KAIST 송지호 교수 강의 시리즈, 기초피로강도론

기계나 구조물 파괴의 대부분은 피로하중과 직간접으로 관련되어 있으며, 역사적 대형 참사를 일으킨 파괴사고는 피로가 직접적인 원인이 된 경우가 많다. 피로문제는 안전성과 신뢰성이 필수적인 항공기, 고속전철, 원자력플랜트를 비롯, 인명 사고와 연관 깊은 자동차 등에서 반드시 고려해야 할 사항으로, 그 내용이 법규화되어 있기도 하다. 기계적 분야 외에 전자공학 분야에서도 피로문제는 점점 중요해져, 각종 전자제품을 비롯하여 미소전자기계시스템(MEMS) 등에서 특히 미시적 피로파괴가 문제가 되고 있으며, 인공장기를 비롯한 의료기기 분야에서도 주요 과제이다.

이와 같이 피로문제는 모든 공학분야에서 매우 중요하여, 설계자나 연구자에게 피로에 관한 지식은 필수적이다. 저자 중 한 사람은 1986년 한국과학원(KAIST의 전신) 기계공학과에서 대학원 과목 ‘피로강도론’을 개설한 이래 KAIST에서 관련 교수님들과 함께 그 강의를 담당하여 왔다. 피로 관련 지식이 일반 공학자들에게 기초 상식적인 지식으로 요구되는 현 실정과, 또한 모든 지식의 빠른 흡수가 필수적으로 되어 가는 현 상황을 고려하여, 지금까지의 강의 내용을 바탕으로 기본적이고 실제 활용이 가능한 피로지식을 가능한 한 빨리 그리고 쉽게 습득할 수 있도록 피로강도에 관한 새로운 책을 집필하였다.

