본문내용
1. 피로시험의 개요
1.1. 피로시험의 정의와 목적
피로시험은 재료를 실용 기계부품이나 구조물 등에 적용 시 예상치 못한 파괴를 미연에 방지하고 부품의 수명이나 교체시기를 예측하여 궁극적으로 안전을 도모하고 물적 인적 피해를 방지하기 위하여 수행된다. 피로시험을 통해 시험을 통한 주기에서 표준 치수의 시험편이 안전하게 견딜 수 있는 응력을 결정할 수 있고, 재료가 받는 응력에 따른 수명의 그래프(피로-수명 곡선, S-N곡선)를 그릴 수 있다."
1.2. 피로현상의 특성
피로현상의 특성은 다음과 같다.
피로는 금속 등의 재료가 반복되는 응력을 받아 그 강도가 약해지는 현상이다. 피로파괴는 하중변화가 심하여 발생응력이 시간에 따라 빠르게 변하는 변동응력 조건 하에서 최대응력이 극한강도 또는 항복강도 보다 낮은 응력에서 구조의 파괴가 발생하는데, 이러한 파괴는 많은 반복 사이클 후에 발생하므로 이를 피로파괴라고 한다. 피로파괴는 외형상으로는 큰 변화를 일으키지 않고 진행되기 때문에 어느 순간 돌발적으로 파괴가 일어나 종종 큰 사고가 일어나기도 한다.
피로파괴는 재료의 내부에 존재하는 불순물, 미소결함, 기계 가공 시 생기는 흠 등이 원인이 되어 이곳에서부터 균열이 시작된다. 금속은 수많은 결정 입자가 임의의 방향으로 배열되어 있으며, 그들 중 어떤 입자들에서는 slip현상이 쉽게 일어날 수 있는 방향으로 응력이 걸리게 된다. 따라서 반복 응력이 작용하게 될 경우 이들 입자들에서 slip현상이 진행되어 균열이 시작된다. 균열이 성장을 거듭하여 결국 파괴가 발생하게 된다.
피로파괴 과정은 크게 4단계로 나눌 수 있다. 첫째, 균열 발생(crack initiation) 단계로 피로 손상의 초기 단계이다. 둘째, 슬립띠 균열 성장(slip-band crack growth) 단계로 전단 응력이 큰 면에서 초기 균열 성장이 내부로 전파하는 과정이다. 셋째, 인장 응력이 큰 면에서의 균열 전파(crack growth on planes of high tensile stress) 단계로 최대인장 강도와 수직한 방향으로 균열이 성장한다. 넷째, 최종 연성 파단(ultimate ductile failure) 단계로 균열이 충분이 성장한 후 잔여 단면적이 하중을 견디지 못하게 될 때 일어난다.
따라서 피로현상의 주된 특성은 재료의 내부 결함과 미세구조 변화에 의해 점진적으로 진행되는 파괴 과정이며, 외형상 큰 변화가 없다는 점, 그리고 최대응력이 극한강도 보다 낮은 수준에서도 파괴가 발생한다는 점을 들 수 있다.
1.3. 피로파괴의 원인
금속이 반복 응력 또는 변형을 받을 때 일어나는 피로 파괴의 주요 원인은 다음과 같다.
첫째, 소재 내부에 존재하는 불순물, 미소결함, 기계 가공 시 생기는 흠 등이 균열 발생의 원인이 된다. 금속은 수많은 결정 입자가 임의의 방향으로 배열되어 있으며, 그중 일부는 응력이 걸리는 방향으로 슬립이 쉽게 일어날 수 있다. 따라서 반복 응력이 작용하게 되면 이들 입자에서 슬립 현상이 진행되어 균열이 시작된다.""
둘째, 균열이 성장을 거듭하여 결국 파괴가 발생하게 된다. 균열이 시작되면 응력 집중이 가속화되어 균열이 더욱 빠르게 진전되며, 마침내 재료 전체가 파괴에 이르게 된다.""
