반복하중을 받는 부품은 왜 최대강도보다 훨씬 낮은 응력에서도 파괴되나요?

Question

기계요소가 정적하중에서 견디는 최대강도보다 훨씬 낮은 응력에서도 반복하중을 받으면 결국 파괴된다고 배우는데, 왜 이런 피로파괴가 정적강도와 다르게 나타나는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

정적 파괴와 피로 파괴는 재료가 망가지는 방식이 완전히 달라요. 정적 파괴는 재료 전체가 힘을 나눠 버티다가 한계를 넘으면 한꺼번에 무너지는 거예요. 그래서 최대강도라는 숫자 하나로 판단할 수 있어요.

피로 파괴는 국소적인 사건에서 시작돼요. 재료 표면에는 가공 흠집, 미세한 결함, 결정 알갱이의 경계 같은 불균일한 자리가 반드시 있는데, 힘이 걸리면 이 지점에 응력이 몇 배로 집중돼요. 전체 평균으로는 최대강도의 절반밖에 안 되는 하중이라도 그 한 점은 이미 한계 근처까지 시달리고 있는 거예요. 한 번의 하중으로는 아무 일도 안 생기지만, 그 자리에서 원자층이 아주 조금씩 미끄러지며 어긋남이 쌓여요.

반복이 결정적인 건 이 손상이 지워지지 않기 때문이에요. 하중을 풀어도 미끄러진 원자층은 원래대로 돌아가지 않고, 표면에 미세한 계단 같은 굴곡이 생겨요. 이게 자라 머리카락보다 가는 균열이 되는 순간부터 상황이 가속돼요. 균열 끝은 응력이 극단적으로 집중되는 자리라, 하중이 한 번 걸릴 때마다 균열이 조금씩 전진하고 길어질수록 끝에 몰리는 응력은 더 커지는 악순환이 이어져요. 종이를 한 번에 찢는 힘은 세야 하지만, 한 자리를 계속 접었다 펴면 훨씬 약한 힘으로 끊어지는 것과 같아요.

그래서 겉보기에 갑자기 부러지는 것처럼 보여요. 수명의 90% 이상이 균열이 조용히 자라는 시간이고, 남은 단면이 하중을 못 버티는 크기까지 줄어드는 순간 한 방에 파단돼요. 파단면을 보면 균열이 천천히 자란 매끄러운 조개무늬 영역과 마지막에 뜯긴 거친 영역이 뚜렷이 나뉘어요.

이 때문에 설계에서는 정적 강도와 피로 강도를 따로 봐요. 철강은 어느 응력 아래에서는 무한히 버티는 피로한도가 있지만 알루미늄에는 그게 없어서 수명을 횟수로 계산해야 하고요. 표면 거칠기와 모서리 형상이 피로 수명을 좌우하니, 날카로운 모서리를 둥글게 하고 표면을 매끄럽게 다듬고 숏피닝으로 표면에 압축 응력을 심어두는 게 실무의 기본이에요 :)

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

반복하중을 받는 부품은 눈에 보이지 않는 미세한 균열이 수많은 하중 주기 속에서 조금씩 성장하여 재료 전체를 단숨에 파괴하는 피로파괴 현상 때문에 정적강도보다 훨씬 낮은 응력에서도 파괴됩니다 정적하중은 재료 전체가 변형되며 전체적인 강도로 저항하는 반면 반복하중은 부품의 노치 용접부 내부 결함 등에 응력이 집중되면서 아주 국소적인 영역부터 정적 한계를 넘어 균열을 발생시킵니다 발생한 미세 균열은 하중이 누적될수록 재료 내부로 점점 늘어나 유효 단면적을 줄여나가고 남아있는 단면이 순간적인 하중을 더 이상 견디지 못하는 임계점에 이르면 갑작스럽고 취성적인 파괴가 일어납니다. 따라서 기계 설계 시에는 항복강도나 인장강도 대신 반복 하중을 영구히 견딜 수 있는 기준인 피로한도나 피로강도를 적용하여 부품의 안전성을 확보해야 합니다