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)

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.

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.

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

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.

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.

강의 자료2.5 피로 시험과 크리프 시험 1 / 12

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