머리말 

- 책의 구성과 내용

- 책을 교재로 사용할 때

- 고마우신 분들

1. 서론 

1.1 파괴형식과 피로파괴의 특징 

1.1.1 파괴형식의 분류 

1.1.2 파괴형식과 재료강도 

1.1.3 피로파괴의 가장 대표적인 특징 

1.2 피로파괴 사고 예 

1.3 피로연구의 역사 

2. 피로하중 

2.1 실제 피로하중의 간단한 예 

2.2 일정진폭하중 

2.3 변동하중 

2.3.1 변동하중파형과 관련된 용어 

2.3.2 대표적인 변동하중 패턴 

2.3.3 표준변동하중 

3. 피로파단면 

3.1 거시적 특징과 주요 정보 

3.1.1 거시적 피로파단면의 3개 영역과 비치마크 

3.1.2 거시적 파단면의 명암 

3.1.3 최종파단 영역의 위치와 부하하중 

3.1.4 거시적 피로파단면 양상과 하중형식 

3.1.5 비틀림하중의 경우 

3.1.6 휘쉬아이 

3.1.7 레이디얼 마크 

3.2 미시적 특징과 주요 정보 

3.2.1 스트라이에이션 

3.2.2 스트라이에이션의 특징과 유사스트라이에이션 

3.2.3 스트라이에이션의 종류 

3.2.4 스트라이에이션 간격 

3.2.5 플래토 

3.2.6 스트라이에이션의 형성 조건 

3.2.7 스트라이에이션 이외의 미시적 특징 

4. 피로과정 

4.1 균열발생 과정 

4.1.1 미끄럼과 소성변형, 그리고 피로의 경우의 특징 

4.1.2 피로하중에 의한 미끄럼띠와 extrusion과 intrusion의 형성 

4.1.3 피로균열 발생과정 개요 

4.1.4 피로균열발생 위치 

4.2 균열진전 과정 

4.2.1 Stage I과 Stage II 균열진전 과정 

4.2.2 스트라이에이션 형성 모델 

4.3 피로과정에서의 거시적 변형거동 

4.3.1 되풀이 소성변형 

4.3.2 하중 되풀이에 따르는 되풀이 소성변형의 발생 

4.3.3 되풀이 소성변형 발생후의 거동 - 되풀이 연화와 되풀이 경화 

4.3.4 되풀이 응력-변형률 곡선 

4.4 피로과정과 피로분석 및 피로평가 방법 개요 

4.4.1 (거시)균열발생수명 평가방법 개요 

4.4.2 균열진전수명 평가방법 개요 

4.4.3 최종파단조건 평가 

5. 피로수명영역의 구분과 피로설계개념 

5.1 저되풀이수피로, 고되풀이수피로, 초장수명 영역 

5.2 각 피로수명영역의 주요 특징과 주요 인자 

5.3 피로설계개념 

6. 고되풀이수피로 특성 

6.1 고되풀이수피로시험법 

6.1.1 피로시험기의 분류 

6.1.2 대표적인 피로시험기의 종류 

6.1.3 고되풀이수 피로시험편 

6.1.4 고되풀이수 피로시험 측정 

6.2 S-N곡선 

6.2.1 S-N곡선, S-N선도, Wöhler곡선 

6.2.2 S-N선도의 좌표축 

6.2.3 철강재료의 S-N곡선과 피로한도 

6.2.4 비철재료의 S-N곡선 

6.2.5 유한수명영역의 S-N곡선 표시식 

6.2.6 금속재료의 S-N곡선 데이터집 

6.2.7 S-N곡선 구하는 방법 

6.3 피로한도 

6.3.1 피로한도의 정의 

6.3.2 피로한도 구하는 방법 

6.3.3 피로한도와 재료의 기계적 성질과의 관계 

6.3.4 피로한도 기구 

6.4 고되풀이수 피로강도에 영향을 미치는 각종 인자 

6.4.1 표면상태의 영향 

6.4.1.1 표면거칠기의 영향 

6.4.1.2 표면 가공층과 잔류응력의 영향 

6.4.1.3 응력제거 풀림 열처리의 영향 

6.4.1.4 가공방법의 

6.4.2 치수효과 

6.4.2.1 치수효과에 영향을 미치는 인자 

6.4.2.2 치수효과 

6.4.3 하중형식의 영향 

6.4.4 평균응력의 영향 

6.4.4.1 피로한도와 평균응력의 관계 

6.4.4.2 항복을 고려한 피로한도선도의 허용응력범위 

6.4.4.3 비틀림하중에서의 평균응력의 영향 

6.4.4.4 되풀이응력과 평균응력의 응력의 종류가 서로 다른 경우 

6.4.5 잔류응력의 영향 

6.4.5.1 잔류응력 영향 고려 방법 개요 

6.4.5.2 잔류응력이 있는 표면처리재의 피로한도 추정법 

6.4.6 조합응력의 영향 

6.4.6.1 조합응력 

6.4.6.2 파손가설 

6.4.6.3 조합응력에서의 피로한도 평가법 

6.4.6.4 평균응력의 

6.4.6.5 위상차의 영향 

6.4.7 하중되풀이속도의 영향 

6.4.8 온도의 영향 

6.4.8.1 저온의 영향 

6.4.8.2 고온의 영향 

6.4.8.3 고온에서의 평균응력의 영향 

6.4.8.4 고온에서의 산화막의 영향 

6.4.9 분위기의 영향 

6.4.9.1 부식피로의 주요 특징 

6.4.9.2 진공의 영향 

6.4.9.3 대기 중의 여러 인자의 영향 

6.4.9.4 기름 환경의 영향 

7. 저되풀이수피로 특성 

7.1 저되풀이수 피로시험법 

7.1.1 하중형식 

7.1.2 피로시험기와 하중파형 

7.1.3 시험편 

7.1.4 변형률 측정 

7.1.5 파단되풀이수, 즉 피로수명의 결정 

