피로파괴 논문

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피로파괴 논문에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

생각하지 않고 각각 수명평가를 실시하는 것이 가능하다. 그러나 현실적 으로는 반드시 그렇지 않고 표제와 같이 양자의 상승효과를 고려한 수명평가가 필요한 것이 많다. 피로와 크리프의 상승효과를 고려한 수명평가 방법의 대표적인 예로서 선형피해 법칙 (linear damage rule)이 있다. 이 방법에서는 피로에 의한 손상 Df와 크리프에 의한 손상 Dc를 가산하여 구해지는 전손상(全損傷) D가 1에 도달할 때에 파괴가 생긴다고 생각한다.
가 파괴조건이 된다. 여기서 Ni는 조건 I의 반복횟수, Nfi는 그 조건에서의 완전 반복횟수 의존 피로수명(고속에서 반복할 때의 피로수명), tj 는 조건 j에서의 사용시간, t rj는 그조건에 대응하는 크리프 파단수명이다. 현재의 고온구조강도설계에서는 이 방법이 가장 광범하게 사용되고 있다. 그러나 지금까지 얻어진 실험데이터에 의하면 식이 성립하지 않는 것도 자주 있고, 또 부하조건에 따라서는 이 방법을 적용하기 어려운 경우도 있는 등의 이유로 부터 여러 가지의 수명 평가법이 제안되고 있다. 여기서는 이들을 전부 기술할 수는 없지만 그 가운데 특히 사용된 것이 많은 반복속도수정법과 변형률 범위분해법에 대해서 실험데이 터의 특징과 비교하여 간단히 소개한다.
(2) 변동응력에서의 강도특성
크리프와 피로의 상승효과로부터 고온에 있어서 저사이클 피로수명은 실온근방에서 보이지 않는 여러 가지의 복잡한 거동이 나타난다.
1) 유지시간의 영향
크리프와 피로가 중첩하는 조건에서 재료시험을 실시하는 경우는 그림 25와 같은 파형을 이용한다. 그림에서 A-B사이에서는 변형율을 일정하게 유지하므로 크리프변형에 의해 응력의 relaxation이 생긴다. 이 유지시간 tH의 길이에 의해 피로수명이 변화한다. 그일례를 그림 26에 나타낸다. 이와 같은 시험결과의 정리는 선형피해법칙이 많이 이용된다. 손상합의 계산예를 그림 27에 나타낸다. 이 예에서 D = D f + D c < 1이 되는 데이터가 많고 식을 파괴조건으로 생각하면 비안전측의 수명평가가 된다. 이와 같은 경우에는 그림 속의 절선과 같이 D cr < 1이 되는 제한치 D cr을 설정하여 평가의 기준으로 하기도 한다. 이와 관려하여 그림 27에서는 모든 시험결과에서 D = D f + D c 의 산술평 가치가 0.6이었던 것으 로부터 D f = D c = 0.3을 지나는 절선을 평가의 선으로 나타내고 있다
그림 25. 크리이프 피로 상승조건에서의 시험부하파형
그림 26. 피로수명의 유지시간의 의존성의 예
그림 27. 크리이프, 피로손상의 예
2) 변형율속도의 영향
그림 28에 변형율속도가 다를 때의 고온 저사이클 피로수명의 예를 나타내는데, 이와같이 변형율속도가 늦을수록 파손반복횟수가 짧게되는 경향이 있다. 이와 같은 시험에 관해서도 응력응답에 기본을 둔 크리프손상을 계산하여 선형피해법칙을 적요하는 것이 가능하지만 번잡한 것도 있어서 그다지 사용되지 않고 다음식과 같이 나타내는 반복속도 수정법이 이용된다.
또는
그림 28. 피로수명의 변형율속도의 의존성의 예
3) 인장과 압축에서 크리프효과의 상위
전술의그림 26에서는 변형율유지의 위치가 인장측, 압축측 및 양측유지의 3종류에 대해 피 로수명의 유지시간 의존성이 표시되어 있는데 압축측에 변형율유지가 있는 것은 유지시간을 길게 하여도 그다지 수명이 저하하지 않는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 선형피해법칙에서 는 압축유지가 있어도 인장유지와 동등하게 취급하는 것이 많으며, 유지위치에 따른 상위는 고려할 수 없다. 이와 같은 거동을 나타내는 평가법으로서 변형율범위 분할법이 제안되어 주목을 모으고 있다.
결 론
본문에서 우리는 피로현상과 피로파괴를 여러 분야로 나누어 알아보았다. 수많은 실험과 시험에서 나온 피로파괴 현상의 원인을 몇 가지로 정리할 수 있을 것이다.
첫째, 설계의 불량을 들 수 있다. 형상계수 및 충격계수, 재료의 특성을 제대로 파악하지 못해 발생하는 불량을 말하는 것이다. 그러나 현재 일반적으로 형상계수 및 충격계수를 포함한 안전율을 여유있게 고려하기 때문에 피로강도가 설계시 충분히 반영되기 때문에 설계불량이 피로파괴 현상을 발생시키는 주원인으로 보기는 힘들다. 다만 충분한 시험과 데이터를 간과하고 설계를 할 경우는 피로파괴를 가중시킬 수 있다.
둘째는 가공불량이다. 기계가공 도중에 노치가 유입되어 응력집중을 발생시키거나, 규정된 표면처리 혹은 열처리가 제대로 이루어지지 못해서 재료의 피로강도가 저하되어 피로파괴를 촉진 시킨다.
셋째는 소재의 불량이다. 소재 역시 비금속 개재물이 다량 함유되어 있거나 열처리 특성이 조악한 소재가 사용되어 요구되는 강도를 확보하지 못한 경우가 대표적인 예이다.
넷째는 부적절한 사용이다. 사용자가 설계강도를 무시한 과부하를 인가하거나, 부식환경 혹은 고온환경등 취약한 환경에서 사용하여 피로파괴를 촉진시키는 경우를 말하는 것이다. 이는 사용자가 설계조건을 인식하여 기계의 한계를 넘지 않도록 사용함으로 방지할 수 있다.
위에서 거론한 4가지 원인이 피로 파괴를 발생시키는 원인의 전부라고 볼 수는 없다. 피로파괴는 단순원인에 의한 경우가 적고, 여러 현상이 중첩되어 발생하는 경우가 많기 때문에 이로 단정지을 수는 없다.
피로파괴는 우리 엔지니어들이 끝까지 연구해야 하는 과제 중 하나이고, 존재의 이유중 하나이기도 하다. 엔지니어들은 피로파괴의 방지를 위해 피로강도를 저하시킬 수 있는 요인들을 종합하고 설계단계에서부터 최종 사용단계까지 지속적인 관리에도 힘을 쏟아야 할 것이고, 이것이 지속될 때 피로파괴의 방지가 달성될 것이다.
후 기
이번 논문작성을 통해 그동안 단순히 생각해오던 피로 파괴에 대하여 새롭게 알게 되었고, 설계와 재료분야가 기계영역에서 얼마나 중요한 부분을 차지하고 있는지를 알게 되어서 좋은 기회가 되었습니다. 응용분야도 중요하지만 기초분야가 얼마나 중요한지를 깨닫게 해준 유익한 기회였습니다.
참고 문헌
l『기계공학 실험』 - 강석춘 저 , 북스힐 출판
l『기계공학 실험』 - 한국과학기술원 기계공학과, 청문각
l『기계부품의 피로파괴 원인 및 방지대책』 이상진
l『건대 원강구조 특론 』

키워드

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