파괴 역학과 피로

표면이 매끄러운 금속 재료에 항복 응력보다 낮은 응력 진폭을 반복하여 가했을 때의 피로 균열 발생에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A표면은 산화 피막으로 보호되므로, 재료의 중심 부근 내부에서 발생하는 경우가 대부분이다
  2. B항복 응력보다 낮은 응력에서는 전위가 전혀 움직이지 않으므로, 균열이 발생하지 않고 무한히 견딘다
  3. C표면 근처의 결정립에서 국부적인 슬립이 반복되어, 표면의 함입과 돌출이 기점이 된다
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정답: C. 표면 근처의 결정립에서 국부적인 슬립이 반복되어, 표면의 함입과 돌출이 기점이 된다

항복 응력보다 낮은 응력 진폭에서도 표면 근처의 방위가 유리한 결정립에서는 국부적인 슬립이 일어나고, 반복되는 동안 지속 슬립대(persistent slip band)가 생깁니다. 슬립은 왕복해도 완전히 원래대로 돌아가지 않으므로 표면에 함입(intrusion)과 돌출(extrusion)이라는 미세한 요철이 생기고, 그것이 노치가 되어 균열이 발생합니다. 표면은 구속이 약한 데다 흠이나 부식이 있고 굽힘이나 비틀림에서는 응력도 최대가 되므로, 많은 피로 균열은 표면에서 시작됩니다. 내부에서의 발생은 고강도강의 초고사이클 영역에서 개재물이 기점이 되는 경우 등으로 한정됩니다. 전위가 전혀 움직이지 않는 것은 아니므로, 항복 응력보다 낮아도 피로 파괴는 일어납니다.

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