§1
실험 개요
기계 부품 파단의 약 80%가 피로 파괴에서 비롯된다. 인장강도보다 훨씬 작은 응력의 반복으로도 부품이 파단될 수 있다. 학부에서는 회전 굽힘 피로 시험기에서 시편을 다양한 응력 진폭으로 시험해 S-N 곡선을 그린다.
§2
이론 배경
피로 파괴 메커니즘
표면 미세 결함에서 균열 개시 → 안정 전파 → 임계 길이에서 급격 파단. 표면 거칠기·잔류응력에 매우 민감.
S-N 곡선
응력 진폭 S vs 파단 사이클 N. 강철은 ~10⁶ 사이클 이후 평탄 영역(피로한도)을 가짐. 알루미늄은 피로한도 없음, 계속 감소.
§3
실험 장치 및 시약
- — 회전 굽힘 피로 시험기
- — 표준 피로 시편
- — 사이클 카운터
§4
실험 절차
- 1.시편 표면을 정밀 연마.
- 2.응력 진폭 σa를 σy의 0.5~0.9 범위에서 5단계 선정.
- 3.각 응력에서 파단까지 사이클 수 Nf 측정.
- 4.여러 시편으로 평균 Nf 산출.
§5
데이터 처리
log S vs log N 그래프(Wöhler 선도). 평탄 영역의 응력이 피로한도 σe. 강철은 σe ≈ 0.5 σUTS.
§6
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
왜 피로가 정적 강도보다 낮은 응력에서도 일어나는지(균열 핵생성) 설명.
§7
자주 하는 실수
- — 시편 표면 결함 통제 부족 (편차 큼)
- — 한 응력에서 시편 1개만 시험 (산포 큼, 3~5개 권장)
- — 주파수 너무 높아 시편 가열
§8
자주 묻는 질문
Q. 왜 알루미늄은 피로한도가 없나요?
알루미늄은 응력이 충분히 작아도 결정립 내부에서 미세 슬립이 누적되어 결국 균열이 생깁니다. 강철은 명확한 항복점과 변형 시효가 있어 낮은 응력에서 안정. 알루미늄은 보통 5×10⁸ 사이클의 σ를 "내구한도"로 정의해 사용.
Q. 표면 처리가 피로에 왜 중요한가요?
피로 균열의 90% 이상이 표면에서 시작합니다. 거친 표면, 가공 흠집, 잔류 인장응력이 균열 핵생성 위치가 됩니다. 쇼트 피닝, 질화 처리 같은 잔류 압축응력 도입이 피로 수명을 2~3배 늘립니다.
§9
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Callister, W.D., Rethwisch, D.G. — Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley, 2018
- [2]Hibbeler, R.C. — Mechanics of Materials, 10th ed., Pearson, 2017
- [3]ASTM E466-21 — Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests