[피로, fatigue] 피로강도와 피로파괴에 대한 고찰

피로강도와 피로파괴?

피로강도란 정해진 수명에 대한 강도를 의미하며, 피로한도 이하에서 무한반복하중에 대하여 파괴되지 않는 강도를 말합니다. 피로파괴는 반복적인 하중을 지속적으로 가하면 내부에 피로가 누적되어 균열이 생기고, 어느 순간 파괴되는 현상을 말합니다. 

피로파괴는 반복되는 응력과 변형 하에서 균열의 발생과 전파로 일어나는 파손 형태입니다. 단일 하중의 파단응력 보다 훨씬 작은 탄성영역 응력에서도 큰 변형을 동반하지 않으며 발생되는 취성파괴의 한 형태입니다. 

피로강도와 피로파괴에 대한 자세한 내용은 다음과 같습니다: 

• 피로파괴는 강재가 반복하중을 받게 되면 정적 인장강도보다 낮은 하중으로도 파괴되는 현상을 말합니다.
• 피로강도는 해당 사이클만큼의 수명이 주어질 수 있는 최대하중을 의미합니다.
• 피로한도는 이 재료가 피로에 의해서는 파괴되지 않는다고 판정할 수 있는 최대한도를 의미합니다.
• S-N 곡선이 수평이 되는 한계의 응력을 재료의 피로한도 또는 내구한도라고 합니다.
• 피로 강도는 일종의 피로 한도나 시간 강도를 의미합니다.

피로강도란?

피로강도란, 정해진 수명 내에서 견딜 수 있는 최대응력을 의미합니다. 피로강도는 재료의 수명이 무한해지는 값을 피로한도 S(endurance limit)라고 합니다.

피로강도는 여러 인자에 의해 영향을 받습니다. 동일한 재료이더라도 하중의 종류 및 온도 등 재료가 노출된 환경에 영향을 받습니다.

피로강도는 특정 조건에서 인장 강도와 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 재료의 피로 강도는 특정 조건에서 인장 강도를 향상시킬 수 있는 모든 합금 요소에 의해 향상될 수 있습니다.

피로 강도에 대한 표면 화학 열처리의 영향은 주로 하중 방법, 침투층의 탄소 및 질소 농도, 표면 경도 및 구배, 표면 경도 대 코어 경도의 비율, 층 깊이 및 크기에 따라 달라집니다.

피로파괴란?

피로파괴(Fatigue Failure)는 재료가 항복강도보다 작은 응력을 반복적으로 받아 파괴되는 현상을 말합니다. 재료에 충격을 반복해서 가하면 특정 횟수 이상에서 재료의 파손이 일어나는데, 이를 피로 파괴라고 합니다.

피로파괴는 외견상 아무 증후 없이 갑자기 일어나며 보통 취성파괴가 일어납니다. 파괴면은 균열전파시 상호 마찰에 의해 생긴 평활영역과 국부단면이 하중을 지탱할 수 없을 때 발생하는 연성파괴면(거친영역)으로 이루어집니다.

피로파괴는 기계공학 커리큘럼에서 필수적으로 다루는 매우 중요한 개념입니다. 철강제품의 피로파괴는 자동차, 항공기, 터빈엔진, 금형 등 반복되는 하중이나 진동을 받는 장치에서 많이 발생합니다. 성수대교 붕괴가 용접 부위의 피로파괴 현상 때문으로 알려진 대표적 사례입니다.

피로강도를 향상시킬 수 있는 방법

피로 강도를 향상시키는 방법은 다음과 같습니다: 

• 표면 경화층의 특정 깊이를 얻고 표면에 유리한 잔류 압축 응력을 형성하는 것
• 숏피닝이나 로울러 버니싱과 같은 공정을 수행하여 표면에 압축잔류응력이 생기게 하는 것
• 여러 가지 방법으로 표면경화처리를 하는 것
• 우수한 표면정도로 가공하여 노치나 기타 표면결함들의 영향을 줄이는 것
• 가능하다면 필릿 용접보다는 맞대기 용접을 배치하는 것
• 불가피하게 필릿 용접을 적용해야 하는 경우라면 용접의 용입을 깊게 유도하는 것
• 철강 재료의 경우 급랭, 침탄, 질화 등을 이용하는 것
• 오스테나이트계 스테인 리스강의 경우는 압연 쇼트 피닝 등을 이용하는 것

또한, 용접연결부의 설계 단계에서는 진동 및 공명(resonance)이 발생하는 위치를 되도록 피하여 피로하중이 최소화될 수 있게 해야 합니다.

피로파괴의 단점

피로파괴는 금속재료에 어떤 응력을 반복해서 계속 가하면 파단되는 현상을 말합니다. 피로파괴는 펌프, 압축기, 터빈, 교반기, 교량 등과 같이 반복되는 하중이나 진동을 겪는 부품 및 설비에서 예상치 못하게 종종 발생하여 큰 손실을 초래하는 위험성을 갖고 있습니다. 

피로파괴의 단점은 다음과 같습니다.

• 큰 손실을 초래하는 위험성을 갖고 있다.
• 파괴 직전에 알아차리기가 매우 힘들다.
• 현재 상용화된 소프트웨어는 전문가가 아니면 좋은 결과를 기대하기 어렵다.

피로파괴 사례

피로파괴는 1830년대부터 알려져 있었으며, 가장 오래된 사례는 1829년 독일의 광산에서 컨베이어체인이 반복 사용 중 파손된 것입니다. 

피로파괴는 선박, 항공기, 기차 등 대형 운송수단에서 자주 발생합니다. 특히 제2차 세계대전 때 용접기술을 적용한 선박이 대량 생산되면서 용접 부위에 미세 균열이 발생, 피로 파괴로 이어져 선체가 분리되는 일이 자주 보고됐습니다. 

피로파괴의 원인은 다음과 같이 4가지로 구별됩니다: 설계불량、가공불량、소재불량、부적절한 사용。 

피로파괴를 일으키는 손상사례는 용접 비드가 모재와 이루는 용접각이 너무 예리하여 Notch를 제공함에 의해 발생하는 경우가 빈번합니다. 이것은 용접사공이 비드를 완만하게 입힌다든지 용접 후 간단한 연마를 통해 보완할 수 있는 쉬운 해결책을 가지고 있습니다. 

마무리

피로강도는 재료가 반복적인 응력이나 변형에 얼마나 잘 견디는지를 나타내는 척도입니다. 이는 주로 재료의 기계적 특성, 재료의 표면 상태, 응력의 종류와 크기, 온도 등 여러 요인에 의해 결정됩니다. 피로강도가 높은 재료는 반복적인 응력에 대해 더 오랜 시간 동안 저항할 수 있습니다.

한편, 피로파괴는 재료가 반복적인 부하에 의해 점차 약해지고, 결국 파손되는 현상을 말합니다. 이는 주로 재료 내부의 약점, 즉 마이크로크랙에서 시작되며, 이러한 크랙이 점차 확장되어 결국 재료의 파괴를 초래합니다.

결론적으로, 피로강도가 높은 재료를 사용하면 피로파괴를 효과적으로 방지하거나 지연시킬 수 있습니다. 그러나 재료의 피로강도를 향상시키는 것만으로는 충분하지 않으며, 설계 및 제조 과정에서 재료 내부에 마이크로크랙이 생성되지 않도록 주의를 기울여야 합니다. 또한, 사용 환경에서의 부하 상태와 주기, 온도 등도 피로파괴에 큰 영향을 미치므로 적절히 관리해야 합니다.

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