학문
비장한병아리278
금속은 왜 반복 하중에 약해지는건가요?
같은 힘이라도 한 번 크게 받는 것보다 여러 번 반복해서 받으면 금속이 더 쉽게 파손된다고 들었습니다.
이걸 피로 파괴라고 하는데 이게 어떤 과정으로 진행되는지 이해해보고 싶습니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
금속이 반복 하중에 약해지는 건 겉으로는 멀쩡해 보여도 내부에서 아주 작은 손상이 차곡차곡 쌓이기 때문이에요. 한 번에 큰 힘을 받으면 금속 전체가 함께 버티지만, 약한 힘이라도 수만 번 수십만 번 반복되면 특정 지점에 미세한 균열이 생기고 이게 점점 자라나서 결국 부러지게 되는 거랍니다.
조금 더 들여다보면 금속은 원자들이 격자처럼 가지런히 배열된 구조인데, 사실 이 격자에는 곳곳에 어긋난 부분들이 섞여 있어요. 이걸 전위라고 부르는데, 쉽게 말해 줄 맞춰 선 사람들 사이에 한 명이 살짝 옆으로 끼어든 모습이에요. 외부에서 힘이 가해지면 이 어긋난 부분들이 격자 사이를 미끄러지듯 이동하면서 금속이 변형돼요. 한 번의 큰 힘이라면 한 번 쭉 미끄러지고 끝이지만, 작은 힘이 반복되면 같은 지점을 여러 번 왕복하면서 그 자리가 점점 거칠어지고 약해지는 거예요.
이렇게 약해진 부분에서 결국 머리카락보다 훨씬 가는 균열이 생겨요. 한 번 시작된 균열은 하중이 반복될 때마다 끝부분에 힘이 집중되면서 조금씩 안쪽으로 파고들어요. 종이를 살짝 찢어두면 그 자리만 잡고 당겨도 쉽게 쭉 찢어지는 것과 비슷한 원리예요. 그러다 균열이 일정 크기를 넘는 순간, 남은 단면이 마지막 한 번의 하중을 못 버티고 갑자기 뚝 부러지는 거랍니다.
피로 파괴가 무서운 이유가 바로 여기에 있어요. 부러지기 직전까지도 겉으로는 멀쩡해 보이고 변형 신호도 거의 없거든요. 비행기 날개나 다리, 기계 축처럼 반복 하중을 받는 부품에서 정기 검사가 그토록 중요한 것도 이 때문이랍니다 :)
채택 보상으로 186베리 받았어요.
채택된 답변안녕하세요. 박재화 박사입니다.
금속이 반복 하중에 의해 약해지는 이유는 작은 손상이 한 번에 끝나지 않고 계속적으로 내부에 축적되기 때문입니다.
처음에는 표면에 흠집이나 모서리 같은 약한 부분에서 아주 작은 균열들이 생기다가, 여기에 반복해서 힘을 받게되면 그 균열 끝에 힘이 집중이 되면서 이 균열이 점차 안쪽으로 자라나게 됩니다.
물론 겉으로는 멀쩡해 보일 수 있어도 내부 단면은 점점 약해지고, 어느 순간 버틸 수 있는 면적이 줄어들게 됩니다. 그래서 결국 마지막에는 큰 충격이 없음에도 불구하고 갑자기 뚝 부러지는 일이 발생하게 됩니다. 이걸 재료공학적으로 피로 파괴라고 부릅니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
금속 내부에 미세한 결함이나 불연속 지점이 존재할 경우 반복적인 하중이 가해지면 해당 부위에 응력이 집중되면서 육안으로 보이지 않는 미세한 균열이 점진적으로 생성됩니다 이러한 균열을 하중이 반복될수록 금속 내부를 따라 조금씩 넓어지며 유효 단면적을 줄여나가고 결국 남은 부분이 하중을 견디지 못하는 임계점에 도달하는 순간 갑자스러운 최종 파단이 일어납니다 마치 얇은 철사를 반복해서 구부리면 결국 끊어지듯 재질 고유의 항복 강도보다 낮은 힘이라도 반복적인 에너지 추적이금속의 미세 구졸르 파괴하여 발생하는 현상입니다
안녕하세요. 한만전 전문가입니다.
물질은 원자와 분자로 이루어진 하나의 결합체입니다.
금속도 마찬가지 입니다.
표면에 집중적 하중과 충격을 받으면 표면에 굴곡이 생기고 이로인해 소성변형이 생깁니다. 소성변형은 결정립계가 탄성한계점을 넘어 영구 변형된 것으로 이부분에 집중된 반복충격을 받게 되면 원자층이 미끄러져 미세 균열이 발생되고 이것이 확장되어 결국 균열이 되고 결국에는 완전히 깨지게 됩니다.
같은 힘이라도 반복될 경우 금속 내부에서 아주 미세한 손상이 계속해서 누적됩니다.
처음에는 눈에 안 보이는 작은 균열이 표면이나 결함 부근에서 생성되고, 하중이 반복될 경우 그 균열이 전파하며 길어지게 됩니다. 이러한 과정에서 항복강도보다 낮은 힘임에도 불구하고, 내부 구조가 계속 흔들리면서 재료가 서서히 약해지는 상태가 만들어 지는 겁니다.
이것은 버티지 못한 수준이 되면, 한 번에 갑자기 파단이 일어나게 됩니다.