기술사 시험 공부 - 피로 파괴(Fatigue failure)

 

 

1. 피로한도(fatigue limit)의 개요

 

재료가 시간적으로 변동하는 변동하중(  기술사 시험 공부 - 하중과 응력 및 변형률 (Load, Stress & Strain) (tistory.com) )을 받는 경우 그 최대응력이 정적인 파괴응력보다 적은 경우라도 어느 반복회수후에 파괴된다. 이러한 파괴를 피로파괴(fatigue failure)라 한다. 세로축에 응력진폭을 잡고 가로축에는 파괴될때까지의 응력반복회수를 잡아 대수 눈금으로 잡아서 표시하면 다음과 같다.

(S-N 곡선, 출처: 기계설계)

(그림 S-N곡선: S:응력진폭(σa), 시간강도(σwN), 임계반복횟수: 10^6~10^7, 반복횟수 N(log), 피로한도(σw))

 

여기에서 강재의 경우 응력반복횟수가 10^6~10^7사이에서 수평이 되며 이 수평부의 응력은 무한회의 반복을 주어도 영구히 파괴되지 않는다. 이 응력을 피로한도(fatigue limit)라 한다. 내구한도(endurance limit)라고도 한다.

 

무어(Moore)의 연구인 0.83% C 탄소강에 대하여 응력(S)과 반복횟수(N)와의 관계를 표시하면, 응력이 적어지면 반복횟수가 증가하고 5x10^6의 직선인 수평으로 되는 점의 응력은 아무리 시간(반복횟수)이 길어져도 파괴하지 않음으로 이 응력을 피로강도(Fatigue strength)혹은 피로 한도라 하였다.

 

피로에 대한 연구는 1860년 아우구스트 뵐러(August Wöhler, 주1)가 처음 발표한 것으로 회전축과 같이 인장과 압축의 반복 응력을 받고 있을 때 비교적 낮은 응력에서 파단을 일으키는 것을 피로현상이라고 하였다.

 

2. 피로한도에 영향을 미치는 인자

 

재료의 피로한도는 평균응력이외에도 실제의 사용조건에서 여러 가지 영향을 받아 크게 변화한다. 다음에 피로한도에 영향을 주는 여러인자를 살펴본다.

 

1) 노치효과

단면에 급격한 변화나 예리한 노치가 있으면 그부분에 응력집중현상이 생겨 국부적으로 급격한 응력의 상승을 일으키는데 이 응력집중이 피로한도를 급격히 저하시킨다. 이것을 노치효과라하고 이효과를 노치계수라 하여 β로 나타내면,

 

 

 

2) 치수효과

같은 재료라도 치수가 커지면 피로한도가 저하한다. 이 효과를 치수효과 (size effect)라 한다. 이 현상은 노치가 없는 균일단면봉에서도 일어나며 응력집중이 있는 경우의 피로한도에 특히 현저하게 나타난다.

 

3) 표면상태

다듬질면의 거칠기는 많은 노치가 집적된 것으로 생각할 수 있으며 이 노치효과에 의해서 피로한도는 저하한다.

 

4) 부식작용

재료가 부식되면 표면이 거칠어지고 이것이 노치작용을 하므로 피로한도가 크게 저하한다. 특히 부식이 진행되면서 반복응력을 받는 경우에는 더욱크게 저하한다. 이것을 부식피로라 한다.

 

5) 온도

고온이되면 강재의 경우 특히 400도를 넘게되면 피로한도가 크게 저하한다.

 

6) 압입

축에 허브, 베어링의 내륜등을 압입하여 끼우든가 열박음을 하면 끼워맞춤축의 부분의 피로한도는 1/2로 줄어든다.

 

7) 과소응력과 과대응력의 반복의 영향

피로한도보다 작은 응력을 과소응력, 큰 응력을 과대응력이라한다. 재료가 피로한도 이하 또는 이상의 반복응력을 미리 받으면 받기전의 재료에 비하여 피로한도가 변화한다. 즉, 과소응력을 받으면 σw는 증대하고 과소응력이 σw에 가까울수록 반복회수가 클수록 σw는 증대한다. 또 과대응력의 반복을 받으면 σw는 저하하고 과대응력이 클수록 반복회수가 클수록 σw의 저하가 현저하다.

 

3. 피로한도의 개선

 

재료의 표면층에 압축잔류응력을 발생하도록 하는 질화, 침탄, 고주파퀜칭등의 표면경화열처리나 로울러압연, 숏피이닝(shot peening), 샌드블라스트(sand blasting)등의 상온가공처리는 피로한도를 향상시키는 효과가 있다. 특히 노치가 있는 경우 효과가 크다. 또 적당한 과소응력으로부터 반복응력을 단계적으로 상승시키면서 반복시켜가면 피로한도가 향상된다. 이런현상은 코우키싱(coaxing)이라한다.

 

4. 결론

 

피로는 탄성한도보다 낮은 응력이 작용하여도 장기간 반복되면 결국 파괴되는 현상이 피로파괴현상이다. 피로파괴는 대형선박이나 교량등의 파괴에도 관여되는 기계부품에 있어서 상당히 심각한 결과를 초래하는 영향을 가져오는 중요한 현상이다. 설계자는 이렇나 피로파괴가 일어나지 않도록 노치효과등 응력집중등에 대해 세심하게 계산하고 설계하여야 하고 제작자도 사소한 노치부분이 발생되지 않도록 제작에 세심한 주의를 기울여야 한다.

 

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주1) 아우구스트 뵐러 (August Wöhler, 1819년 6월 22일 – 1914년 3월 21일) 는 독일의 철도 엔지니어로, 금속 피로에 대한 체계적인 연구로 가장 잘 알려져 있다. August Wöhler - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 (wikipedia.org)

August Wöhler - Wikipedia

 

 

주2) 에스컬레이터 구동체인 안전기준(별표 19)에서의 피로한도 시험 방법 (예)

(구동체인의 예)

 

6.3.4 피로한도 시험

그림 3에서 나타낸 평균하중 (Pm)과 하중 진폭 (Pa)과의 비 (Pm/Pa)를 1.2로 하여, 반복 하중을 롤러 체인에 가하여 반복횟수 5x10^6에서 롤러 체인이 파괴하지 아니한 최대 하중(Pmax = Pm + Pa)을 그 롤러 체인의 피로한도로 한다.

또한, 피로 한도의 시험은 유효 부분이 5링크 이상의 롤러 체인 양끝을 새클 장치에 부착하여 각 링크에 비틀림, 만곡등이 가해지지 않도록 소정의 하중을 가하는 것으로 한다.

비고 전동용 롤러 체인의 피로한도 시험은 KS B 1407을 참조하여 적용할 수 있다. StreamDocs (e-ks.kr)

 

(그림 3. 반복 하중)

 

 

2024.1.18.

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