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파괴 역학과 피로

저사이클 피로(파단까지의 반복 횟수가 대략 10⁴회 이하)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A응력 진폭을 일정하게 하여, 탄성 범위의 응력으로 평가하는 것이 기본이다
  2. B반복 횟수가 적으므로 피로 균열은 생기지 않고, 1회의 과부하와 같은 연성 파괴가 된다
  3. C1사이클마다 소성 변형률이 생기며, 소성 변형률 진폭과 수명의 관계는 코핀-맨슨 법칙으로 나타낸다
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정답: C. 1사이클마다 소성 변형률이 생기며, 소성 변형률 진폭과 수명의 관계는 코핀-맨슨 법칙으로 나타낸다

저사이클 피로에서는 1사이클마다 큰 소성 변형이 반복되며, 응력보다 소성 변형률의 진폭이 수명을 지배합니다. 그래서 변형률 진폭을 일정하게 한 시험으로 평가하고, 소성 변형률 진폭 Δεp/2와 파단까지의 반전 횟수 2Nf의 관계를 양대수 그래프에서 직선이 되는 Δεp/2 = εf′(2Nf)ᶜ(c는 약 −0.5~−0.7)로 나타냅니다. 이것이 코핀-맨슨 법칙입니다. 탄성 범위의 응력 진폭으로 평가하는 것은 S-N 곡선이나 바스킨 법칙을 사용하는 고사이클 피로의 방법입니다. 저사이클 피로에서도 균열이 발생하여 진전하는 과정을 거쳐 파단되며, 기동과 정지를 반복하는 발전 설비나 열변형률을 받는 부품에서 문제가 됩니다.

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파괴 역학과 피로의 다른 문제

  1. 피로 균열의 진전 속도 da/dN을 응력 확대 계수 범위 ΔK에 대해 양대수로 그린 곡선에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  2. 어떤 강판의 피로 균열 진전은 파리스 법칙 da/dN = C(ΔK)ᵐ(C = 1.0×10⁻¹², da/dN의 단위는 m/cycle, ΔK의 단위는 MPa·√m, m = 4)으로 나타낼 수 있고, ΔK = Δσ√(πa)(형상 계수 1)로 한다. 응력 범위 Δσ = 200 MPa의 반복에서 균열의 길이가 1.0 mm에서 5.0 mm까지 진전하는 횟수에 가장 가까운 것은 무엇인가? 이 사이의 ΔK(약 11~25 MPa·√m)는 하한계값보다 충분히 크고, 파리스 법칙이 성립하는 범위에 있다고 한다.
  3. 완전한 결정의 이론 강도는 영률의 10분의 1 정도로 추정되지만, 유리 등 취성 재료의 실제 파괴 강도는 그 수십분의 1에서 수백분의 1에 그치는 경우가 많다. 주된 이유는 무엇인가?
  4. 넓은 판 속에 있는 타원형 구멍(장축 방향의 반경 a = 1.0 mm, 장축 끝의 곡률 반경 ρ = 0.040 mm)에 장축에 수직인 방향으로 100 MPa의 인장 응력이 작용하고 있다. 구멍 끝의 최대 응력을 σmax = σ₀(1 + 2√(a/ρ))로 추정하면 무엇에 가장 가까운가?
  5. 유리(영률 E = 70 GPa, 표면 에너지 γs = 1.0 J/m²)에 길이 a = 1.0 µm의 표면 균열이 있다. 그리피스 식 σf = √(2Eγs/(πa))로 추정한 파괴 응력에 가장 가까운 것은 무엇인가?