피로 균열 발생 과정, 균열 진전(Fatigue Crack, Crack Growth)

 

목차

 

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피로 균열 발생 과정(Fatigue Crack)

 

 

 

응력 상태를 설명할 때, '주응력(principal stress)'이라는 용어를 사용하는데, 이는 재료의 특정 지점에서 작용하는 응력을 나타내는 벡터의 주요 방향을 의미합니다. 이 주응력 방향에 수직인 방향에서는 전단 응력이 0이 되고, 주응력 방향을 기준으로 45도 각을 이루는 평면에서 전단 응력이 최대가 됩니다.

 

 

 

 

1. 균열 초기화 과정

 

주기적인 Slip면 생성, 균열 결정핵, 미소 균열 성장: 재료 내부에서는 반복된 응력이 가해질 때, 미세한 균열이나 결함이 생기기 시작합니다. 이러한 미세 균열은 결정 구조의 slip면(변형이 일어나기 쉬운 면)을 따라 형성되며, 시간이 지남에 따라 결정핵(새로운 균열의 시작점)을 형성하고 미소 균열로 성장합니다. 이 과정에서는 응력 집중 계수(kt)를 사용하여, 균열이 발생한 위치에서 응력이 얼마나 집중되는지를 평가합니다. 응력 집중 계수가 높을수록 균열이 발생하기 쉬워집니다.

 

 

 

2. 균열 성장 과정

 

가시 균열 성장: 초기에 형성된 미소 균열이 점점 성장하여 눈에 보이는 수준의 균열로 확대됩니다. 이 단계에서는 응력 확대 계수(K)를 사용하여 균열 끝에서 응력의 확대 정도를 측정합니다. 응력 확대 계수가 크면 균열 성장 속도가 빨라지며, 재료의 파괴에 더 가까워집니다.

 

 

 

3. 피로 파괴

 

피로 파괴: 균열이 계속 성장하다가 재료가 최종적으로 파괴되는 단계입니다. 이 때는 파괴 인성(Kc)을 사용합니다. 파괴 인성은 재료가 균열 성장에 저항하는 능력을 나타내며, 이 값이 크면 큰 응력이나 균열 성장에도 불구하고 재료가 파괴되지 않는 높은 저항성을 가진다는 것을 의미합니다.
이러한 과정을 통해 재료의 파괴 메커니즘을 이해하고, 설계 단계에서 재료 선택이나 구조물의 안전성을 평가하는 데 필수적인 정보를 제공합니다.

 

 

 

 

 

균열 진전(Crack Growth)

 

 

 

 

1. 미소 균열

 

• Slip면 특성: 결정 구조 내에서 Slip면은 재료가 변형될 때 원자가 상대적으로 쉽게 이동할 수 있는 특정 평면을 말합니다. 이러한 Slip면의 생성은 결정 구조의 모양에 따라 다르며, 인장력이 작용하는 방향과 45도 각을 이루는 방향에서 주로 발생합니다. 이는 재료가 인장 응력을 받을 때 최대 전단 응력이 작용하는 방향이기도 합니다.
• 결정 크기 및 응력 수준: 균열의 진전은 결정의 크기와 응력 수준에도 영향을 받습니다. 작은 결정 크기는 일반적으로 더 높은 강도를 의미하지만, 미세 균열의 진전에 영향을 줄 수 있습니다. 응력 수준이 증가함에 따라 균열이 진행될 가능성도 높아집니다.
• 끝단 소성: 균열 끝단에서의 소성(Plasticity) 변형은 균열이 진행됨에 따라 중요한 역할을 합니다. 이는 결정 구조 내에서 발생하며, 균열 진전을 둔화시키는 역할을 할 수 있습니다.

 

 

 

2. 가시 균열

 

• 인장 방향의 수직으로 균열 진행: 미세 균열이 가시적인 균열로 성장하면, 이 균열은 주로 인장 방향에 수직으로 진행됩니다. 이는 재료 내에서 인장 응력이 균열을 열어감에 따라 발생합니다.
• 끝단의 소성 크기와 결정 크기: 균열이 성장함에 따라, 균열 끝단에서의 소성 영역이 결정 크기보다 커질 수 있습니다. 이 단계에서는 결정의 특성보다는 소성 영역의 크기가 균열의 진전에 더 큰 영향을 미칩니다. 결정의 특성이 균열의 진전 방식에 덜 중요해지는 것입니다.

 

 

 

 

피로 균열 분석 전문 툴 nCode

Core functionality for advanced fatigue analysis

 

 

 

 

 

 

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