피로시험 예비보고서 및 실험보고서

문서 내 토픽

1. 피로시험의 정의 및 목적

피로시험은 재료나 구조물이 반복적이거나 변동하는 하중 아래에서 견딜 수 있는 시간을 평가하는 시험이다. 금속 파손의 약 90%가 피로에 의해 발생하므로 피로 파손의 형태와 원인 분석이 중요하다. 이 시험을 통해 피로 수명, 피로 강도, 내구성을 확인하고 설계 개선, 재료 선택, 안전성 확보에 활용된다. 다양한 조건에서 재료의 피로 특성을 파악하고 부품 및 구조물의 피로 성능을 평가하여 안전하고 신뢰성 있는 설계와 제작에 기여한다.
2. S-N 곡선 및 피로 특성

S-N 곡선은 재료에 반복해서 가해져 파괴시키는 응력의 반복횟수와 진폭의 관계를 나타내는 곡선이다. 피로한도는 무한한 반복횟수를 견디는 응력 범위이며, 피로수명은 특정 반복응력 범위의 하중을 받을 때 재료가 견디는 반복횟수이다. 피로강도는 특정 반복횟수에 견디는 반복응력범위이고, 피로비는 피로한도를 인장강도로 나눈 값이다. S-N 곡선의 수평 부분이 피로한도를 나타낸다.
3. 피로시험의 종류

축 방향 피로시험은 축 방향 인장 또는 압축응력을 반복하는 시험이다. 회전 굽힘 피로시험은 축 방향의 수직으로 반복하중이 작용하며 시편을 회전시킨다. 비틀림 피로시험은 회전축 등에 사용되는 재료에 비틀림 하중을 반복한다. 복합응력 피로시험은 두 개 이상의 축 응력이 동시에 작용하며, 부식 피로시험과 열 피로시험도 있다.
4. 피로 과정 및 파괴 메커니즘

피로 과정은 균열 발생, 슬립 띠 균열 성장, 균열 전파, 최종 연성 파단의 단계로 진행된다. 균열 발생은 피로 손상의 초기 단계로 열처리로 제거할 수 있다. 슬립 띠 균열 성장에서 전단 응력이 큰 면에서 초기 균열이 내부로 전파된다. 균열 전파는 최대인장 강도와 수직한 방향으로 성장하며, 최종적으로 잔여 단면적이 하중을 견디지 못하면 연성 파단이 발생한다.

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1. 피로시험의 정의 및 목적

피로시험은 재료가 반복적인 응력에 노출될 때의 거동을 평가하는 중요한 시험입니다. 실제 산업 환경에서 많은 부품들이 진동, 회전, 충격 등으로 인한 반복 하중을 받기 때문에, 정적 강도만으로는 안전성을 보장할 수 없습니다. 피로시험을 통해 재료의 피로 강도, 피로 수명, 그리고 응력 집중 부위에서의 거동을 파악할 수 있으며, 이는 항공기, 자동차, 기계 부품 등의 설계 및 안전성 평가에 필수적입니다. 또한 재료의 미세구조 변화와 손상 누적 과정을 이해하는 데 도움이 되어 더 신뢰성 높은 제품 개발을 가능하게 합니다.
2. S-N 곡선 및 피로 특성

S-N 곡선은 응력 진폭과 파괴까지의 반복 횟수 관계를 나타내는 그래프로, 재료의 피로 특성을 시각적으로 이해하는 데 매우 유용합니다. 일반적으로 응력이 높을수록 수명이 짧아지는 역의 관계를 보이며, 철강 재료의 경우 피로 한계라는 임계값이 존재하여 그 이하의 응력에서는 이론상 무한 수명을 가집니다. 반면 알루미늄 합금 등 비철금속은 명확한 피로 한계가 없어 응력이 낮아도 충분히 많은 반복 하중을 받으면 파괴될 수 있습니다. S-N 곡선의 형태는 재료의 종류, 표면 상태, 온도, 환경 등 다양한 요인에 영향을 받으므로 정확한 설계를 위해서는 실제 사용 조건을 반영한 시험이 필요합니다.
3. 피로시험의 종류

피로시험은 응력 형태에 따라 회전 굽힘 피로시험, 축 방향 피로시험, 비틀림 피로시험 등으로 분류되며, 각각 다른 응력 상태를 재현합니다. 또한 응력 파형에 따라 정현파, 삼각파, 사각파 등 다양한 형태의 시험이 가능하며, 실제 사용 환경을 더 정확히 모사하기 위해 변동 응력 피로시험도 수행됩니다. 온도, 부식 환경, 고주파 등 특수한 조건에서의 피로시험도 중요하며, 이러한 다양한 시험 방법들은 재료의 특성을 종합적으로 평가하고 실제 설계에 필요한 데이터를 제공합니다. 각 시험 방법의 선택은 제품의 사용 환경과 요구되는 신뢰성 수준에 따라 결정되어야 합니다.
4. 피로 과정 및 파괴 메커니즘

피로 파괴는 일반적으로 초기 미세 균열 발생, 균열 전파, 최종 파괴의 세 단계를 거칩니다. 반복 응력에 의해 재료 내부의 결함이나 응력 집중 부위에서 미세 균열이 시작되며, 이 균열은 반복 하중에 의해 점진적으로 성장합니다. 균열 전파 과정에서 응력 집중도가 증가하면서 파괴 속도가 가속화되고, 결국 남은 단면이 정적 강도를 견디지 못해 급격한 파괴가 발생합니다. 이 과정에서 재료의 미세구조, 결정립 크기, 표면 상태, 환경 인자 등이 영향을 미치며, 파괴면의 특성(스트라이에이션, 방사상 무늬 등)을 통해 피로 파괴 여부를 판단할 수 있습니다. 피로 메커니즘의 이해는 재료 개선과 수명 예측 모델 개발에 필수적입니다.

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