피로 수명에 영향을 주는 인자

앞선 글들에서 언급한 바와 같이, 많은 인자들이 공학 재료의 피로 거동에 영향을 준다. 이러한 인자로는 평균 응력 크기, 기하학적 설계, 표면 효과, 금속학적 변수 및 환경 등을 들 수 있다. 오늘은 이러한 인자들 및 구조물 기기들의 피로 저항성을 향상시키는 방안에 대해 이야기해보자.

응력 진폭이 피로 수명에 미치는 영향은 S-N 선도에 나타나 있다. 통상적으로 S-N 선도는 교번 사이클이나, 일정한 평균 응력 하에서 행한 피로 시험 데이터를 근간으로 하여 작성한다. 그러나 피로 수명은 평균 응력에 영향을 받는다. 각기 다른 평균 응력에서 측정한 S-N 곡선들은 서로 다른 피로 거동을 보인다. 일반적으로 평균 응력 크기가 증가할수록 피로 수명은 감소한다. 일반적인 하중 조건에서 최대 응력은 기기나 구조물의 표면에서 나타나므로, 피로 파손을 일으키는 대부분의 균열은 표면(특히, 응력이 증폭되는 위치)에서 발생한다. 따라서 피로 수명은 기기의 표면 상태에 크게 영향을 받으며, 피로 저항성에 영향을 주는 여러 인자들을 적절히 처리함으로써 피로 수명을 향상시킬 수 있다. 여기에는 설계 요건뿐만 아니라 여러 가지의 표면 처리가 포함된다.

기기의 설계 내용은 피로 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 노치나 기하학적 불연속점은 응력 상승자의 역할을 하여 피로 균열이 시작하는 위치가 된다. 불연속점이 날카로울수록, 응력 집중은 더 커진다. 그러므로 가능한 한 이러한 구조적 불규칙성을 제거함으로써, 피로 손상이 일어날 확률을 감소시킬 수 있다. 기계 가공 중에는 절삭 공구에 의해 가공하는 재료의 표면에 흠집이나 홈이 생긴다. 이러한 표면의 흠집은 피로 수명을 감소시키므로 표면을 연마하여 피로 수명을 상당히 향상시킬 수 있다. 피로 수명을 향상시키는 방법 중에서 가장 효과가 큰 것은, 표면에 잔류 압축 응력을 갖는 얇은 층을 형성시키는 것이다. 잔류 압축 응력은 외부 작용에 의해 나타나는 표면 인장 응력을 어느 정도 감소시키거나 제거하는 역할을 한다. 결과적으로 균열 생성을 억제시킴으로써 피로 파손이 일어날 확률을 감소시킨다. 잔류 압축 응력을 형성시키는 일반적인 방법은 기계적인 방법으로 표면에 국부 소성 변형을 일으키게 하는 것으로, 상업적으로는 숏피닝이라고 한다. 지름이 0.1 ~1.0 mm인 작고 단단한 물체를 고속으로 표면에 때리는 작업으로, 이에 따른 변형으로 숏 지름의 1/4 ~ 1/2만큼의 깊이에 압축 응력이 형성된다.

표면 경화는 표면 경도를 향상시켜 피로 수명을 향상시키는 방법으로, 합금강에 주로 사용된다. 침탄법이나 질화법을 사용하며, 구성품을 고온에서 탄소나 질소 분위기에 노출시켜 기체의 원자 확산으로 표면에 탄소나 질소가 다량 함유되도록 하는 방법이다. 표면 경화층은 약 1mm 정도이며, 표면 내부보다 더 단단하다. 침탄법이나 질화법으로 나타나는 잔류 인장 응력은 표면 경화와 아울러 피로 성질을 향상시키는 작용을 한다.

환경 인자도 재료의 피로 거동에 영향을 미친다. 환경에 따른 일반적인 피로 파손의 두 가지 형태에는 열 피로와 부식 피로가 있다. 열 피로는 기계적 응력과 무관하며, 고온에서의 열응력 사이클에 의해 나타난다. 온도 변화에 따라 나타나는 구조물의 팽창 및 압축이 억제되어 열응력이 발생한다. 온도 변화에 따른 열응력의 크기는 열팽창 계수와 탄성 계수의 함수로 나타낼 수 있다. 물론, 기계적인 제한 요인이 없으면 열응력은 발생하지 않는다. 그러므로 이러한 제한 요인을 제거하거나 아니면 적어도 감소시켜, 온도 변화에 따른 크기 변화가 자유롭게 일어나도록 하여 열응력에 의한 피로 파손을 방지할 수 있다. 또한 적절한 물리적 성질을 갖는 재료를 선정해야 한다. 부식 피로는 응력 사이클과 화학적인 공격이 동시에 작용함으로써 일어나는 파손이다. 부식 환경은 악영향을 끼치며, 피로 수명을 감소시킨다. 일상적인 주위 환경도 몇몇 재료의 피로 거동에 영향을 미치는데, 화학 작용에 의해 형성된 조그만 홈은 응력 집중점이 되어 균열 생성 위치로 되고, 균열 전파 속도도 부식 환경에 의해 증가한다. 또한 응력 사이클의 형태도 피로 거동에 영향을 미친다. 예를 들면, 하중의 주기를 낮추면 열려진 균열이 환경과 접촉하는 기간이 길어지므로 피로 수명은 감소한다. 부식 피로의 방지 방안에는 여러 가지가 있는데 표면 보호막의 형성이나 부식 저항성이 더 큰 재료의 선정 및 환경의 부식성 감소, 작용 인장 응력 감소, 재료 표면에 잔류 압축 응력 생성 등이 있다.

실제 사용 재료는 고온에서 정적인 기계적 하중을 받는 경우가 종종 있다. 예를 들면, 증기 발생기나 제트 엔진의 터빈 로터에는 원주 응력이 가해지고 고압 증기가 흐른다. 이러한 주위 환경에서 나타나는 변형을 크리프라고 하며, 일정한 하중이나 응력을 받는 재료의 시간 의존성 영구 변형으로 정의한다. 크리프는 구조물의 수명을 제한하는 요인이므로 바람직한 현상이 아니다. 크리프 현상은 모든 재료에서 나타나며, 금속의 경우에는 단지 절대 융점이 0.4 이상만 되어도 나타난다. 특히 플라스틱이나 고무와 같은 비정질 폴리머는 크리프 현상에 민감하다.

전형적인 크리프 시험에서 시편은 일정한 온도에서 일정한 하중이나 응력을 받는다. 이에 따른 변형이나 변형률은 경과 시간의 함수로 나타난다. 일반적인 공학적 정보를 취득하기 위한 대부분의 시험은 일정한 하중에서 행해진다. 그러나 크리프 기구를 좀 더 잘 이해하기 위해서는 일정한 응력 하에서 시험을 한다. 일정한 하중 하에서의 전형적인 크리프 거동을 보면, 하중을 가하는 순간에 변형이 일어나며 이 변형은 주로 탄성변형이다. 크리프 곡선은 세 구역으로 나누어지며, 각각의 구역은 각기 독특한 변형률-시간 양상을 나타낸다. 다음 시간에 크리프에 대해 조금 더 자세히 알아보자.