메탈 퍼티그
메탈 퍼티그(Metal Fatigue)는 재료(주로 금속)가 반복적 또는 변동적인 하중(사이클릭 하중)을 받을 때 발생하는 손상 및 파괴 현상이다. 가해지는 최대 응력이 재료의 항복 강도나 궁극 인장 강도보다 훨씬 낮더라도, 하중이 반복적으로 가해지면 재료 내부에 미세한 손상이 누적되어 균열이 발생하고 성장하게 되며, 결국에는 갑작스러운 파괴에 이르게 된다. 이러한 파괴는 종종 최종 파괴 직전까지 눈에 띄는 변형 없이 일어나기 때문에 매우 위험할 수 있다.
피로 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계로 진행된다.
- 균열 발생 (Crack Initiation): 반복 하중에 의해 재료 표면의 결함, 노치, 용접부, 혹은 결정립계 등 응력이 집중되는 부위에서 미세한 소성 변형이 일어나고, 이로 인해 초기 균열이 발생한다.
- 균열 성장 (Crack Propagation): 발생한 균열은 하중이 한 주기씩 반복될 때마다 조금씩 성장한다. 균열 선단에서의 국부적인 소성 변형과 파괴 과정이 반복되면서 균열이 점진적으로 진전된다. 이 단계는 균열의 크기가 가시적으로 커지는 과정이다.
- 최종 파괴 (Final Fracture): 균열이 일정 크기 이상으로 성장하여 남은 단면적이 가해지는 하중을 더 이상 지탱할 수 없게 되면, 매우 빠른 속도로 최종적인 파괴가 일어난다. 최종 파괴는 흔히 취성 파괴의 양상을 띤다.
피로 수명(재료가 피로 파괴에 이르기까지 견딜 수 있는 하중 반복 횟수)에 영향을 미치는 주요 요인으로는 가해지는 응력의 크기 및 범위(응력 진폭), 평균 응력, 재료 자체의 물성치와 미세 구조, 표면 상태(표면 거칠기, 잔류 응력), 환경 조건(부식 등), 하중 이력, 그리고 응력 집중을 유발하는 형상 등이 있다.
피로는 항공기, 자동차, 철도 차량, 교량, 발전 설비, 기계 부품 등 반복 하중을 받는 다양한 구조물 및 부품의 주요 파손 원인 중 하나이다. 따라서 공학 설계에서는 재료의 피로 특성을 면밀히 고려하고, 피로 수명 예측 및 관리를 통해 구조물의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 피로 특성은 보통 S-N 선도(Wöhler 선도)와 같은 피로 시험 데이터를 통해 평가된다.