안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
금속은 항복 강도보다 낮은 응력에서도 반복해서 힘을 받으면 결정립 안에서 미세한 미끄럼이 조금씩 쌓여요. 이 미끄럼이 표면에 계단 같은 요철을 만들고, 그 골에서 미세 균열이 시작돼요. 균열은 사이클마다 조금씩 자라다 남은 단면이 하중을 못 버티는 순간 한 번에 끊어지고, 파단면에는 조개껍질 같은 줄무늬(비치 마크)가 남아요. 회전축은 한 바퀴 돌 때마다 표면이 인장과 압축을 번갈아 받으니 하루에도 수백만 번씩 하중이 반복돼요.
수명을 늘리려면 먼저 응력이 몰리는 곳을 없애야 해요. 축 지름이 바뀌는 단차는 필렛 반경을 크게 주고, 키홈 끝은 둥글게 가공하고, 베어링이나 기어를 억지 끼워맞춤한 경계에는 프레팅 균열을 막도록 릴리프 홈을 둬요. 표면 쪽은 연마로 거칠기를 낮추고, 쇼트 피닝이나 고주파 열처리, 질화로 표면에 압축 잔류 응력을 넣으면 균열이 잘 시작되지 않아요. 설계 응력은 강철의 피로 한도, 대략 인장 강도의 절반 아래로 잡고 안전율을 둬요. 운전 중에는 밸런싱과 축 정렬을 맞춰 진동으로 생기는 추가 하중을 줄이는 것도 효과가 커요 :)