피로 시험과 크리프 시험 — S-N 선도·피로 한도·크리프 3단계와 마모 | 기계공작법 2.5
2.5 피로 시험과 크리프 시험
한 번 견디는 힘만으로 부품의 수명을 정할 수 없습니다. 반복 하중의 피로, 고온에서 시간이 흐르며 쌓이는 크리프, 접촉면의 마모를 구분합니다.
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01피로 파괴의 세 단계
반복 하중에서는 정적인 강도보다 작은 응력으로도 파괴가 일어날 수 있습니다. 표면 흠이나 응력 집중부에서 균열이 시작되고, 하중이 반복될 때마다 성장하다가 남은 단면이 하중을 견디지 못하면 최종 파단에 이릅니다.
- 균열 발생
- 반복 하중에 따른 균열 성장
- 남은 단면의 최종 파단
피로 파면의 비치 마크는 균열 성장 과정을 살피는 단서입니다. 큰 소성 변형 없이 파단할 수 있어 표면 상태와 사용 이력을 함께 봅니다.
02S–N 선도와 피로 한도
세로축 S는 응력 진폭, 가로축 N은 파단까지의 반복 횟수입니다. 반복 횟수 축은 보통 대수 눈금으로 나타내며, 응력이 작아질수록 견디는 횟수가 늘어나는 경향을 읽습니다.
강의의 대표적인 철강 곡선은 일정 응력 아래에서 수평에 가까워집니다. 이 기준이 피로 한도입니다. 알루미늄 합금처럼 뚜렷한 피로 한도가 없는 재료는 정해진 반복 횟수에서의 피로 강도로 나타냅니다.
피로 한도를 모든 재료·환경에 공통인 절대 안전선으로 해석하지 않습니다. 실제 부품에서는 표면 거칠기, 부식, 응력 집중과 하중 조건을 함께 고려합니다.
03표면을 바꾸면 피로 수명도 달라진다
홈과 거친 표면, 부식 구덩이는 균열의 출발점이 될 수 있습니다. 반대로 표면의 압축 잔류 응력은 균열이 벌어지는 것을 억제합니다.
숏 피닝은 작은 입자를 표면에 충돌시켜 압축 잔류 응력을 부여하는 방법입니다. 강의에서는 스프링과 기어 이뿌리처럼 반복 응력을 받는 부위와 연결해 설명합니다.
04크리프 곡선의 3단계
크리프는 일정 온도와 하중 아래에서 시간에 따라 변형이 누적되는 현상입니다. 금속에서는 특히 고온에서 중요하며, 융점과 비교할 때는 섭씨가 아니라 절대 온도를 사용합니다.
| 단계 | 변형률 속도 | 곡선의 특징 |
|---|---|---|
| 1차·천이 크리프 | 점차 감소 | 곡선의 기울기가 완만해짐 |
| 2차·정상 크리프 | 대체로 일정 | 최소 크리프 속도를 평가하는 구간 |
| 3차·가속 크리프 | 증가 | 손상이 커지며 파단에 접근 |
하중을 처음 걸 때 생기는 순간 탄성 변형은 시간에 따라 누적된 크리프 변형과 구분합니다. 크리프 한도에는 온도·시간·허용 변형 조건을 함께 표시해야 합니다.
05마모의 원인과 재료 조합
| 유형 | 핵심 현상 |
|---|---|
| 응착 마모 | 접촉 돌기가 달라붙고 떨어지면서 재료가 이동하거나 탈락 |
| 연삭 마모 | 단단한 입자나 돌기가 상대면을 긁어 제거 |
| 피로 마모 | 반복 접촉 응력으로 균열이 생겨 표면이 탈락·피팅 발생 |
표면 경도, 윤활, 접촉 압력과 재료의 조합을 함께 조절합니다. 다른 재료를 짝짓는 방법은 응착을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만, 재료가 다르다는 사실만으로 마모가 줄어드는 것은 아닙니다.
이 절의 핵심 정리
- 피로는 반복 하중, 크리프는 시간에 따른 변형 누적입니다.
- S–N 선도는 응력 진폭과 파단 반복 횟수의 관계입니다.
- 크리프 2단계의 일정한 기울기에서 최소 크리프 속도를 읽습니다.
- 마모는 표면·윤활·상대 재료와 접촉 조건을 함께 봅니다.
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