금속이 피로 파괴로 부러지는 것은 왜 처음에 눈에 보이지 않나요?

Question

비행기 사고 다큐에서 금속 피로로 부품이 갑자기 부러졌다는 설명을 보았습니다. 평소에는 멀쩡했는데 반복 하중으로 미세한 균열이 자라다 파단된다고 하더라고요. 공학을 전공하지는 않았지만 안전과 관련된 주제라서 꼭 알고 싶었습니다. 뉴스에서 사고가 날 때마다 비슷한 원인이 반복되는 것 같아 궁금했습니다. 피로 균열은 어떻게 시작되고 성장하는지, 설계에서는 피로 한도를 어떻게 정하는지, 비파괴 검사로 초기 균열을 찾는 방법은 어떤 것이 있는지 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

금속 피로 균열을 처음에는 표면 흠집, 용접부, 볼트 구멍, 재료 내부의 불순물 등 응력이 집중되는 곳에서 아주 미세하게 진행됩니다.

여기에 반복 하중을 받을 때마다 균열 끝에서 작은 소성변형이 생기기 시작하는데, 이로 인하여 균열이 조금씩 자라납니다. 초기에는 크기가 매우 작기 때문에 눈으로 확인이 안될 수준입니다. 이후 균열이 어느 정도 커지면 남은 단면이 하중을 견디지 못해 마지막에는 갑자기 파단되기 때문에 평소에는 멀쩡해 보였던 부품이 갑자기 부러질 수 있습니다.

설계에서는 반복 응력과 파손 수명의 관계를 나타내는 곡선이 있는데 이걸 S-N 곡선이라고 하고 이것을 사용합니다. 강재는 피로한도 개념을 쓰고 알루미늄 등은 특정 반복 횟수에서의 피로강도로 평가하는 경우가 많습니다.

보통 초기 균열을 찾을 때는 표면 균열에 침투탐상과 자분탐상, 내부 균열에는 초음파탐상, 전도성 재료의 미세균열에는 와전류탐상 같은 방법들이 활용됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

피로 균열은 볼트 구멍이나 모서리, 긁힌 자국처럼 응력이 몰리는 곳에서 시작해요. 전체 하중이 항복강도보다 낮아도 이런 지점에서는 금속 결정이 미끄러지고, 이게 수만 번 반복되면 미세 균열이 생겨요. 이후 하중이 걸릴 때마다 균열 끝이 마이크로미터 단위로 조금씩 전진해요.

균열은 머리카락보다 가늘고 하중이 빠지면 닫히며, 페인트나 리벳 머리 아래에 숨어 있기도 해서 눈에 잘 띄지 않아요. 부품은 멀쩡해 보이다가 남은 단면이 하중을 못 버티는 순간 한 번에 끊어져요.

설계에서는 시편을 수천만 번 반복 하중으로 시험해 S-N 곡선을 얻어요. 강철은 인장강도의 절반쯤 아래에서는 무한히 버티는 피로 한도가 있지만, 항공기에 많이 쓰는 알루미늄은 이 한도가 뚜렷하지 않아요. 그래서 항공기는 균열이 이미 있다고 가정하고, 위험한 길이까지 자라는 시간보다 점검 주기를 짧게 잡는 손상 허용 설계를 써요.

검사는 염료를 스며들게 해 균열을 드러내는 침투 탐상, 리벳 구멍 주변을 코일로 훑는 와전류 탐상, 내부를 보는 초음파와 방사선 검사를 써요 :)

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

금속 피로 파괴는 거대한 외력이 아닌 반복적인 작은 미세 변형에 의해 금속 결정 내부의 결정면이 조금씩 미끄러지면서 시작되므로 초기에는 표면에 정밀 현미경으로만 보이는 수 나노미터 크기의 미세 균열 형태로 발생해 눈에 띄지 않습니다. 이 미세 균열은 반복 하중을 받음에 따라 응력이 집중되는 균열 끝단을 중심으로 천천히 자라나는데 내부로 점차 진행되는 동안에도 외부 외관에는 아무런 변형이 나타나지 않아 구조물이 멀쩡해 보입니다 공학 설계에서는 이를 방지하기 위해 아무리 많은 횟수의 하중이 반복되어도 균열이 발생하지 않는 응력의 한계치인 피로 한도를 산출하여 상시 응력이 이 기준 이하에 머물도록 안전율을 높게 적용합니다. 그럼에도 미세 균열이 자라 잔여 단면적이 하중을 견디지 못하는 순간 예고 없이 갑작스러운 최종 파단이 일어나므로 사고를 예방하려면 주파수나 자성을 활용한 비파괴 검사 기법이 필수적입니다. 대표적으로 초음파 탐상 검사는 금속 내부에 초음파를 쏘아 내부 균열 반응을 확인하고 자분 탐상 검사나 침투 탐상 검사는 육안으로 보이지 않는 표면 미세 균열에 자석 가루나 형광 침투액을 모이게 하여 초기 균열을 사전에 찾아냅니다