피로 균열 및 파괴

피로파괴의 정의와 종류에 대해서 알아보겠습니다.

피로파괴란 반복 하중이나 번형을 받고 생기는 파괴를 피로파괴라고 하며 피로파괴는 재료를 상당한 기간 사용한 후 일어나는 것이 보통이며 피로파괴는 자동차, 항공기, 펌프 , 터빈 등의 반복되는 하중이나 진동을 받는 장치에서 많이 일어납니다. 피로파괴는 아무런 경고 없이 갑자기 일어나며 파괴 시 큰 변형이 수반되지 않고 취성 파괴가 일어나며 거시적으로는 파면이 주 응력의 방향에 수직인 것이 보통입니다. 피로파괴는 보통 파괴면의 모양을 보아 판단을 할 수 있으며 균열이 단면을 따라 전파할 때 상호 마찰 작용에 의해 생긴 평활 환 영역이며 나중에 다면이 하중을 더 이상 지탱할 수 없을 때 연성 파괴를 일으키기도 합니다. 파괴의 시작점으로부터 내부로 진행하는 일련의 원형 자국이 피로파괴의 특징을 나타내며 해인 자국이 생기는 것은 부화의 변화, 진동수의 변화 또는 부품의 단속적 사용으로 인한 균열 정지 기간 동안 생긴 파면의 산화 또는 부식 때문입니다. 주로 피로파괴가 일어나는 곳은 노치 같은 응력 집중점에서 일어나는 것이 보통이며 게재물과 같은 금속조직상의 응력집중에서 일어납니다.

피로파괴를 일으킬 수 있는 응력 변동의 종류로는 완전 역전 응력 사이클과 반복 응력 사이클 및 불규칙 응력 사이클이 있으며 완전 역전 응력 사이클은 응력 상태는 회전 굽힘 피로 시험기로 얻을 수 있으며 과대 하중을 받지 않고 일정한 속도로 회전하는 회전축의 경우와 비슷합니다. 불규칙 응력 사이클은 비행기 날개가 돌풍으로 인하여 예기치 않았던 주기적 과부하를 받았을 때 얻어집니다. 피로 한도는 S-N곡선과 연관이 있으며 S-N곡선은 어떤 한계응력에서 수평을 이루는데 이 한계응력 이하에서는 사이클수가 많더라도 파괴가 일어나지 않기 때문에 이 응력을 피로 한도라 고합니다. 알루미늄과 마그네슘과 같은 합금의 대부분이 피로 한도를 나타내지 않으며 이러한 경우 재료의 피로특성을 나타내기 위한 임의의 사이클수에서의 응력을 피로강도로 하여 사용합니다.

피로 과정의 3단계 분류

피로균열의 발생에의 3단계는 피로균열의 발생과 피로균열의 성장 및 최종 파괴의 단계가 있습니다. 순차적으로 3단계를 알아보겠습니다. 가장 먼저 균열 발생은 보통 슬립 띠에서나 게재물에서나 결정립계에서 일어나며 결정이 반복 소성을 받으면 슬립면에서 국부적으로 전위 밀도가 커지고 표면에 돌출부와 골이 생기며 이 와같은 장소의 응력집중이 초기 발생의 원인이 됩니다. 슬립 띠를 연마하여 없앤 후 다시 반복 하중을 가하면 같은 장소에서 다시 집중된 슬립 띠가 나타나는데 이 부분의 슬립 손상은 내부에까지 진행하였으며 이것을 말합니다. 주위의 모상보다는 연하며 변형의 반복으로 연화되었다고 판단합니다. 고집 슬립 띠 중의 피로균열의 발생기구에는 소성 슬립에 의하여 점 결함이 생기고 그 점 결함이 모여 미소 공공으로부터 균열이 발생합니다.


피로균열의 성장에는 1단계와 2단계를 나누며 1단계 균열 성장은 고집 슬립 띠의 발생으로부터 연속적인 모양으로 최대 인장 응력과 약 45 ° 기울어진 면을 따라 균열이 발생하며 이균 열이 인접하는 결접립에 이르면 슬립면이 달라 그 성장 속도가 감소하고 다음에 발향이 인장 응력과 수직방향으로 변하기 시작합니다. 성장에 기여하는 능력의 차이에 따라 1단계를 전단형 균열이라고 하며 1단계 파괴는 파괴원으로부터 2~5 결정립 이상 성장하지 못합니다. 2단계 균열 성장은 1단계보다 성장 속도가 크며 성장에 기여하는 능력에 차이에 따라 2단계를 인장형 또는 벽개형 균열이라고 합니다. 2단계 피로균열 성장과정에는 하중을 가하기 시작할 때는 균열 끝이 날카로우며 인장 하중을 가하기 시작할 때 균열 끝에서의 작은 2중 노치에서 균열면과 45 °를 이루는 면을 따라 슬립이 집중적으로 일어납니다. 또한 하중이 압축으로 변할 때 균열 끝에서의 슬립 방향은 반대로 되며 균열 양면이 서로 압착되어 인장 될 때 생긴 새로운 표면이 균열면으로 됩니다. 최종 파괴는 단면이 하중을 지탱할 수 없는 마지막 응력 사이클에서 최종 파괴가 일어나며 취성 파괴일 수도 있으며 연성 파괴일 수도 있습니다.

일정 변형의 피로의 정의

일정 변형의 반복을 받은 기계나 구조물에도 그 일부에 노치나 결함부 등의 응력집중이 있으면 그 부분이 국부적으로 항복을 일으키고 주위의 큰 탄성영역에 의해 구속되기 때문에 그부분만은 일정 소성변형의 진폭을 가진 피로현상을 나타내게 됩니다. 이것을 일정변형피로라고 하며 이러한 피로는 유한수명영역에서의 비교적 큰 응력을 대상으로 하고 한 저주기피로나 열사이클에 의한 큰소성변형의 반복에 의해 일어나는 열피로에있어서도 알려져있습니다. 피로파괴의 원인은 일정응력, 일정변형을 불문하고 피로파괴의 원이 되는것은 피로균열입니다. 피로균열은 표면 또는 내부의 결함부에서 국부적인 소성변형이 반복되어 발생하며 피로에 의한 재료의 경화 또는 연화의 거동을 밝히기 위하여 일정변형 진폭 시험이 실시됩니다.