기계공학 재료역학-피로(Fatigue)란?

피로란 무엇인가?

재료는 최대응력이 재료의 탄성한도를 넘지 않는 경우는, 하중이 제거되면 초기상태로 되돌아간다. 탄성영역 내에서의 상태라면 주어진 여러 차례 반복해도 무방하다고 지장이 없다고 생각할지 모른다. 이 결론은 수 십 차례, 혹은 수백 차례 반복하는 경우에는 옳다. 그러나 하중이 수천 번 혹은 수백만 번 반복될 경우에는 옳지 않다. 이러한 경우에서 재료는 충분한 강도를 가지면서 실제로 항복이 일어나지 않는 하중이라고 할지라도, 반복 하중이나 변동하중을 받으면 그 하중이 작더라도 시간이 지나 마침내 파괴가 되는 경우의 현상을 피로라고 정의한다. 피로는 반복하중이나 변동하중을 받는 구조물이나 기계 부품의 설계에는 필히 고려해야 할 사항이다. 부품의 유용기간 동안 예상되는 하중 사이클의 수는 매우 다양하다.

 

왜 피로 파괴가 중요한가?

최근의 산업발전과 더불어 강도와 인성이 우수한 재료의 개발이 계속 이루어지고 있으니 이들 재료로 만들어진 기계구조물, 차량, 선박 및 항공기의 피로파괴에 의한 사고는 계속 빈번하게 일어나고 있다. 크게는 제트 여객기와 원자력 발전소의 사고에서부터 작게는 산업현장의 기계부품의 파손 등에 이르기까지 이어지고 있으며, 이들 사고에 의한 인적 물적 피해는 막대하다. 때문에 많은 연구자들의 끊임없는 노력으로 이러한 피로파괴의 대책과 방지책이 검토되어지고 있다. 이로써 기계설계에 있어서 피로에 대한 정확한 분석은 가장 중요한 요소라고 하여도 과언이 아니다.

 

피로파괴의 원인

기계와 구조물이 반복되는 응력이나 변형을 받을 때 단순하중의 경우보다 훨씬 작은 값에서도 손상이 누적되어 상당한 기간이 지난 후에 파괴가 일어난다. 피로에 의한 파괴의 주원인은 균열이나 노치와 같은 재료내부에 존재하는 결함으로 균열이 발생하고 이들이 전파하는데서 기인한다. 결함의 선단부근에서는 응력의 집중이 일어나서 재료의 항복응력보다 훨씬 낮은 응력 하에서도 손상이 누적됨에 따라 균열이 생성되어 전파하게 된다.

 

피로 파괴의 과정

초기 단계: 응력집중부위에서 소성변형이 발생하고 이로 인한 미세균일이 생성된다.

발전 단계: 반복하중에 인해 균일 여닫기가 반복되면서 beach 마크 형태로 성장.

파괴 단계: 균열이 너무 커져 더 이상 하중을 지탱하기 어려운 상태로 갑작스레 파괴가 발생.

                 반복하중에 의한 피로파괴vs정적하중에 의한 파괴

 

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피로해석방법은 어떤 것이 있는가?

 

피로시험의 목적

기계나 구조물의 파괴가 대부분 피로파괴라 할 정도로 이에 대한 안정성 확보가 설계시 매우 중요한 사항중 하나가 된다. 특히 운동 상태에 있는 기계는 사용기간이 경과하면 재료의 강도가 저하되는데 그 저하 속도는 매우 느린 경우가 많고, 또 파괴 시점을 예측하기가 어려운 때가 대부분이다. 그리고 외형상으로는 큰 변화를 일으키지 않고 진행되는 피로파괴가 대부분이며 어느 순간 돌발적으로 파괴가 일어나 종종 큰 사고가 일어나기도 한다. 이처럼 피로 시험은 재료의 실용 기계부품이나 구조물 등에 적용 시 예상치 못한 파괴를 미연에 방지하고 부품의 수명이나 교체시기를 예측하여 궁극적으로 안전을 도모하고 물적 인적 피해를 미연에 방지키 위해서 수행되는 시험이다.

 

 

Stress-Life (S-N) Approach

 

S-N선도는 되풀이해서 가해지는 응력의 반복횟수와 그 진폭과의 관계를 나타내는 곡선이다. 응력진폭이 작을수록 파괴까지의 반복횟수는 증가하고 응력진폭이 어느 값 이하가 되면 무한히 반복되더라도 파괴되지 않는다.

 

피로수명: 시편의 파단시 까지의 적용된 하중의 반복횟수

피로강도: 피로수명에서 파단이 일어나는 응력 값

피로한도: 피로시험을 할 때 반복횟수가 아무리 많아지더라도 피로 파괴를 일으키지 않고 무한히 반복 견딜 수 있다고 생                     각 되는 응력의 최대치

 

 

low cycle fatigue(저주기피로):항복점을 넘는 소성영역에서의 피로시험

이하의 범위를 저주기파 피로라고 한다.

