[기계안전기술사] 문제풀이 2021년 123-2-2 피로한도, 피로강도, S-N 곡선

문제2.
1)피로한도(Fatigue limit)에 영향을 주는 인자 4가지,
2)피로강도를 상승시키는 인자 4가지
  3)S-N 곡선을 그림으로 그려 설명하시오.

문제풀이.

1. 개요

피로파괴란 항복응력을 받지 않았는데, 계속 항복응력 이하의 응력이나 하중을 받게되면 부품이나 기계가 파손이 되는데 이것을 피로파괴라고 합니다. 그리고 하중의 반복횟수와 관계없이 피로파괴를 일으키지 않는 최대 한계응력을 피로한도 또는 피로강도라고 합니다.

피로파괴는 재료에 피로가 생긴 탓이고 특히 최대응력이 작용하고 있는 점의 근방에 미세한 균열이 발생하여 이것이 점차 진행되다가 드디어 파단하게 됩니다.

추가적으로 피로시험에서 방향이 일정하고, 크기나 어느범위 사이에 주기적으로 변화하는 응력을 되풀이 하든지, 혹은 인장과 압축을 되풀이하여 파괴에 이르기까지의 횟수를 피로수명이라고 합니다.

피로파괴에서 중요한 것은 큰 힘이 아닌 상대적으로 작은 힘으로 파괴된다는 것인데, 이것은 한번이 아니라 주기적인 또는 반복적으로 발생하는 힘과 관련이 있습니다. 그러므로 움직이는 모든 기계 (크레인, 자동차, 선박 등)와 움직이지 않는 구조물(건축물, 교량 등)도 피로파괴에 노출되어 있다는 것을 의미합니다. 추가적으로 피로파괴는 리벳이나 볼팅과 같은 작은 부분부터 용접부위, 재료자체 등 넓은 범위까지 발생할 수 있습니다.


2. 피로한도 곡선 (Stress - Number of Cycle)

피로한도 곡선이란 응력과 하중반복횟수의 상관관계 그래프입니다. 시험재료에 주기적으로 정해진 응력을 가하여 피로파괴가 일어나는 반복횟수를 표시하여 이은 곡선입니다. 이것은 특정하중에 대한 결과치로 하중이 어떤 종류인가에 따라서 (굽힘, 축, 비틀림 등) 달라질 수 있습니다.

1) 피로한도 : S-N 곡선의 수평부
2) 강의 피로한도 > 비철금속의 피로한도

3. 피로한도에 안좋은 영향을 주는 인자
1) 노치효과
: 단면치수나 크랙처럼 형상이 갑자기 변하는 곳에 응력이 집중되고 피로한도가 급격히 낮아짐
2) 치수효과
: 부재의 치수가 커질수록 피로한도가 낮아짐
3) 부식효과
: 부식에 의하여 피로한도가 낮아짐
4) 압입효과
: 억지로 끼워맞추거나, 때려박음 등으로 피로한도가 낮아짐
5) 표면효과
: 부재의 표면 다듬질이 거칠면 피로한도가 낮아짐
6) 온도효과
: 온도가 실온이상으로 증가하면 피로한도가 낮아짐
7) 속도효과
: 하중이 반복되는 속도가 커질수록 피로한도가 낮아짐

4. 피로강도를 상승시키는 인자

1) 표면경화 열처리
  고주파 담금질 열처리 : 필요한 부분만 가열 및 냉각
  침탄법 처리 : 탄소 침투
  질화법 처리 : 질소 침투
2) 상온가공처리 : 표층부에 압축잔류응력이 생기는 각종 처리
   재료의 표면에 압축잔류응력을 발생시킴으로써 피로한도를 향상시키는 방법이며, 노치가 있는 경우 보다 효과적이다.
  샌드블라스트 : 느즐에서 연마재를 분사하여 소재를 다듬는 것
  롤러압연
  쇼트피닝 : 금속재료 표면에 작은 금속입자를 고속으로 투사하여 가공경화하여 다듬는 것

3) 과소응력의 반복
과소응력(ow:Allowable Stress 허용응력보다 적은 응력)을 반복하여 받으면 ow는 증대하고 과소응력 이 ow에 가깝고 반복회수가 클수록 ow의 증가는 현저하다.
특히, 적당한 과소응력으로부터 반복응력을 단계적으로 상승시키면서 반복시켜 가면 피로한도가 향상되는 데 이러한 현상을 Coaxing Effect 이라고 한다.

5. 정리
피로 파괴의 발생원인은 설계불량, 가공불량, 재료불량, 부적절한 사용 등으로 4가지로 구분됩니다. 일반적으로 안전율을 여유있게 고려하기 때문에 피로강도가 설계시에 반영되어 있어 피로파괴는 주로 가공 또는 재료의 불량이나 사용상의 부주의에 의한 경우가 많습니다. 즉 기계가공 도중에 노치가 유입되어 응력집중을 발생시키거나, 규정된 표면처리 혹은 열처리가 제대로 이루어지지 못해서 재료의 피로강도가 저하되는 경우가 많습니다.

피로파괴는 단순한 원인에 의한 경우가 적고, 복합한 여러형상이 중첩되는 경우가 많아 단정하기 어려운 경우가 많습니다. 결국 피로파괴의 방지는 피로강도를 저하시킬 수 있는 요인들을 종합하여 설계단계에서부터 최종 사용단계까지 지속적인 관리에 의해서 달성할 수 있습니다.