7.2 소성변형률과 피로수명 관계 

7.3 저되풀이수피로에 영향을 미치는 인자 

7.4 평균소성변형률의 영향 

7.5 저온에서의 저되풀이수피로 

8. 전 피로수명영역에 대한 선도 또는 선도와 추정 방법 

8.1 변형률-피로수명 관계 또는 변형률－수명(ε-N)곡선 

8.2 기본 피로특성인 변형률－수명(ε-N)곡선의 추정 

8.2.1 각종 추정방법 

8.2.2 각종 재료에 대한 추천 식 

8.3 변형률-피로수명 관계에서의 평균하중 고려 방법 

9. 응력집중이 존재하는 경우의 피로강도 

9.1 응력집중과 노치 

9.2 응력집중계수 

9.2.1 응력집중계수의 정의와 각종 데이터집 

9.2.2 응력집중계수의 특징 

9.2.3 응력집중계수에 미치는 제2 주응력의 영향 

9.2.4 파괴역학파라미터 응력강도계수 K값을 이용하여 응력집중계수를 구하는 방법 

9.3 응력구배 

9.4 노치재의 피로강도 평가방법 개요 

9.5 피로강도감소계수 또는 노치계수 

9.6 노치민감계수 q 또는 η 

9.7 피로강도감소계수 Kf(또는 노치계수 β) 추정법 

9.8 중복노치 

9.9 응력집중 완화 및 피로강도감소계수(노치계수) 저하 방법 

9.10 노치재 피로강도에 미치는 각종 인자의 영향 

9.10.1 노치재의 치수효과 

9.10.2 평균응력의 영향 

9.10.3 조합응력의 영향 

9.10.4 온도의 영향 

9.10.5 환경의 영향 

9.11 비진전 또는 정류 균열 

9.11.1 피로균열발생 피로한도와 균열진전 피로한도 

9.11.2 균열진전한계응력에 대한 Frost의 조건식 

10. 노치재의 변형률 해석 

10.1 탄소성영역에서의 응력집중계수 및 변형률집중계수 

10.2 Neuber의 법칙 

10.3 되풀이하중에 대한 Neuber 법칙의 응용 

10.4 Neuber의 법칙을 이용한 노치재 피로수명 평가 

11. 피로균열진전 해석을 위한 파괴역학 기초 

11.1 균열과 파괴역학 

11.2 선형파괴역학 기초 사항 

11.2.1 선형탄성파괴역학 파라미터 K 

11.2.2 변위양식(樣式)에 따른 균열선단 부근의 응력, 변위장 

11.2.3 대표적인 응력강도계수 K값 

11.2.4 응력강도계수 핸드북 

11.2.5 균열선단의 소성역과 선형파괴역학의 유효 범위 

12. 피로균열진전의 기본 특성 

12.1 기본 주요 용어 

12.2 선형파괴역학 파라미터 응력강도계수폭 ΔK에 의한 피로균열진전 평가 

12.2.1 피로균열진전 연구 역사의 간단한 내용과 Paris의 법칙 

12.2.2 da/dN-ΔK 균열진전속도곡선의 일반적 특성 

12.3 ΔK에 의한 균열진전속도에 영향을 미치는 각종 인자 

12.3.1 응력비(평균하중)의 영향과 피로균열진전 주요 평가식 

12.3.2 하중되풀이속도의 영향 

12.3.3 온도의 영향 

12.3.4 환경의 영향 

12.4 피로균열닫힘 현상과 유효응력강도계수폭 ΔKeff 

12.4.1 균열닫힘 

12.4.2 Elber에 의한 균열닫힘현상의 설명 

12.4.3 균열열림점과 균열닫힘점 

12.4.4 균열닫힘현상을 고려한 유효응력강도계수폭 ΔKeff와 Elber의 식 

12.4.5 균열닫힘현상을 고려한 ΔKeff와 응력비의 영향 

12.4.5 각종 균열닫힘 기구 

12.5 피로균열진전시험법 

12.6 균열진전속도에 미치는 기계적 성질의 영향과 피로균열진전 하한계 ΔKth특성 

12.6.1 균열진전속도에 미치는 기계적 성질의 영향 

12.6.2 피로균열진전 하한계 ΔKth 특성 

13. 변동하중에서의 피로 

13.1 자주 사용되는 간단한 변동하중과 랜덤하중에 관한 기초 사항 

13.2 변동하중에서의 피로수명 평가방법 개요 

13.3 하중파형 사이클계산법 

13.3.1 하중파형 사이클계산법 분류 

13.3.2 하중파형 사이클계산법 비교 

13.4 피로손상법칙 개요 

13.4.1 피로손상개념과 피로손상누적개념 

13.4.2 누적손상법칙 

13.4.3 하중변동의 영향을 고려하는 방법 

13.5 Miner의 응력에 관한 선형누적손상법칙과 문제점 

13.6 Miner의 손상법칙에 대한 수정 

13.7 저되풀이수 피로영역에서의 소성변형률에 관한 선형누적 손상법칙 

13.8 변동하중에서의 피로균열진전 

13.8.1 변동하중에서의 피로균열진전의 주요 특징: 지연과 과속 그리고 지체지연

13.8.2 균열진전지연의 평가방법과 주요 영향인자 

13.8.3 균열진전지연 기구 

13.9 변동하중에서의 피로균열진전에 관한 주요 모델 

13.9.1 항복역모델 

13.9.2 균열닫힘모델 

13.9.3 항복역모델과 균열닫힘모델의 비교 

13.10 랜덤하중을 포함한 일반 실제하중에 대한 피로균열진전 예측법 

13.10.1 랜덤하중에서의 피로균열진전의 특징 

13.10.2 실제하중에 대한 피로균열진전 예측법 

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