[피로 파괴] S-N Curve란 무엇인가? - 엔지니어링 공부방 -

1. Fatigue Analysis

금속 재료에는 변형이 일어나기 시작하는 항복점과 재료가 파괴되는 파괴점이 있습니다. 각 지점에서의 응력 정도를 항복강도(Yield Strength), 인장강도(Tensile Strength)라고 합니다. 하지만 재료는 인장강도보다 낮은 응력을 반복적으로 가해져도 파괴가 일어납니다. 심지어 항복강도보다 낮은 응력도 수백만, 수천만번 가해준다면 재료파괴가 일어납니다. 이를 피로수명, 피로파괴 등으로 부르며 그래프로 나타낸 것이 S-N Curve입니다. 저싸이클의 피로수명을 갖는 경우 응력이 아닌 변형률로 관계를 정의하기도 하는데 이것은 E-N Curve라 합니다.

 

2. S-N Curve

S-N Curve란 앞서 언급한것처럼 파괴가 일어날 때까지의 Stress와 Cycle의 관계를 정의한 것입니다. 여기서 주의할 것은 Stress가 주기를 갖고 반복되기 때문에 Y축은 Stress Amplitude(진폭)으로 정의됩니다.

 

특정 재료는 내구성 한계가 있으며, 이는 재료가 파괴되지 않고 무한번의 주기로 가할 수 있는 최대 수준의 응력 수준을 나타냅니다. 따라서 내구성 한계보다 낮은 응력이 적용되는 경우 무한 수명을 갖는다고 볼 수 있습니다. 곡선 B처럼 지속적으로 감소하는 S-N 커브는 보통 내구성 한계를 10^8 사이클 부근에서 정의합니다.

 

3. Fatigue Test

S-N Curve를 얻기 위한 피로수명 시험을 하기 위해서는 우선 시험 시편이 필요합니다. 시험 목적에 맞춰 여러 종류의 시편이 존재하는데 그 중 일부를 아래 가져와봤습니다.

시편을 아래와 같은 피로시험기에 연결합니다. 피로시험기도 마찬가지로 목적에 따라 다양한 종류가 있습니다. 아래는 이해를 돕기 위한 사진입니다.

피로시험기는 시편에 반복 하중을 가합니다.

실용 기계 부품은 복잡한 변동 응력을 받지만, 특별한 경우를 제외하고는 단순 반복 응력에 의해 시험합니다. 하지만, 동일한 응력진폭을 갖더라도 평균 응력은 다를 수 있는데, 평균응력이 다르면 다른 S-N Curve가 나옵니다. 이를 보완하기 위해 평균응력효과를 고려한 수명 계산을 하게 되는데 이에 관한 내용은 다음 포스팅 내용을 참고해 주세요.

일반적으로 첫 번째 시편은 인장강도의 2/3 정도인 응력을 작용시켜 시험편이 파단될 때까지의 사이클 수(N)를 측정합니다. 이 후 여건에 맞춰 점차 작용응력을 낮춰 가면서 실험을 계속합니다. 이와 같이 얻어진 실험 데이터를 대수 (로그)그래프에 넣고 그린 것을 S-N 곡선 혹은 뵐러 곡선이라 합니다. 

 

* 참고 자료 *

- 기초 탄소성역학, 진샘미디어, 정남용 -