금속은 왜 한 번에 부러지지 않아도 반복된 힘에 결국 파괴되나요?

Question

기계공학에서 피로파괴를 배우는데, 부품이 한계 강도보다 훨씬 작은 힘이라도 반복적으로 받으면 결국 균열이 생겨 파괴된다고 들었어요. 왜 이런 누적된 손상이 일어나는 건지 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

피로파괴는 한 번엔 멀쩡한 힘도 반복되면 쌓여서 무너진다는 거에요.

금속 내부를 미시적으로 보면 완벽하지 않아요. 아주 작은 흠이나 원자 배열의 어긋남이 곳곳에 있어요. 여기에 힘이 반복해서 가해지면, 이 약한 지점에서 원자들이 조금씩 미끄러지며 미세한 균열이 생겨요. 한 번의 힘으로는 눈에 띄지도 않을 만큼 작죠.

문제는 이 균열이 힘을 받을 때마다 아주 조금씩 자란다는 거예요. 한 번에 조금, 또 한번에 조금씩 이요. 균열 끝에는 힘이 집중되기 때문에 갈수록 벌어지는 속도가 빨라져요.

그러다 균열이 어느 한계를 넘으면 남은 부분이 힘을 못 버티고 순식간에 뚝.! 부러지는거죠 :)

Answer 2

금속은 작은 힘이라도 반복해서 받으면 내부에 아주 미세한 균열들이 조금씩 자라납니다. 결국에는 이게 피로파괴로 이어지는 것이죠.

처음에는 눈에 보이지 않는 미세한 균열들이 생기다가, 같은 힘이 계속 반복될 때마다 균열이 조금씩 더 커지게 됩니다. 이러한 과정이 계속적으로 누적되면 결국에는 남는 단면이 그 힘을 견디지 못하면서 부러집니다. 특히 구멍이나 모서리, 용접부위 같은 쪽에서 응력집중이 잘 일어나고 균열이 더 쉽게 시작됩니다.

한방에 큰 충격보다는 작은 충격의 누적으로 인한 파괴 특성입니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

금속은 겉보기에는 탄성 범위 안에서 원래 상태로 돌아오는 것처럼 보여도 미세한 결정구조 내부에서는 전위 이동과 아주 작은 균열이 반복적으로 발생하며 손상이 조금씩 누적됩니다 이러한 미세균열은 응력이 반복될수록 점차 성장하고 서로 연결되어 어느 순간남은 다면이 하중을 견디지 못하게 되면서 갑작스럽게 파괴되는데 이것을 피로파괴라고 합니다 그래서 한번의 큰 힘보다 작은 힘이라도 반복되면 금속이 결국 파괴될 수 있으며 이를 방지하기 위해 피로강도와 응력집중을 중요하게 고려합니다

Answer 4

안녕하세요.

금속은 한 번에 큰 힘을 받지 않아도 작은 힘을 수없이 반복해서 받으면 내부에 아주 미세한 균열들이 생기고, 거기서 또 자라나기도 해요.

처음에는 눈에 보이지도 않을 정도로 작지만, 반복될수록 균열이 점차 커지면서 금속이 버티는 힘이 점점 약해지죠. 결국 어느 순간에는 하중을 견디지 못하고 부러지게되요. 이러한 현상을 피로파괴라고 하죠.

그래서 자동차나 항공기, 교량처럼 반복적으로 하중을 받는 구조물들은 최대 강도도 중요하지만 피로 수명되 매우 중요하게 관리되고 있어요.

감사합니다.