 변형도 가장 낮기 때문입니다. 다른 3개 합금은 균열 수와 길이가 다릅니다. 전류 입력이 낮을수록 가열 시간은 길어지고, 전류 입력이 높을수록 가열 시간은 짧아집니다.
따라서 두 가지 테스트 조건의 최대 온도는 기본적으로 동일합니다. 테스트 조건 1은 대부분의 균열 길이가 300μm보다 짧으며 합금 3과 4에서 여러 개의 긴 균열이 관찰될 수 있음을 보여줍니다. 테스트 조건 2는 합금 2가 더 긴 균열을 가짐을 보여줍니다. 이 연구에서는 단지 몇 개의 시편만 테스트했기 때문에 평균 균열 길이는 어떤 합금이 더 나은지 결정하는 방법에 대한 의미 있는 결론을 내릴 수 없습니다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다. 합금 1은 동일한 전류 입력 조건에서 열 피로 저항이 더 우수합니다.
표 2? 동일한 테스트 조건에서 서로 다른 합금의 최대 온도
2.2? 최대 온도의 영향
설계 테스트 조건 3은 다음을 확인하는 데 사용됩니다. 즉, 테스트 조건 1과 2에서 합금 1에 대해 관찰된 더 낮은 최대 온도가 합금 1이 더 나은 열 피로 저항을 갖는 유일한 이유는 아닙니다. 테스트 조건 3의 최대 온도는 280°C로 설정되었습니다. 기계적 변형은 모든 열적 특성의 상호 작용에 의해 결정되므로 동일한 최대 온도가 측정 구간에서 동일한 기계적 변형이 발생한다는 것을 보장하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 그림 5(c)에 표시된 것처럼 합금 1은 여전히 균열 수가 가장 적고 모든 균열 길이는 100μm보다 짧습니다.
반면, 합금 2, 합금 3 및 합금 4는 균열이 더 길고 최대 균열 길이는 400μm에 달할 수 있습니다. 결과는 합금 1이 다른 합금보다 열피로 저항성이 더 우수하다는 것을 보여줍니다.
3? 결론
4종의 주조 알루미늄 합금의 열피로 특성을 연구하고 비교하기 위해 새로운 열피로 테스트 벤치를 개발하고 관련 테스트 방법을 확립했습니다. 결과는 합금 1이 모든 테스트 조건에서 다른 합금보다 열피로 저항성이 더 우수하다는 것을 보여주며, 합금 열피로 저항 측면에서 테스트 벤치의 정성적 비교 능력을 성공적으로 검증했습니다. 본 논문에서는 고정 전류 입력과 고정 최대 온도를 사용하는 두 가지 테스트 방법을 제안하며 두 방법의 테스트 결과는 일관됩니다. 이 테스트는 다른 고가의 테스트 절차에 비해 상대적으로 비용 및 시간 효과적인 합금 선택 도구로 사용할 수 있습니다. 테스트 벤치 및 테스트 방법의 신뢰성과 적용성을 보장하기 위해 다른 합금도 심도 있게 연구해야 합니다.
참고: 이 기사는 "Automobiles and New Power" 잡지 2020년 2호에 게재되었습니다.
저자: [미국] W.J. LAI 외.
편곡: Tian Yonghai
편집자: Yu Zhan
이 기사는 Autohome Chejiahao 작성자의 글이며 Autohome의 견해와 입장을 대변하지 않습니다.