피로강도, 피로한도, 피로한도 영향(상승, 저감)인자

1. 재료의 피로파괴 현상(S-N 곡선)

기계와 구조물에서는 변동하중이나 반복하중을 받는 곳이 아주 많이 있는데 변동 하중이나 반복회수를 아주 많이 받으면 허용 정하중보다 훨씬 작은 값으로서 재료의 성질을 변화, 파괴하기 시작한다.

이것은 재료에 피로가 생긴 탓이고 특히 최대응력이 작용하고 있는 점의 근방에 미세한 균열이 발생하여 이것이 점차 진행, 드디어 파단하게 된다.

이러한 현상을 피로파괴 라 한다.

응력 진폭이 작을수록 반복횟수가 증가, 응력진폭이 어느값 이하이면 무한히 반복하여도 파괴되지 않음

반복응력 S와 반복수 N을 표시하는 곡선으로 수평부의 응력은 반복을 주어도 재료가 파괴되지 않는 최대응력이다.

이 응력을 피로 한도라 한다.

 

2. 피로란

기계나 구조물 중에서 피스톤이나 커넥팅 로드와 같이 인장과 압축을 되풀이 해서 받는 부분이 있는데, 이러한 경우 그 응력이 인장(압축) 강도 보다 휠씬 작더라도, 이것을 오랜 시간에 걸쳐서 연속적으로 되풀이 하여 작용시키면, 파괴되는데 이 같은 현상을 피로 파괴라 함

 

3. 피로강도: 피로 파괴를 일으키지 않는 최대한계응력

 

4. 피로수명: 피로시험에서 방향이 일정하고, 크기나 어느범위 사이에 주기적으로 변화하는 응력을 되풀이 하든지, 혹은 인장과 압축을 되풀이하여 파괴에 이르기까지의 횟수를 피로수명이라함

 

5. 피로한도에 영향을 주는 인자

건설기계의 각 구조물 및 기계 구조물에 대한 피로한도는 구조물의 치수 표면 다듬질정도, 노치등에 따라서 편차가 크며, 피로한도를 높게 하여 장비의 수명을 길게 하기 위해서는 이러한 인자를 최소화 하여야 한다.

 

피로한도에 양향을 주는 인자의 종류 및 특성

1) 치수효과: 부재의 치수가 커지면 피로한도가 낮아진다

2) 부식효과: 부재의 부식에 의하여 피로한도가 낮아진다.

3) 압입효과: 강압끼어 맞춤에 의해 피로한도가 낮아진다.

4) 표면효과: 부재의 표면 다듬질이 거칠면 피로한도가 낮아진다.

5) 노치효과: 단면치수나 형상이 갑자기 변하는곳에 응력이 집중되고 피로한도가 낮아진다.

 

6. 잔류응력: 피로강도를 상승시키는 인자

• 고주파 열처리
• 침탄, 질화 열처리
• Roller 압연
• Short 피닝, Sand 블라스팅
• 표층부에 압축잔류응력이 생기는 각종 처리

7. 피로강도 상승대책

• 진동 및 공명이 발생하는 위치를 피해서 용접 연결부 배치로 피로하중을 최소화한다.
• 부식성 환셩의 노출을 최소화시킨다.
• 응력 집중 계수를 낮게 설계한다.
• 적합한 모재, 용가재 및 용접 공정을 선택한다.
• 시공 전 그루브 형상 및 표면을 처리한다.
• 후처리실시
• 고주파 침탄, 질화 열처리에 의한 강도 및 강성부여
• 롤링 압연에 의한 강도 및 강성 부여
• 표층부 압축 잔류응력이 발생하는 각종 처리
• 전해연마, 래핑 등 표면을 매끄럽게 하여, 표면 거칠기에 의한 노치효과를 감소시키고 이론 수명에 근접하도록 유도

8. 피로 파괴 현상

• 취성재료는 최대 주응력설에 의한 분리파손이 발생한다.
• 연성재료는 최대 전단응력설에 의한 미끄럼 파손이 발생한다.

9. 결론

• 피로파괴의 발생원인은 4가지로 구별된다.(설계불량, 가공불량, 재료불량, 부적절한 사용)
• 일반적으로 안전율을 여유있게 고려하기 때문에 피로강도가 설계시에 반영이 되어 있으므로 피로파괴는 주로 가공불량, 재료불량 및 사용상의 부주의에 의한 경우가 대부분이다.
• 즉 기계가공 도중에 노치가 유입되어 응력집중을 발생시키거나, 규정된 표면처리 혹은 열처리가 제대로 이루어지지 못해서 재료의 피로강도가 저하되는 경우가 많다.
• 또한 비금속 개재물을 다량 함유한 재료 또는 부적절한 열처리방법에 의해 요구되는 강도를 확보하지 못한 경우가 많다.
• 피로파괴는 단순한 원인에 의한 경우가 적고, 복잡한 여러 형상이 중첩되는 경우가 많기 때문에 단정하기 어려운 경우가 많다.
• 결국 피로파괴의 방지는 피로강도를 저하시킬 수 있는 요인들을 종합하여 설계단계에서부터 최종 사용단계까지 지속적인 관리에 의해서만 달성 될 수 있다.