학문
금속 피로 현상이 작은 힘이 반복될 때 왜 발생하나요?
한 번에 부러질 정도의 큰 힘이 아니어도 같은 하중이 오랫동안 반복되면 금속이 갑자기 파손될 수 있다고 합니다. 금속 피로가 내부 균열의 발생과 성장으로 이어지는 메커니즘이나 과정은 어떻게 되나요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
금속 피로는 한 번의 힘으로 부러지는 게 아니라 작은 힘이 반복되면서 금속 내부에 미세한 손상이 쌓이는 현상을 말해요.
첨음에는 결정 내부에서 아주 작은 변형이 반복되고 특정 부분에 응력이 집중되면서 미세한 균열이 생길 수 있어요. 이 균열을 하중이 반복될 때마다 조금씩 성장하다가 어느 순간 눈에 보일 정도록 성장하게 되는 것이죠. 특히 표면의 흠집이나 가공 흔적, 용접부처럼 응력이 집중되기 쉬운 곳들이 있는데, 여기서 균열이 시작되는 경우가 많아요.
균열이 점점 커지다가 금속이 견딜 수 있는 단면적이 부족해지면 남은 부분이 한꺼번에 파괴될 수 있어요.
감사합니다.
안녕하세요. 한만전 전문가입니다.
외압으로 인한 피로파괴는 결정내부에 존재하는 전위의 변화로 보시면 됩니다.
금속이 지속적이고 하중을 받게 되면 전위가 이동하게되고 처음에는 탄성변형이 일어 나지만 하중이 한곳에 집중되는 응력집중이 발생되게 될경우 그 부분부터 미세한 소성변형이 발생됩니다. 즉 응력이 집중되는 곳에 전위의 밀도가 증가하게 되고 전위가 한방향으로 재 배열되게 됩니다. 이러한 곳은 다른 곳에 비하여 탄성이 줄고 변형이 집중되게 되어 균열이 발생 됩니다. 이렇게 지속적으로 균열이 성장하게 되고 결국에는 파손이 되게 됩니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
금속 피로의 시작점은 표면의 아주 작은 결함이에요. 금속 표면에는 가공 흠집이나 미세한 요철이 반드시 있는데, 힘이 걸리면 이런 자리에 응력이 몇 배로 집중돼요. 전체적으로는 안전한 힘이어도 그 지점만은 한계 근처까지 시달리는 거예요.
힘이 반복되면 이 지점의 원자 배열이 조금씩 어긋나면서 머리카락보다 가는 균열이 생겨요. 문제는 균열이 생기는 순간 균열 끝이 새로운 응력 집중점이 된다는거에요. 힘이 한 번 걸릴 떄 마다 균열이 아주 조금씩 자라고, 자랄 수록 끝에 몰리는 응력은 더 커지는 악순환이 수만번, 수백만 번 반복돼요. 철사를 같은 자리에서 계속 접었다 폈다 하면 어느 순간 톡 끊어지는 게 바로 이 과정이에요.
갑자기 부러지는 것처럼 보이는 이유도 여기 있어요. 균열이 자라는 동안겉으로는 멀쩡해 보이다가, 남은 단면이 하중을 못 버티는 크기 까지 줄어드는 순간 한 번에 파단되거든요. 부러진 면을 보면 균열이 천천히 자란 조개껍데기 무늬와 마지막에 뜯긴 거친 면이 뚜렷이 구분돼요.
그래서 항공기나 교량은 설계할 떄 피로 수명을 계산하고 정기적으로 균열 검사를 해요. 큰 힘보다 반복되는 작은 힘이 더 무서울 수 있다는게 금속피로가 가지는 무서운 점이죠.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
금속 피로 현상은 단 한 번의 큰 힘 대신 작은 미세 변형이 연속적으로 누적되면서 금속 표면에 미세한 단차인 압출 및 침입을 형성하는 것으로부터 시작됩니다 이 표면 변형부에 응력이 지속적으로 집중되면서 수 나노미터 크기의 미세 균열이 최초로 발생합니다 발생한 균열은 반복적인 인장 및 압축 하중에 따라 점진적으로 금속 내부를 향해 자라나며 응력 전달 면적을 계속 넓혀갑니다 결국 균열이 계속 넓어져 남은 금속 내부 전단면이 상시 하중을 견딜 수 있는 임계 크기 이하로 줄어들면 더 이상 버티지 못하고 순식간에 취성 파괴 형태의 갑작스러운 최종 파손으로 이어집니다