[기계안전기술사] 문제풀이 S-N곡선, 피로한도

Ⅰ. 피로현상
1) 재료에 반복되는 하중 또는 전기적ㆍ물리적 응력이 가해져서 결정립에 미끄럼이 생기고, 계속해서 균열이 나타나는 현상
2) 계속적인 동하중을 받을 경우 정하중 조건에서 받을 수 있는 하중보다 훨씬 더 작은 하중에서 예고없이 파괴된다.
3) 콘크리트나 세라믹 등 비금속 재료에서도 일어난다.

1. 피로의 개념
피로는 금속 등의 재료가 항복강도보다 작은 응력을 반복적으로 받는 것을
의미하는데, 항복강도보다 작은 강도라 할지라도 지속, 반복적으로 가하면
파괴될 수 있다. 이 때 파괴되는 현상을 피로파괴라고 하며 응력 변동 폭이
클수록 적은 반복 횟수에서 파괴가 발생한다.
피로한도는 재료가 피로를 일으키지 않고 견딜 수 있는 최대응력을 의미
하며 S-N곡선에서 수평구간에 해당한다.

피로한도(피로한계,내구한도) : 피로 시험 결과, 무한반복을 견딜 수 있는 응력의 최대치.

Ⅱ. S-N곡선(웰라곡선)

1. 개요
1) S-N곡선은 Y축에 응력진폭, X축에 파단까지의 반복회수N(log)를 나타낸 곡선이다.
2) 일반적으로 금속재료의 S-N 곡선은 응력진폭이 작을수록 파괴까지의 반복횟수는 증가한다.

어떤 응력이 반복됐을 경우 파괴되기 까지의 반복횟수(N)를 나타낸 그래프를 뜻한다.
S-N곡선의 특징으로는 피로한도 이상의 응력을 작용할 경우 응력도가 커짐에 따라 파괴되기 까지의 반복횟수가 감소하고, 한계반복수(수평선 시작점)에 해당하는 S-N곡선상의 응력을 기준 강도로 적용하면 안전하다.

철강재료만 해당하며 비철금속은 응력이 감소되면 반복횟수가 증가되어 우하향 곡선으로 그려지게 된다.

2. 피로한도
1) 피로한도란, 어느 값 이하가 되면 무한히 반복하더라도 파괴되지 않는 응력진폭을 말한다
2) S-N곡선이 경사선으로부터 수평으로 되기 시작하는 경계의 응력반복수를 한계반복수라 한다
3) S-N선에서 수평을 이루는 한계의 응력이 피로 한도에 해당한다
4) 피로한도는 대략 인장강도의 1/2 ~ 1/3 정도의 범위가 된다

3. 비철금속의 피로한도
1) 알루미늄과 같은 비철금속은 S-N곡선에서 철강재와 같은 수평구역이 나타나지 않는다.
2) 따라서 어느 반복수를 기준으로 하여 강도를 표현하는데 이를 시간강도라고 하며 S-N곡선에서 사선 부분의 응력을 그 반복 횟수에 있어서의 시간강도라 한다
3) 일반적으로 10^7~10^8 정도의 반복횟수일때의 응력진폭을 기준으로 비철금속의 피로한도라고 한다



Ⅲ. 피로한도 관련인자
피로한도 영향인자
1) 노치 효과: 단면의 형상이 급변하는 부분에 응력이 집중되고 피로한도가 급격히 저하.
2) 치수 효과: 부재의 치수가 커질수록 피로한도 저하.
3) 표면 효과: 표면이 거칠수록 피로한도 저하.
4) 부식 효과: 부식은 피로한도를 현저히 저하시킴.
5) 온도 효과
  a) 온도가 실온 이상으로 증가하면 피로한도 저하.
  b) 크리프 강도가 높을수록 피로한도 증가.
6) 압입 효과
  a) 억지끼워 맞춤, 때려 박음 등에 의한 변율의 영향.
  b) 노치효과 이상의 악영향 발생.
7) 속도 효과: 하중의 반복 속도가 증가할수록 피로한도 저하.

2. 피로한도 상승인자
1) 고주파, 침탄, 질화열처리에 의한 강도, 강성 부여.
2) 롤링압연에 의한 강도, 강성 부여.
3) 쇼트피닝, 샌드블라스팅 작업에 의한 강도, 강성 부여 및 내부응력 제거 (특히 용접구조물)
4) 표층부 압축잔류응력을 발생시키는 각종 처리
5) 전해연마, 래핑 등 표면을 매끄럽게 하여, 표면거칠기에 의한 노치효과를 감소.

피로한도을 상승하는데 영향을 주는 방법은 크게 표면 경화법과 롤링 압연으로 구분된다.
표면 경화법은 화학적 작용의 고체침탄, 액체침탄, 가스팀탄, 질화법으로 나눌 수 있고
물리적 작용의 화염경화, 고주파경화, 숏피닝으로 나눌 수 있다.
고체침탄의 촉매제는 목탄과 코크스이며 액체침탄은 시안화나트륨, 가스침탄은
천연가스, 부탄, 질화법은 암모니아를 각각 촉매제로 사용한다.
화염경화는 산소-아세틸렉 불꽃으로 피로한도를 증가시키며 고주파 경화는 고주파
의 표피효과를 통해서, 숏피닝은 강구(작은 쇠구슬) 고속분사를 통해 피로한도를 증가시킨다.
여기서 침탄이란 표면에 탄소를 침투시켜서 표면을 고탄소의 합금층이 되도록 하여
재료의 강도를 높이는 것을 의미하며 물리적 표면경화인 화염경화와 고주파 경화는
표피의 온도를 높여서 담금질 효과를 보게하여 재료의 강도와 경도를 높임으로서
더 강한 재료의 성질을 얻게 하는 것이다. 숏피닝은 금속 부분을 강구로 강하게 때림
으로서 표면에 압축잔류응력을 형성하여 해머링 효과를 볼 수 있게 해준다.