회전 굴곡 피로시험 실험 보고서

본 내용은 " [단국대]피로시험 실험 레포트 A+ " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.07

문서 내 토픽

• 1. 피로(Fatigue) 및 피로파괴

  반복되는 응력이나 변형률의 영향을 받는 재료의 거동을 피로라고 한다. 피로파괴는 정하중을 받을 때 파단되는 응력보다 낮은 응력에서 반복응력 상태 하에서 파단되는 현상이다. 공작기계, 금형, 캠, 축 등 구조물과 기계요소들은 정하중뿐만 아니라 급속히 변동된 동하중을 받으며, 이러한 반복응력은 반복된 기계적 하중이나 열하중에 의해 발생된다.

• 2. 피로한계(Fatigue Limit) 및 S-N 선도

  피로한계는 무한히 반복을 견딜 수 있다고 판단된 응력의 최대치이며, 반복하중이 많아져도 피로파괴를 일으키지 않는 최대응력을 의미한다. 금속재료의 경우 피로한계는 극한인장강도와 일정한 관계를 가지며, 강재의 경우 인장강도의 약 절반이다. S-N 선도는 반복횟수와 응력진폭의 관계를 나타내며, 횟수가 많아져도 일정값으로 수렴하는 응력진폭값이 내구한도를 의미한다.

• 3. 피로시험 종류

  반복 인장 압축 피로시험은 시편의 축 방향에 인장 및 압축력이 교대로 작용하는 경우이다. 반복 굽힘 피로시험은 시험편을 돌리면서 굽힘 모멘트가 걸리도록 하며, 한 점이나 두 점지지 방식의 외팔보 또는 4점지지 방식으로 장착한다. 부식 피로시험은 부식 환경하에서 고주기 부식피로 특성평가를 목적으로 하며, DCPD를 이용한 균열성장 측정을 통해 진행된다.

• 4. 회전 굴곡 피로시험 실험방법 및 결과

  실험은 가압핸들 조작, 시험편 고정, 시험하중 재하, 모터 작동 등의 단계로 진행된다. 시험편이 피로한계에 도달하여 파단되면 모터는 자동으로 정지한다. 실험 결과 12kg 하중에서 10000회전, 24kg에서 3800회전, 36kg에서 2300회전으로 하중이 증가할수록 회전수가 감소하는 경향을 보였으며, 응력은 각각 19.62, 39.24, 58.86 MPa이었다.

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• 1. 피로(Fatigue) 및 피로파괴

  피로는 반복적인 응력에 의해 재료가 점진적으로 손상되는 현상으로, 정적 강도보다 훨씬 낮은 응력에서도 파괴가 발생할 수 있습니다. 이는 산업 현장에서 매우 중요한 파괴 메커니즘입니다. 피로파괴는 미세한 균열이 반복 응력에 의해 점진적으로 성장하다가 최종적으로 급격한 파괴로 이어지는 특징이 있습니다. 특히 항공기, 자동차, 교량 등 반복적인 하중을 받는 구조물에서 피로파괴는 심각한 안전 문제를 야기합니다. 따라서 설계 단계에서부터 피로를 고려한 안전계수 적용과 재료 선택이 필수적입니다. 피로파괴의 예방을 위해서는 응력 집중을 최소화하고, 표면 처리를 개선하며, 정기적인 검사와 유지보수가 중요합니다.

• 2. 피로한계(Fatigue Limit) 및 S-N 선도

  피로한계는 무한히 반복되는 응력 하에서도 파괴되지 않는 최대 응력값으로, 재료의 피로 특성을 나타내는 핵심 지표입니다. S-N 선도는 응력 진폭과 반복 횟수의 관계를 로그 스케일로 표현하여 재료의 피로 거동을 시각적으로 파악할 수 있게 합니다. 철강 재료는 명확한 피로한계를 보이지만, 알루미늄 합금 등 비철금속은 피로한계가 명확하지 않고 응력이 감소할수록 수명이 증가하는 경향을 보입니다. S-N 선도를 통해 설계자는 주어진 수명 요구사항에 따라 적절한 응력 수준을 결정할 수 있습니다. 이는 구조물의 안전성과 경제성을 동시에 고려한 최적 설계를 가능하게 합니다.

• 3. 피로시험 종류

  피로시험은 재료의 피로 특성을 정량적으로 평가하기 위한 필수적인 실험 방법입니다. 회전 굴곡 피로시험, 축 방향 피로시험, 비틀림 피로시험, 복합 응력 피로시험 등 다양한 종류가 있으며, 각각 특정 하중 조건을 모의합니다. 회전 굴곡 피로시험은 구현이 간단하고 비용 효율적이어서 가장 널리 사용됩니다. 축 방향 피로시험은 인장-압축 응력을 적용하며, 비틀림 피로시험은 회전 응력을 평가합니다. 실제 구조물의 복잡한 하중 조건을 반영하기 위해 다축 응력 피로시험도 중요합니다. 각 시험 방법의 선택은 재료의 사용 환경과 예상되는 하중 조건에 따라 결정되어야 합니다.

• 4. 회전 굴곡 피로시험 실험방법 및 결과

  회전 굴곡 피로시험은 시편을 회전시키면서 일정한 굴곡 하중을 가하여 피로 특성을 평가하는 방법입니다. 시편의 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽에 하중이 가해지면, 회전에 따라 시편의 각 부분이 인장과 압축을 반복적으로 경험합니다. 이 시험은 구현이 간단하고 재현성이 우수하며, 비용 효율적이라는 장점이 있습니다. 실험 결과는 S-N 선도로 표현되며, 다양한 응력 수준에서 파괴까지의 반복 횟수를 측정합니다. 일반적으로 응력이 높을수록 수명이 짧아지는 비선형 관계를 보입니다. 이 시험을 통해 얻은 데이터는 재료 선택, 설계 안전계수 결정, 구조물의 신뢰성 평가에 중요한 역할을 합니다.