피로파손(Fatigue Failure)이란?

피로파손(Fatigue Failure)이란?

피로파손(Fatigue Failure)은 재료가 반복적인 하중이나 변형을 받으면서 발생하는 손상을 의미합니다. 이 현상은 재료의 내구성과 수명을 크게 좌우할 수 있으며, 특히 자동차, 항공기, 건축 구조물 등에서 중요한 고려 사항입니다. 피로파손은 단순히 큰 하중에 의한 파손과는 다르며, 오랜 시간 동안 작은 하중이 반복적으로 가해질 때도 발생할 수 있습니다.

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피로파손의 과정

1. 초기균열 발생 (Crack Initiation):
   • 반복적인 하중이 가해지면 재료의 표면이나 내부에 미세한 결함이나 불순물이 있는 부분에서 초기균열이 발생합니다. 이 단계에서는 눈으로 확인하기 어려운 작은 균열이 형성됩니다.
2. 균열 성장 (Crack Propagation):
   • 초기균열이 형성된 후, 하중이 반복되면서 균열이 점차 성장합니다. 이 과정에서 균열은 점점 더 깊고 길어지며, 재료의 단면적을 감소시켜 강도를 저하시킵니다.
3. 최종 파단 (Final Fracture):
   • 균열이 특정 임계 길이에 도달하면, 재료는 갑작스럽게 파단됩니다. 이 단계에서는 이미 재료의 상당 부분이 손상되어 있어 작은 하중에도 큰 파손이 일어납니다.

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피로파손의 특성

• 하중의 크기와 빈도: 큰 하중이 가해질수록, 그리고 하중이 자주 가해질수록 피로파손이 빨리 발생합니다.
• 재료의 특성: 각 재료는 피로한도(Fatigue Limit)라고 불리는 한계를 가지고 있습니다. 이 한도 이하의 하중에서는 재료가 무한히 반복하중을 견딜 수 있지만, 이 한도를 초과하면 피로파손이 일어납니다.
• 환경적 요인: 온도, 습도, 부식 등 환경적 요인도 피로파손에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 부식이 있는 환경에서는 피로파손이 더 빨리 진행될 수 있습니다.

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피로파손 예방 및 관리

1. 설계 단계에서의 고려: 피로파손을 줄이기 위해서는 재료의 피로한도를 고려한 설계가 중요합니다. 또한, 하중의 집중을 피하고 균일한 하중 분포를 유지하는 것이 좋습니다.
2. 재료 선택: 피로강도가 높은 재료를 선택하거나, 표면 처리(예: 쇼트피닝)를 통해 재료의 피로강도를 향상시킬 수 있습니다.
3. 정기적인 검사: 사용 중인 구조물이나 부품에 대해 정기적으로 검사하고, 초기균열을 발견하면 적절한 조치를 취하는 것이 중요합니다.

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피로수명 예측 방법

• 응력-수명 방법: 응력 진폭과 피로 수명과의 관계식
• 변형율-수명 방법: 변형율 진폭과 피로 수명과의 관계식
• 균열 성장 예측법: 균열 성장율과 응력 확대 계수의 진폭과의 관계식

케이스에 따라 적용해야 하는 방법이 다름

 

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피로수명 예측 방법

 

Failure under a repeated or otherwise varying load which never reaches a level sufficient to cause failure in a single appliacation

응력 진폭 vs 피로 수명 횟수

• Log-Log 그래프에서 선형 관계식
• 탄성 영역에 있는 금속 재료의 경우 피로 예측이 잘 맞음
• 균열 끝단에서의 소성 변형은 무시된 예측
• 피로 수명이 비교적 긴 상황에서 적용
• 균열을 직접 다루지 않음 → 균열 이후에도 유사 기계적 특성으로 사용 가능하지만, SN선도에서는 균일 발생 지점을 파손으로 보고 있음

피로 한계 응력(Se)

• 일부 탄소강은 Se이하의 응력하에서 무한대의 피로 수명을 가짐
• 탄소강: Ne(피로수명) = 10^6 ~ 10^7
• 알루미늄의 경우는 한계 응력이 관찰되지 않음

부가 내용

• 주로 수명이 긴 재료에 대해서 이 방법을 사용하며
• 무한 수명을 가지도록 설계하려할 때 이 방법을 적용

피로수명 시험 데이터가 없다면,

대략적인 예상 방법

인장강도의 90% 수준을 10^3 피로수명으로

인장강도의 50% 수준을 10^6 피로수명으로 하여 예측

 

응력 수준에 매우 민감하며,

응력이 좀만 변해도 결과가 크게 변화함. 대략적인 검토에 사용하는 방법

 

피로 수명은 응력 진폭과 재료 상수에 매우 민감

피로 강도의 오차가 5%면 피로 수명의 오차는 44%라는 이야기

즉 설계자가 50%수준으로 예측했다면 설계를 잘했다는 것을 의미한다는 내용

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변형율-수명 방법(E-N method)

The first examination, made after a few reversals of the stress, showed slip lines on some of the crystals ... after more reversals of stress additional slip lines appeared ... After many reversals they changed into comparatively wide bands with rather hazily defined edges ... some parts of the crystals became almost covered with dark markings ... at this stage some of the crystals had cracked.

 

상기 두 가지 방법은 설계 시 일반적으로 사용하는 유한 해석 프로그램에 적용된 방법이다.

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균열 성장법

The use of the crack tip stress intensity factor, K, has survived almost 50 years as the key parameter correlating fatigue crack growth

 

상기 두 방식은 개별 균열을 고려하지 않음

"균열 성장법"에서는 미소 균열 이후 파괴에 이르기 까지의 모델링

미소 균열이 발생하고 어떤 거동에 따라 균열이 증가하는지

미소 균열이 발생하고도 언제까지 사용 가능한지 잔여 수명에 대해 예측

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피로파손 설계 방법론

• 무한 수명 설계 - 피로한계 이하의 응력으로 설계
• 안전 수명(Safe-Life) 설계 - 설계 수명동안 안전하도록 설계. 국부적인 파손 가능성이 전체 시스템의 운용 여부를 결정
• 사고 방지(Fail-Safe) 설계 - 여유성에 기초한 설계. 국부적인 파손이 전체 시스템으로 전파되지 않음
• 손상 허용(Damage-Tolerant) 설계 - 주기적인 점검/정비를 통한 손상 허용. 손상 정도의 파악과 예측

사고 방지(Fail-Safe) 설계 예시

개별 부품의 파손이 전체 시스템의 파손으로 확장되지 않음

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