 

high cycle fatigue(고주기피로):재료의 파단될때까지 응력의 반복횟수가

이상의 범위를 고주기파 피로라고 한다. 주로 탄성영역의 응력을 가하게 된다.

 

 

Stress-Life (S-N) Approach 장점

 

⦁이 방법에 필요한 재료상수의 해석과 평가는 매우 간단하다.

 

⦁수명을 평가하는데 빠른 계산이 가능하다

 

⦁장 수명과 일정 진폭이력이 있는 설계에 잘 사용한다.

 

⦁표면 마무리, 하중형태, 환경 등의 어떤 변화에도 유용한 데이터가 있다.

 

 

 

Stress-Life (S-N) Approach 단점

 

⦁이 방법은 완전히 경험에 의한 것이고 다른 방법에 의해 주어지는 피로메카니즘에 대한 물리적 고찰 결여

 

⦁재료의 진응력-변형률 반응은 가상의 완전탄성변형을 위해 무시한다.

 

⦁단수명에서의 현저한 소성변형은 무시한다. S-N방법은 장수명 예측에만 적용된다.

 

⦁노치 선단에서의 재료의 진응력-변형률 관계가 무시되기 때문에 하중순서효과로부터 야기되는 평균 잔류응력을 모델화할 방법이 없다. 이것은 일정진폭에 근접하지 않는 하중이력을 다루는데 문제가 존재한다.

 

Stress-Life (S-N) Approach 적용예

 

⦁S-N 방법은 거의 모든 상황에서 수명을 대략적으로 평가하는데 사용될 수 있다.

 

⦁이 방법은 일정 진폭하중과 장수명을 가진 경우에 매우 잘 사용된다.

 

⦁동력전달축, 밸브스프링, 기어 등에 많이 이용

 

 

Staircase method

 

정의: 피로 시험이 요구되는 경우, 일반적으로 처음 승인되는 시험에 있어서 안정적인 결과를 달성하기 위해 필요한 시험편의 양뿐만 아니라, 테스트 시간도 줄일 수 있는 Staircase method 방법을 추천한다.

다음의 파라미터들은 피로강도를 결정한다.

 

Strain-Life(∈-N) Approach

 

Strain-Life(ɛ-N) Approach 장점

 

⦁초기 균열을 유발시키는 메카니즘, 즉 소성 변형률을 정확히 모델화된다. 이 방법은 고변형률/저주기 상태에서 사용될 수 있다.

 

⦁이 방법은 하중이력 중의 순서효과로 야기되는 잔류평균응력을 모델화 할 수 있다.

이것은 가변진폭하중하에서의 누적손상을 좀 더 정확히 설명할 수 있다.

 

⦁ɛ-N 방법은 복잡한 기하하적 형상을 포함하고 있는 상황을 더 쉽게 추정할 수 있다.

 

⦁이 방법은 피로-크리프 상호작용이 중요시 되는 고온에서의 응용에 사용될 수 있다.

 

⦁중요한 상황에 이 방법은 재료의 천이거동을 통합 할 수 있다.

 

Strain-Life(ɛ-N) Approach 단점

 

⦁ 좀 더 복잡한 수준의 해석을 수행해야한다.

 

⦁ɛ-N 방법은 초기수명만을 설명할 수 있으며 전파수명을 예측하는 데는 사용될 수 없다.

 

⦁ 변형률-수명 상수들은 실험되는 시험편의 상태와 관계가 있다. 표면마무리, 도금, 표면처리 등의 차이를 설명하기 위한 부수적인 시험 이외에는 정의된 것이 없다.

 

 

Strain-Life(ɛ-N) Approach 적용 예

 

⦁소성 변형률이 현저한 곳에 적용된다. 이 방법은 노치선단에서와 같이 하중 또는 응력 수준이 높은 경우에 적용된다. 그것은 또한 저강도강과 몇몇 스테인리스강과 같은 매우 낮은 항복점을 가지고 있는 재료에도 적용된다.

 

⦁가스터빈 엔진부품과 같은 고온에서 적용되며, 이곳에서는 피로-크리프 상호작용이 중요하다.

 

⦁잔류평균응력에서의 하중순서효과가 중요한 가변진폭하중이력을 포함하는 곳에 적용된다.

 

⦁초기수명이 주요관심사의 소형부재

 

ɛ-N 방법은 LEFM방법과 결합하여 전체초기-전파 수명을 얻는 데 사용될 수 있다.

ɛ-N 방법은 변형률이 주로 탄성적이고 직접적으로 응력과 관계되는 장수명에 적용될 때에는 S-N 방법보다 유익한 장점이 많다.