스트레스

그림 1 - de Havilland DH 106 Comet은 세계 최초의 상업용 여객기였으며 대서양 횡단 비행을 위해 설계된 여압 객실을 갖추고 있습니다. 1954년, 서비스를 시작한 지 약 1년 반 후인 3개의 혜성이 비행 도중에 파손되어 승객과 승무원을 잃었습니다. 사고 후, 물 탱크에서 객실에 반복적으로 압력을 가하여 전방 동체의 금속 피로 테스트를 실시했습니다. 가압 사이클 테스트에서는 창문의 사각형 모양으로 인해 창문 모서리에서 높은 응력이 발생하는 위치가 확인되었습니다. 이 영역의 응력 집중을 최소화하기 위해 비행기 설계자는 창을 더 둥글거나 타원형으로 만들었습니다. (모리스 새비지 / Alamy 스톡 사진)

그림 2 - 완전히 반전된 응력 기반 사이클

그림 3 - 반복되는 스트레스 주기. 그림 3은 최대 응력과 최소 응력의 크기가 동일하지 않은 반복 응력 사이클을 보여줍니다. 두 응력 모두 인장 상태에 있지만 인장 및 압축 상태이거나 압축만 상태일 수도 있습니다.

그림 4 - Wohler의 피로 시험기(2). 기계 중앙에 있는 스핀들(a)은 두 개의 베어링 블록(b)에 의해 지지되고 약 15rpm으로 회전합니다. 회전하는 스핀들 양단에 2개의 축(시험편)을 장착하고, 기계 양단에 위치한 스프링 기구(f)를 통해 축에 굽힘력을 가하였다. 각 회전 동안 두 축 모두 완전히 역전된 굽힘 응력을 받았습니다. 굽힘 응력의 크기는 스프링 메커니즘의 장력에 의해 조정되었습니다.

그림 5 – Krupp 차축 강철에 대한 Wohler의 SN 곡선(2).

그림 6 - 강철, 알루미늄 및 섬유 강화 플라스틱의 SN 다이어그램.

그림 7 - Ducom Instruments 회전 바 굽힘 피로 시험기. 단일 지점 하중을 가하는 캔틸레버로 장착된 시험편을 회전시켜 굽힘 모멘트를 가합니다. 원리는 1800년대에 만들어진 Wohler의 기계와 유사합니다. Ducom Instruments 제공

그림 8 – 이 피로 테스트 시스템은 ISO 14801 치과 임플란트 – 골내 치과 임플란트에 대한 동적 피로 테스트에 따라 치과 임플란트를 테스트하도록 구성되었습니다. 출처: ADMET

그림 9 – 휴대용 전자 장비에 사용되는 소형 구성 요소에 대한 피로 테스트를 수행하도록 구성된 비틀림 피로 테스트 시스템 출처: ADMET

1850년 이래로 우리는 변동하는 응력을 받는 금속이 단일 준정적 당김으로 인해 파손되는 데 필요한 것보다 훨씬 낮은 응력에서 파손된다는 사실을 알고 있었습니다. 파손은 일반적으로 경고 없이 발생하며 심각한 변형 없이 부서지기 쉬운 파손으로 나타납니다. 금속 피로는 다단계 프로세스이며 종종 4단계로 설명됩니다.

스테이지 1: 균열 발생: 응력 집중이 높은 지점에 미세 균열이 형성되면서 부품이 손상됩니다. 높은 응력 집중 지점은 일반적으로 노치, 날카로운 모서리 또는 모서리에 위치합니다. 어닐링은 1단계에서 손상된 금속을 수리하는 데 사용됩니다.

2단계:슬립 밴드 또는 1단계 균열 성장: 초기 균열은 전단 응력이 높은 평면에서 깊어지고 잘 정의됩니다.

3단계:2단계 균열 성장: 잘 정의된 균열은 최대 인장 응력에 수직인 방향으로 성장합니다.

4단계:연성 파괴: 균열이 임계 길이에 도달하면 나머지 단면이 가해진 힘을 지탱할 수 없어 부품이 파손됩니다.

사이클 테스트

피로 시험은 응력 기반의 일정한 진폭 하중 하에서 가장 자주 수행됩니다. 테스트 샘플은 다양한 파형 형상을 가질 수 있지만 정현파가 가장 널리 사용됩니다. 그림 2는 완전히 역전된 응력 사이클을 보여주는 응력 기반 정현파 파형을 보여줍니다. 최대 및 최소 응력은 완전 역사이클 테스트에서 동일하고 반대입니다. 관례적으로 압축 응력은 음수입니다.

대부분의 응력 기반 피로 테스트는 완전 역방향 하중을 사용하여 수행됩니다. 그러나 완전히 역방향 하중이 수행되지 않거나 정상적인 서비스 중에 구성 요소가 한 방향으로만 힘을 받기 때문에 수행되지 않는 예가 많이 있습니다. 반복적인 응력 주기 하중의 예로는 고관절 임플란트에 대한 압축 피로 테스트와 강판(압축 시 얇은 재료 버클)에 대한 인장 테스트가 있습니다.