셋째, 기계 가공 과정에서 발생하는 표면의 홈이나 흠집 등이 피로 균열의 발생 위치가 된다. 일반적으로 피로 파괴는 표면에서 시작되므로, 표면 상태가 매끄러울수록 피로 수명이 향상된다.""
이처럼 피로 파괴는 소재 내부 또는 표면의 결함으로부터 시작되는 균열이 점진적으로 성장하여 발생하는 것이 주된 원인이다.""
2. 피로시험의 이론적 배경
2.1. 용어 정의
피로(fatigue)는 금속 등의 재료가 반복되는 응력을 받아 그 강도가 약해지는 현상이다. 피로파괴(fatigue fracture)는 하중변화가 심하여 발생응력이 시간에 따라 빠르게 변하는 변동응력 조건 하에서 최대응력이 극한강도 또는 항복강도 보다 낮은 응력에서 구조의 파괴가 발생하는데, 이러한 파괴는 많은 반복 사이클 후에 발생하므로 이를 피로파괴라고 한다. 응력비(stress ratio)는 하중의 한주기에서의 최소응력과 최대응력 사이의 비율이다. 진폭(amplitude)은 주기적으로 진동하는 파의 진동 폭이며, 평균응력(mean stress)은 변동하는 하중의 한 주기안에서 최대와 최소의 응력 차이이다. 주기는 최소점에서 최소점까지 걸린 시간이며, 주파수(Hz)는 1초동안 반복되는 회수이다.
2.2. 응력 사이클의 종류
응력 사이클의 종류에는 크게 단순 반복 응력, 변동 응력, 반복 변동 응력, 중복 반복 응력 등이 있다.
단순 반복 응력은 일정한 극댓값과 최솟값 사이를 단순 또는 주기적으로 변동하는 응력으로, 평균 응력과 응력 진폭 및 진동수로 규정된다. 이때 양진 응력은 최대응력과 최소응력의 크기가 같고 방향이 반대인 경우를 말한다.
변동 응력은 불규칙하게 변화하는 응력으로, 일정한 진폭, 주기 및 진동수가 없다. 반복 변동 응력은 변동 응력의 일부분이 일정한 주기로 반복되는 응력이다. 중복 반복 응력은 여러 종류의 반복응력이 차례로 반복되는 응력을 말한다.
이와 같은 다양한 형태의 응력 사이클은 실제 기계부품이나 구조물에 작용하는 복잡한 하중 조건을 모사하기 위해 활용되며, 이를 통해 재료의 피로 특성을 정확히 파악할 수 있다.""
2.3. S-N 곡선과 피로한도
S-N 곡선과 피로한도는 재료의 피로 특성을 평가하는 데 중요한 개념이다. S-N 곡선은 재료에 작용하는 응력 진폭과 이에 대한 파괴까지의 반복 횟수(피로수명)의 관계를 나타낸 선도이다. 이 곡선에서 응력 진폭이 감소함에 따라 피로수명이 증가하는 경향을 보인다. 일정 응력 진폭 이하에서는 피로수명이 무한대에 가까워지는데, 이 응력 값을 피로한도(fatigue limit) 또는 내구한도라고 한다.
피로한도는 재료가 무한 반복 응력에 견딜 수 있는 최대 응력 진폭을 의미한다. 강철과 같은 금속 재료는 일반적으로 명확한 피로한도를 가지고 있지만, 알루미늄, 구리 합금과 같은 비철금속 재료는 피로한도가 뚜렷하게 나타나지 않고 계속해서 경사를 이루는 S-N 곡선을 보인다. 이는 재료의 미세구조와 결정 결함 등에 기인한 것으로 알려져 있다.
피로한도는 재료의 피로 특성을 나타내는 중요한 지표로, 설계 시 주요하게 고려되어야 한다. 피로한도 이하의 응력에서는 무한 반복 하중에도 재료가 견딜 수 있지만, 피로한도를 초과하면 반복 하중에 의해 점진적으로 균열이 생성되고 성장하여 결국 파괴에 이르게 된다. 따라서 피로한도를 고려하여 부품을 설계함으로써 안전성을 확보할 수 있다.
S-N 곡선과 피...
