피로 시험과 크리프 시험 — S-N 선도·피로 한도·크리프 3단계와 마모 | 기계공작법 2.5

기계공작법Chapter 02 기계 재료의 성질과 시험 › Section 05

2.5 피로 시험과 크리프 시험

정하중이라면 넉넉히 견딜 응력인데도 부러진다. 되풀이와 시간이 만드는 두 가지 파괴를 본다.

교재 수록 위치
교재
『기술·기계 임용 기출로 배우는 기계공작법』 · 이은상 · 부크크 · 342쪽
단원
Chapter 02 기계 재료의 성질과 시험 › Section 05 피로 시험과 크리프 시험
쪽수
28p ~ 30p3쪽
세부 내용
01 피로 파괴28p · 02 S–N 선도와 피로 한도29p · 03 피로 수명에 영향을 주는 것29p · 04 크리프 시험29p~30p · 05 마모와 마모 시험30p
학습 목표
피로와 크리프가 정하중 파괴와 어떻게 다른지 설명할 수 있다.
영상 목차 · 원하는 부분부터 보기 (약 10분)
  1. 00:00 · 정하중과 되풀이 하중의 차이
  2. 00:51 · 피로 파괴의 세 걸음
  3. 01:45 · S–N 선도와 피로 한도 (그림 2.7)
  4. 02:46 · 철강과 비철 금속의 차이
  5. 03:27 · 피로 수명을 좌우하는 표면
  6. 04:30 · 크리프와 크리프 곡선 3단계 (그림 2.8)
  7. 07:04 · 마모의 종류와 재료 짝짓기
  8. 08:39 · 자주 틀리는 네 자리

01견딜 하중인데 왜 부러지는가교재 28p

  • 기계 부품이 실제로 부서지는 원인 가운데 가장 큰 비중을 차지하는 것이 피로 파괴임.
  • 회전하는 축, 진동하는 스프링, 되풀이 여닫히는 문의 경첩 — 하중이 되풀이 걸리는 부품은 정하중이라면 넉넉히 견딜 크기의 응력에서도 오랜 시간이 지나면 갑자기 부러짐.
  • 세 걸음
    • ① 표면의 작은 흠이나 응력이 몰리는 자리에서 미세한 균열이 생김
    • ② 하중이 되풀이될 때마다 균열이 조금씩 자람
    • ③ 남은 단면이 하중을 견디지 못하는 순간 단번에 부러짐
  • 눈에 띄는 변형 없이 갑자기 일어나므로 위험함.

파면이 남기는 증거

  • 비치 마크 — 균열이 자란 자취가 조개껍데기 무늬로 남음. 무늬의 중심을 따라가면 균열이 시작된 자리를 찾을 수 있음.
  • 파면의 나머지는 마지막에 단번에 부러진 자리로 거칢.
  • 파면을 보고 피로 파괴 여부를 판정하는 근거가 됨.

02S–N 선도와 피로 한도교재 29p

  • S–N 선도 — 되풀이 걸리는 응력의 진폭을 세로축에, 파단까지의 반복 횟수를 대수 눈금으로 가로축에 잡아 그린 것. 응력 진폭이 작을수록 견디는 횟수가 늘어 곡선은 오른쪽 아래로 내려감.
  • 피로 한도 — 철강 재료에서는 어느 응력 아래로 내려가면 곡선이 수평이 되어 아무리 되풀이해도 파단되지 않음. 되풀이 하중을 받는 부재의 허용 응력을 정하는 근거.
  • 강의 피로 한도는 대체로 인장 강도의 절반 정도.
  • 비철 금속에는 피로 한도가 없음 — 알루미늄 합금, 구리 합금에서는 곡선이 수평이 되지 않고 계속 내려감. 10⁷회처럼 정해진 횟수를 견디는 응력을 시간 피로 강도로 삼아 대신 씀.

