건설기계기술사_피로, S-N 곡선

1. 피로의 개념

피로는 금속 등의 재료가 항복강도보다 작은 응력을 반복적으로 받는 것을

의미하는데, 항복강도보다 작은 강도라 할지라도 지속, 반복적으로 가하면

파괴될 수 있다. 이 때 파괴되는 현상을 피로파괴라고 하며 응력 변동 폭이

클수록 적은 반복 횟수에서 파괴가 발생한다.

피로한도는 재료가 피로를 일으키지 않고 견딜 수 있는 최대응력을 의미

하며 S-N곡선에서 수평구간에 해당한다.

2. S-N 곡선(피로곡선, 윌러곡선)

어떤 응력이 반복됐을 경우 파괴되기 까지의 반복횟수(N)를 나타낸 그래프

를 뜻한다. S-N곡선의 특징으로는 피로한도 이상의 응력을 작용할 경우

응력도가 커짐에 따라 파괴되기 까지의 반복횟수가 감소하고, 한계반복수

(수평선 시작점)에 해당하는 S-N곡선상의 응력을 기준 강도로 적용하면

안잔하다. 철강재료만 해당하며 비철금속은 응력이 감소되면 반복횟수가

증가되어 우하향 곡선으로 그려지게 된다.

3. 피로한도 감소에 영향을 주는 인자(재료강도를 낮추게 하는 인자)

1) 노치효과 : 단면 형상급변 부분(모서리처럼 뾰족한 부분, 각진 부분)

                     에 피로한도가 저하된다.

2) 치수효과 : 부재치수가 커질수록 피로한도가 저하된다.

3) 표면효과 : 표면이 거칠어질수록 피로한도가 저한된다.

4) 부식효과 : 부식은 피로한도를 급격히 저하 시킨다.

5) 온도효과 : 온도가 실온이상 증가하면 피로한도가 저하 된다.

6) 압입효과 : 억지끼워 맞춤은 피로한도를 저하 시킨다.

7) 속도효과 : 하중의 반복속도가 증가하면 피로한도가 비례하여 저하된다.

4. 피로한도 상승에 영향을 주는 인자(재료강도를 높여주는 인자)

피로한도을 상승하는데 영향을 주는 방법은 크게 표면 경화법과 롤링 압연으로

구분된다. 표면 경화법은 화학적 작용의 고체침탄, 액체침탄, 가스팀탄, 질화법

으로 나눌 수 있고 물리적 작용의 화염경화, 고주파경화, 숏피닝으로 나눌 수 있다.

고체침탄의 촉매제는 목탄과 코크스이며 액체침탄은 시안화나트륨, 가스침탄은

천연가스, 부탄, 질화법은 암모니아를 각각 촉매제로 사용한다.

화염경화는 산소-아세틸렉 불꽃으로 피로한도를 증가시키며 고주파 경화는 고주파

의 표피효과를 통해서, 숏피닝은 강구(작은 쇠구슬) 고속분사를 통해 피로한도를

증가시킨다.

여기서 침탄이란 표면에 탄소를 침투시켜서 표면을 고탄소의 합금층이 되도록 하여

재료의 강도를 높이는 것을 의미하며 물리적 표면경화인 화염경화와 고주파 경화는

표피의 온도를 높여서 담금질 효과를 보게하여 재료의 강도와 경도를 높임으로서

더 강한 재료의 성질을 얻게 하는 것이다. 숏피닝은 금속 부분을 강구로 강하게 때림

으로서 표면에 압축잔류응력을 형성하여 해머링 효과를 볼 수 있게 해준다.

5. 결언

발전 및 석유화학플랜트 설비를 설계할 때에는 각종 펌프 등 회전기계를 많이

사용하므로 진동에 의한 지속 반복 응력이 발생하게 된다.

피로파괴는 정적인 인장강도 보다 훨씬 낮은 응력에서 발생하므로 진폭과 진동

주기 등을 고려하여 안전율을 더 높여서 설계해야 안정적인 설비관리가 가능하다.