학문
재료의 피로 파괴는 어떤 과정을 통해서 진행되나요?
재료의 특징 중 하나인 피로 파괴, 반복적인 힘을 받은 재료가 갑자기 파손되는 현상은 어떤 과정을 거쳐서 발생되고, 작은 균열은 어떤 방식으로 성장하게 되는지 의견 부탁드립니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
피로 파괴에서 가장 까다로운 부분은 한 번에 부서질 만큼 크지 않은 힘이 반복되기만 해도 재료가 결국 무너진다는 점이에요. 이 현상은 균열이 생기고, 자라고, 마지막에 터지는 세 단계로 진행돼요.
시작은 균열이 싹트는 단계예요. 금속은 겉으로 매끄러워 보여도 내부는 원자가 격자처럼 배열된 구조이고 곳곳에 미세한 결함이 섞여 있어요. 표면의 흠집이나 날카로운 모서리, 구멍 주변처럼 힘이 집중되는 자리가 특히 취약하거든요. 약한 힘이라도 반복해서 가해지면 이런 지점의 원자 배열이 조금씩 어긋나면서 눈에 보이지 않는 균열이 생겨나요. 그래서 피로 균열은 거의 항상 표면이나 응력이 몰리는 모서리에서 출발해요.
다음은 균열이 전진하는 단계예요. 한번 생긴 균열은 힘이 가해질 때마다 끝부분이 살짝 벌어졌다가 힘이 풀리면 다시 닫혀요. 이 열림과 닫힘이 되풀이되면서 균열 끝이 한 주기마다 아주 조금씩 안쪽으로 파고들거든요. 한 번에 나아가는 거리는 머리카락 굵기보다 훨씬 작지만 수만 번이 쌓이면 상당한 깊이가 돼요. 파단면을 살펴보면 조개껍데기처럼 생긴 줄무늬가 남아 있는데, 균열이 한 주기씩 전진한 흔적이 나이테처럼 새겨진 거예요. 사고 조사에서 이 무늬가 피로 파괴를 가려내는 결정적 단서가 된답니다.
마지막은 한순간에 부러지는 단계예요. 균열이 자랄수록 실제로 힘을 받쳐주는 단면적이 점점 줄어들어요. 그러다 남은 단면이 너무 작아져서 더 이상 하중을 버티지 못하는 순간, 그때 갑자기 뚝 끊어지는 거예요. 이 최종 파단은 균열이 서서히 자라던 것과 달리 거의 순식간에 일어나기 때문에 눈에 띄는 사전 신호가 없어요. 피로 파괴가 특히 위험한 이유가 여기에 있어요. 부러지기 직전까지 멀쩡해 보이거든요.
그래서 항공기 날개나 교량, 철도 차축, 회전하는 기계 축처럼 반복 하중을 받는 구조물은 정해진 주기마다 정밀 검사를 받아요. 육안으로 안 보이는 균열을 초음파나 형광 탐상으로 미리 찾아내 최종 파단 전에 교체하는 거예요. 설계할 때도 응력이 집중되는 날카로운 모서리를 둥글게 처리해서 균열이 시작될 여지를 줄이는 게 기본이랍니다 :)
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
피로파괴는 재료를 장기간 사용하면 어김없이 발생하는 파괴현상 중 하나 입니다.
첫번째로 먼저 반복적으로 힘이 모이는 표면에서 부터 시작이 되는데 구조가 취약한 결합부위에 응력이 쏠리게 됩니다. 그럼 내부의 원자들이 연신되면서 작은 균열들이 발생합니다.
두번째로는 해당 균열이 다른 곳으로 전달되게 됩니다. 만들어진 미세균열이 하중이 반복될때마다 균열이 열리고 닫히면서 조금씩 커기데게 됩니다.
세번째로 파괴가 완료 되는 시점인데 균열이 너무 커져 재료가 버틸 수 있는 면적이 줄어들게 되어 더이상 하중을 지지하지 못하는 상태가 발생하게 되면서 자연스럽게 파괴가 일어납니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
재료의 피로 파괴는 한 번에 큰 힘을 받아 부서지는 것이 아니라 비교적 작은 하중이 반복적으로 가해지면서 표면의 미세한 흠집이나 결함에서 균열이 발생하는 것부터 시작됩니다 이후 반복 응력에 의해 균열이 조금씩 성장하며 재료 내부로 전파되고 단면이 점점 약해집니다 마지막으로 남아 있는 단면이 하중을 견디지 못해 갑자스럽게 파단되는데 그래서 피로 파괴는 사전 변형이 거의 없이 예고 없이 발생하는 경우가 많습니다