03피로 수명을 좌우하는 표면교재 29p

  • 피로 균열은 거의 언제나 표면에서 시작함. 그래서 표면 상태가 수명을 크게 좌우함.
  • 수명을 줄이는 것 — 표면 거칠기가 클수록, 홈이나 구멍이 있을수록. 부식 환경에서는 부식 구덩이가 균열의 출발점이 되어 수명이 크게 줄어듦.
  • 수명을 늘리는 것 — 압축 잔류 응력
    • 숏 피닝 — 작은 강구를 표면에 세차게 부딪쳐 압축 잔류 응력을 줌
    • 침탄 · 질화 같은 표면 경화 열처리도 같은 효과
    • 스프링과 기어의 이뿌리에 숏 피닝을 하는 것은 그 자리가 피로 파괴가 잘 일어나는 곳이기 때문

04크리프 — 하중이 그대로여도 자라는 변형교재 29p~30p

  • 크리프 — 높은 온도에서 일정한 하중을 오래 걸어 두면 하중이 변하지 않는데도 변형이 시간에 따라 계속 커지는 현상.
  • 문제가 되는 곳 — 보일러 배관, 터빈 날개, 열간 금형.
  • 금속에서는 대체로 융점의 절반 정도 되는 절대 온도를 넘어서면서 뚜렷해짐.
단계이름변형률이 커지는 모습
1단계천이 크리프빠르게 커지다가 점점 느려짐
2단계정상 크리프시간에 거의 비례해 일정한 속도로 커짐
3단계가속 크리프속도가 다시 빨라져 파단에 다다름
  • 순간 탄성 변형 — 하중을 걸자마자 생기는 변형은 시간이 흘러 쌓인 것이 아니므로 크리프에 넣지 않음. 곡선의 출발점 높이로 나타냄.
  • 설계에 쓰는 값은 2단계에서 나옴 — 정상 크리프 구간의 일정한 변형률 속도가 최소 크리프 속도. 여기에 사용 시간을 곱하면 그동안 쌓이는 변형을 어림할 수 있음.
  • 크리프 한도 — 정해진 온도에서 일정 시간 뒤의 변형이 정해진 값을 넘지 않는 최대 응력.

05마모 — 부서지지 않아도 못 쓰게 됨교재 30p

  • 서로 닿아 미끄러지는 두 면에서 재료가 조금씩 떨어져 나감. 부품이 부서지지 않아도 치수가 어긋나 못 쓰게 되는 원인.
  • 응착 마모 — 접촉한 미세 돌기가 달라붙었다가 떨어지면서 재료가 옮겨 붙거나 탈락함.
  • 연삭 마모 — 단단한 돌기나 입자가 상대면을 긁어 냄.
  • 피팅 — 되풀이 접촉으로 표면이 떨어져 나감.
  • 줄이는 방법 — 표면 경도를 높이고, 윤활을 좋게 하고, 서로 닿는 두 재료를 같은 재료로 짝짓지 않음. 같은 재료끼리는 서로 달라붙기 쉬워 응착 마모가 심해짐.

이 절의 핵심 정리

  1. 피로 파괴는 부품이 부서지는 가장 큰 원인이며 변형 없이 갑자기 일어난다
  2. 철강에는 피로 한도가 있고 비철 금속에는 없다 — 대신 시간 피로 강도를 쓴다
  3. 피로 균열은 표면에서 시작한다. 숏 피닝의 압축 잔류 응력이 수명을 늘린다
  4. 크리프 곡선은 천이 → 정상 → 가속 3단계. 설계 값은 2단계에서 나온다
  5. 마모를 줄이려면 같은 재료끼리 짝짓지 않는다
강의 자료2.5 피로 시험과 크리프 시험 1 / 12

번호를 누르면 해당 장으로 바로 이동합니다 · 방향키 ← → 로도 넘길 수 있습니다
다음 절 · 2.6 탄소강과 주철의 기계적 성질 교재 30p~32p — 같은 철인데 성질이 왜 이렇게 다른지 살펴봅니다. ↗

더 자세한 내용은 교재에서

이 글은 『기술·기계 임용 기출로 배우는 기계공작법』 28p~30p의 내용을 강의 영상에 맞춰 핵심만 간추린 요약입니다.

댓글

이 블로그의 인기 게시물

2007년 국가직 9급 기계일반 기출문제 풀이

기계공작법 연습문제 130문 | 임용 기출 영상·교재 쪽수 바로가기