피로한도 영향 인자

왜 배우는가: 피로파괴는 응력이 항복강도보다 낮아도 반복하중이 누적되면 갑자기 일어나므로 기계부품 설계에서 가장 많이 문제되는 파손 형태다. 피로한도가 재료 시험값과 실제 부품에서 달라지는 이유를 알아야 안전율과 설계 수명을 정확히 잡을 수 있다. 기술사 시험에서는 여러 교시에 걸쳐 같은 요인 목록이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 13번, 제124회 1교시 3번, 제90회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 피로한도는 반복하중을 무한히 받아도 피로파괴가 일어나지 않는 최대 응력 진폭이다.

핵심 키워드

• 피로한도(Fatigue Limit)
• 응력집중(Stress Concentration)
• 표면거칠기(Surface Roughness)
• 잔류응력(Residual Stress)
• 평균응력(Mean Stress)
• 응력진폭(Stress Amplitude)
• 치수효과(Size Effect)
• 피로강도 감소계수(Fatigue Strength Reduction Factor)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 같은 재료라도 실제 부품에서는 시험편에서 얻은 피로한도보다 낮은 값으로 견딘다. 그 차이를 만드는 원인이 피로한도 영향 인자다.

정식 정의: 피로한도 영향 인자는 재료의 피로한도(Fatigue Limit) 를 실제 부품 조건으로 바꿔 줄이거나 높이는 요인들이다. 대표적으로 재료, 형상, 표면 상태, 크기, 하중, 사용 환경이 있다.

원리: 피로균열은 대부분 표면이나 응력이 큰 부위에서 시작한다. 그래서 응력집중(Stress Concentration) 이 있는 곳, 표면이 거친 곳, 표면에 인장잔류응력이 있는 곳이 균열 발생점이 된다. 표면 조도가 낮을수록 응력집중이 줄어 피로강도가 높아진다.

핵심 용어 풀이

• 응력집중(Stress Concentration): 구멍, 홈, 노치, 필렛처럼 단면이 급변하는 곳에서 응력이 주변보다 크게 높아지는 현상이다. 응력집중 계수는 최고 응력과 공칭 응력의 비다.
• 표면거칠기(Surface Roughness): 표면의 미세한 요철 정도다. 낮을수록 매끄럽고, 거칠면 응력집중이 커진다.
• 잔류응력(Residual Stress): 외력이 없어도 부품 내부에 남아 있는 응력이다. 표면의 압축잔류응력은 피로균열 진전을 늦춘다.
• 치수효과(Size Effect): 부품이 커질수록 결함이 존재할 확률이 높아져 강도가 낮아지는 현상이다. 시험편 치수와 실부품 치수가 다르면 피로한도를 보정해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 기계설계는 재료 시험편의 인장강도와 항복강도만으로 안전을 판단했다. 그러나 회전축, 스프링, 연결봉 같은 부품은 항복 전에 반복하중으로 파손되는 사례가 많았다. 이에 따라 시험편의 피로한도를 실부품 조건으로 수정하는 방법이 정리됐다.

현재는 수정계수법(Marin 계수법)이 널리 쓰인다. 실부품 피로한도는 시험편 피로한도에 표면, 크기, 하중, 온도, 신뢰도 계수를 곱해 구한다. 이 과정에서 각 인자가 얼마나 영향을 주는지 알아야 설계 안전율을 합리적으로 정할 수 있다.

표면 인자는 인장강도와 표면 가공 상태에 따라 달라진다. 표면 인자는 실험으로 정해지는 계수 a와 지수 b로 계산한다. 표면 상태의 영향은 최근 학술 연구에서도 계속 검증되고 있다.

피로한도 감소의 주요 원인은 응력집중, 표면상태, 잔류응력, 크기, 하중형태, 환경이다.

4. 구성요소·원리·절차

피로한도는 한 개의 고정값이 아니다. 표준 시편 피로한도에 여러 보정계수를 곱해 실제 부품의 값을 구한다. 이 방식을 마린(Marin) 계수법이라 하며, 부품의 피로한도 S_e는 다음과 같이 쓴다.

$S_e = k_a \, k_b \, k_c \, k_d \, k_e \, k_f \, S_e'$