피로강도

1. 피로강도와 정적강도가 다른 점

 피로강도란?

 피로파괴에 대한 강도

 피로한도와 S-N 곡선 등으로 나타내어지는 되풀이하중에

대한 피로수명이 있다.

 정적강도란?

 인장시험과 같은 규격화된 시험법에 의해 단조롭게 증가하는 하중, 즉 일방향 하중을 부하했을 때 얻어지는 강도

 항복강도, 인장강도 등 재료의 기계적 성질이 있다.

 근본적인 차이점은 하중이 되풀이되느냐 아니냐에 있다.

2. 강 재료에서 피로한도가, 항복강도나 연신률에 비해 인장강도 또는 경도와 밀접한 관계가 있는 이유(1/2)

 피로한도 기구

 되풀이 소성변형이 일어나지 않는 경우

 미시적인 균열이 발생하지 않는 경우

 미시적인 균열이 발생해도 그 균열이 진전하지 않는 경우

 피로한도 응력레벨에서 시험한 재료에 미시균열이 관찰되는 

경우가 적지 않으며, 또한 미시균열이 있는 시험편을 피로시험 해보면 피로한도가 나타난다.

 거시적인 균열이 발생하여 진전하나 도중에 멈추는 경우

 미시적인 균열이 발생해도 그 균열이 진전하지 않는 이유

 변형률시효(strain aging) – 코트렐(Cottrell) 효과

 재료 내의 용질원자인 탄소나 질소 원자가 전위가 있는 곳으로 확산하여, 전위를 고착(anchoring) 시키기 때문이다.

 전위가 고착되어 매우 한정된 범위에서만 왕복운동을 하므로 

미끄럼 운동이 제한된다.

2. 강 재료에서 피로한도가, 항복강도나 연신률에 비해 인장강도 또는 경도와 밀접한 관계가 있는 이유(2/2)

 단축 인장시험에서의 미끄럼운동

 항복강도

 하중이 항복강도에 이르면 재료 내 전위들의 이동이 시작되고 

이는 소성변형의 시작을 의미한다.

 가공경화

 재료의 소성변형을 가져오는 하중이 전위를 이동시킬 뿐만 

아니라 새로운 전위들을 만든다.

 변형률이 증가할수록 전위의 밀도가 높아지게 된다.

 인장강도

 재료 내 전위밀도가 높아져 전위들의 운동이 구속 받게 된다.

 가장 약한 부분에 변형이 집중되기 시작하여 네킹이 발생하고, 

그곳에서 전위의 운동인 미끄럼운동이 재개되면서 재료의 단면적 감소가 국부적으로 일어난다.

 피로한도는 변형률시효에 의해, 그리고 인장강도는 가공경화에 의해 각각 억제된 미끄럼 운동을 재개시킬 수 있는 하중이라는 점에서 관계 있다고 생각한다.

3. 예리한 노치가 있는 시험편의 경우나 부식환경에서 피로한도와 인장강도가 거의 관계가 없는 이유(1/3)

 노치가 있는 경우

 고되풀이수피로 영역에서는 소성변형이 작으므로 균열발생이 어려워, 피로수명은 균열발생에 의해 주로 지배된다.

 노치가 기하학적 응력집중원이 되어 피로균열발생이 쉽다.

 피로수명이 인장강도보다 노치에 민감하게 반응하게 된다.

3. 예리한 노치가 있는 시험편의 경우나 부식환경에서 피로한도와 인장강도가 거의 관계가 없는 이유(2/3)

 부식환경의 경우(1/2)

 피팅(pitting) 의 발생

 재료 표면에 국부적으로 군데군데 깊숙이 발생하는 부식이다.

 염화물, 황화물, 브롬화물 이온이 전기화학적 산화환원반응을 

가속화시킨다.

 이 피팅이 응력집중원이 되어 피로균열발생을 야기한다. 

3. 예리한 노치가 있는 시험편의 경우나 부식환경에서 피로한도와 인장강도가 거의 관계가 없는 이유(3/3)

 부식환경의 경우(2/2)

 피로균열진전과정에서 부식의 영향

 부식환경이 피로균열성장을 가속화시킨다.

 부식을 늦추는 산화철의 코팅이 균열선단에 

발생하여도, 되풀이하중에 의해 균열면의 

개폐가 반복되면서 이 코팅의 지속을 막는다.

 따라서 부식이 연속적이고 가속화된다.

 부식에 의한 효과가 피로균열발생과 

진전과정에 큰 영향을 미치게 되어 

피로수명에 지배적인 인자가 된다.

4. 보통 시험편의 경우, 인장강도가 매우 높아져 어느 이상이 되면 반대로 피로한도가 감소하는 이유(1/2)

  

4. 보통 시험편의 경우, 인장강도가 매우 높아져 어느 이상이 되면 반대로 피로한도가 감소하는 이유(2/2)

 인장강도가 매우 높아지면 표면상태의 영향이 커지게 

되어 피로한도가 감소하게 된다.