회전 굴곡 피로시험 실험 보고서

본 내용은 " [단국대]피로시험 레포트 A+ " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.05

문서 내 토픽

• 1. 피로시험의 종류 및 방법

  피로시험은 반복되는 응력에 의한 재료의 파괴를 연구하는 시험으로, 축 방향 인장 압축 피로시험, 회전 굴곡 피로시험, 비틀림 피로시험, 복합 응력 피로시험, 저주파 및 고주파 피로시험, 부식 피로시험, 열 피로시험 등 다양한 종류가 있다. 본 실험에서는 회전 굴곡 피로시험기를 사용하여 시험편에 반복적인 굽힘 하중을 가하고, 시편을 회전시켜 표면에 인장 및 압축응력을 번갈아 작용시켜 피로파괴까지의 반복 횟수를 측정한다.

• 2. 피로파괴 및 S-N 선도

  피로파괴는 정하중보다 훨씬 작은 응력이 반복되거나 변동할 때 금속재료의 강도가 저하되어 발생하는 파괴 현상이다. 반복응력의 크기와 파괴까지의 반복 횟수의 관계를 나타낸 S-N 곡선을 통해 특정 응력에서의 피로수명을 예측할 수 있다. 로그 스케일의 S-N 선도를 이용하면 선형 관계식으로 특정 회전수에서의 응력값을 계산할 수 있다.

• 3. 피로한계 및 영향 인자

  피로한계는 재료에 무한히 반복적인 하중을 가하여도 파괴되지 않는 응력변동의 최대범위이며, 재질, 반복하중의 종류, 표면 상태, 형상, 크기 등에 따라 영향을 받는다. 철강재료에서는 일반적으로 10^7회의 반복에 견디는 최대응력 진폭을 피로한계로 정의한다. 굽힘응력과 회전수가 피로파괴의 주요 원인이며, 시험편의 크기, 표면 거칠기, 표면 잔류응력, 반복하중 범위, 환경적 원인, 미소 균열 등이 복합적으로 영향을 미친다.

• 4. 실험 결과 분석 및 응력 계산

  굽힘 모멘트(M) = WL/2 = 0.1W [N·m]이고, 굽힘응력(σ) = 32M/(πD³) = 3.2W/(πD³) × 10⁻⁶ [MPa]로 계산된다. 실험 데이터를 통해 직경 0.012m, 하중 10kg일 때 회전수 10000회에서 응력 199.85MPa, 직경 0.014m, 하중 4kg일 때 회전수 48713회에서 응력 399.70MPa, 직경 0.016m, 하중 2kg일 때 회전수 238758회에서 응력 599.54MPa를 얻었다.

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• 1. 피로시험의 종류 및 방법

  피로시험은 재료의 장기적 신뢰성을 평가하는 필수적인 시험으로, 반복되는 응력 하에서 재료의 거동을 파악하는 데 중요합니다. 주요 시험 방법으로는 회전 굽힘 시험, 평면 굽힘 시험, 축 방향 피로시험 등이 있으며, 각각의 방법은 특정 응용 분야의 응력 조건을 모의합니다. 현대 산업에서는 고주파 피로시험기를 통해 시간 효율성을 높이고 있습니다. 다양한 시험 방법의 선택은 실제 사용 환경의 응력 패턴을 정확히 반영해야 하므로, 시험 설계 단계에서 신중한 검토가 필요합니다. 이러한 시험들은 항공우주, 자동차, 기계 산업 등에서 제품의 안전성과 수명 예측에 핵심적인 역할을 합니다.

• 2. 피로파괴 및 S-N 선도

  S-N 선도는 응력 진폭과 파괴까지의 반복 횟수 관계를 나타내는 그래프로, 재료의 피로 특성을 시각적으로 표현하는 가장 기본적인 도구입니다. 이 선도를 통해 재료가 특정 응력 수준에서 얼마나 오래 견딜 수 있는지 예측할 수 있습니다. 철강 재료는 일반적으로 피로한계를 나타내어 특정 응력 이하에서는 무한히 견디는 특성을 보이지만, 비철금속은 계속 감소하는 경향을 보입니다. S-N 선도의 정확성은 충분한 시험 데이터와 통계 분석에 의존하므로, 신뢰할 수 있는 결과를 위해서는 다수의 시편으로 광범위한 응력 범위에서 시험을 수행해야 합니다.

• 3. 피로한계 및 영향 인자

  피로한계는 재료가 무한히 견딜 수 있는 최대 응력으로, 구조물 설계의 안전성을 결정하는 중요한 매개변수입니다. 피로한계에 영향을 미치는 주요 인자로는 재료의 종류, 표면 상태, 크기 효과, 온도, 응력 집중 등이 있습니다. 표면 거칠기가 증가하면 피로한계가 감소하므로, 정밀한 표면 처리가 중요합니다. 또한 응력 집중부는 국소적으로 응력이 증폭되어 피로 수명을 크게 단축시키므로, 설계 단계에서 응력 집중을 최소화하는 것이 필수적입니다. 이러한 영향 인자들을 종합적으로 고려하여 설계 안전계수를 결정해야 합니다.

• 4. 실험 결과 분석 및 응력 계산

  피로시험의 실험 결과 분석은 통계적 방법을 기반으로 하여 신뢰도 있는 결론을 도출해야 합니다. 응력 계산에서는 공칭 응력뿐만 아니라 응력 집중 계수를 고려하여 실제 응력을 정확히 평가해야 합니다. 시험 데이터의 산포도를 분석하고 확률 분포를 적용하여 특정 신뢰도에서의 피로한계를 결정합니다. 또한 온도, 습도 등 환경 조건의 변화가 결과에 미치는 영향을 검토하고, 필요시 보정 계수를 적용해야 합니다. 현대에는 유한요소해석과 같은 수치해석 기법을 활용하여 복잡한 형상의 응력 분포를 정확히 계산하고, 이를 실험 결과와 비교 검증하는 방식이 널리 사용되고 있습니다.