금속의 피로

다양한 사용분야에서 반복적이거나 주기적인 응력을 받고 있는 금속부품은 한 번의 정응력에서 견딜 수 있는 값보다 훨씬 작은 응력에서도 피로 하중에 의해 파괴됩니다. 반복적 또는 주기적 응력 하에서 발생하는 파괴를 피로파괴라고 합니다. 피로파괴가 잘 일어나는 부품의 예는 축, 기어 등과 같이 움직이는 부품들입니다. 기계에서 파괴의 80% 정도는 직접적인 피로파괴에 의한 것입니다. 피로파괴는 보통 모서리나 오치와 같이 응력이 집중되는 지점이나 금속 개재물 또는 결함에서 시작됩니다. 균열은 일단 시작되면 주기적 또는 반복응력 하에서 처음 생성된 부분을 가로질러 전파합니다. 이 피로과정 단계에서 조개껍질 무늬나 해변의 물결자국이 생깁니다. 결국 남아있는 단면이 너무 적어서 더이상 하중을 지탱할 수 없게 되면 완전한 파괴가 일어납니다. 따라서 피로 파단면은 보통 매끄러운 영역과 거친 영역의 2가지 표면 영역을 갖게 됩니다. 매끄러운 영역은 균열이 단면을 가로질러 전파하는 동안 벌어진 표면끼리의 마찰에 의해 매끄러워진 영역이고, 거친 영역은 남아있는 단면에 비해 지탱할 수 있는 하중이 너무 커져서 생긴 파괴에 의해 형성된 표면 영역입니다. 재료의 피로수명을 결정하는 시험방법은 다양합니다. 가장 많이 사용되는 소형 피로시험은 회전-보 시험으로서, 시편이 회전되면서 동일한 크기의 압축응력과 인장응력을 번갈아 받는 시험입니다. 무어형태의 가역-굽힘 피로시험을 통해 파괴에 이르게 하는 응력 S와 파괴가 일어나는 사이클 수 N이라는 데이터를 얻을 수 있고, 이는 SN 곡선의 형태로 표시됩니다. 알루미늄 합금의 경우 사이클 수가 많아질수록 피로파괴에 이르게 하는 응력은 작아집니다. 탄소강의 경우 처음에는 사이클 수의 증가에 따라 피로강도가 감소하다가 어느 지점에서 수평이 되면서 더 이상 피로강도가 감소하지 않게 됩니다. SN곡선의 이 수평 부분을 피로한도 또는 내구한도라 부릅니다. 많은 철합금의 피로한도는 인장강도의 반 정도 값을 갖습니다. 알루미늄 합금과 같은 비철합금들은 피로한도는 갖지 않고, 그 인장강도의 1/3 정도로 피로강도가 낮아집니다. 균질의 연성 금속시편이 주기적인 응력을 받을 때, 피로과정 중에는 기본적인 구조변화가 일어납니다. 먼저 피로손상의 초기 단계에서 균열이 발생합니다. 균열 발생은 소성변형이 완전한 가역과정이 아니기 때문에 일어납니다. 한쪽 반향과 반대 방향으로 교차되는 소성변형에 의해 금속 내부에는 지속 슬립띠를 따라 생기는 손상뿐만 아니라 금속시편의 표면에는 슬립띠 돌출과 슬립띠 함입이라는 표면 융기와 골 등이 생깁니다. 표면의 불규칙성과 슬립띠에 따른 손상에 의해, 균열은 표면 혹은 표면 근처에 생성되었다가 점차 높은 전단응력을 받는 면을 따라 전파됩니다. 이것을 1단계 피로균열 성장이라 부르고, 일반적으로 균열 성장속도는 아주 낮습니다. 다결정 금속에서의 피로균열 성장 1단계 과정에서 몇 개의 결정립 지름만큼 균열이 성장하다가 금속시편의 최대 인장응력에 수직인 방향으로 균열의 진행방향이 바뀌게 됩니다. 2단계 균열 성장에서는 비교적 빠른 속도로 균열이 전파되고, 균열이 금속시편의 단면을 가로질러 진행함에 따라 피로 줄무늬가 생깁니다. 이 줄무늬는 피로균열의 시작과 전파방향을 결정하는 피로파괴 해석에 유용합니다. 결국 남아있는 금속 단면이 작용 하중을 지탱할 수 없을 만큼 균열이 충분한 면적을 덮게 되면, 시편은 연성파괴에 의해 파괴됩니다. 피로강도는 재료 자체의 화학조성보다 다른 인자의 영향을 받습니다. 노치, 구멍, 키 홈 및 단면의 급격한 변화가 있는 곳과 같이 응력이 집중되는 곳이 있으면 피로강도는 크게 감소합니다. 가능한 응력 집중부를 피하는 설계를 통해 피로파괴를 최소화할 수 있습니다. 일반적으로 금속시편의 표면이 매끈할수록 피로강도는 높습니다. 거친 표면은 피로균열 형성을 쉽게 하는 응력 집중부를 만들어내기 때문입니다. 대부분의 피로파괴는 금속 표면에서 시작되므로 표면조건의 변화를 금속의 피로강도에 영향을 줍니다. 예를 들어, 침탄이나 질화와 같은 강의 표면경화처리는 피로수명을 증가시킵니다. 반면에 탈탄은 열처리한 강의 표면을 연화시켜 피로수명을 감소시킵니다. 금속 표면에 압축성 잔류응력이 있어도 피로수명은 증가합니다. 부식성 분위기에서 금속이 주기적인 응력을 받으면, 화학적 침투가 피로균열의 전파속도를 크게 가속시킵니다. 금속에 대한 부식 침투와 주기적 응력의 조합을 부식피로라고 합니다. 재료 안에 있는 내재 결함이나 균열은 그 부품의 피로수명 중에서 균열 발생수명을 줄이거나 아예 없게 할 수도 있습니다. 즉, 내재된 결함을 가지고 있는 부품의 피로수명은 결함이 없는 것에 비해 상당히 적어질 수 있습니다.