피로파괴(Fatigue Fracture)

충분한 휴식 없이 장시간 활동을 하거나 오랜 기간 심리적 스트레스를 받으면 우리 몸은 피로를 느낀다. 육체적·정신적 피로는 작업 능력 저하를 초래하기도 하고 피로 증세라 불리는 각종 생화화적 변화로 나타난다.

 

철강 등 모든 재료도 우리 몸과 같이 외부에서 응력·진동 등이 반복적으로 작용하면 피로가 쌓이게 된다. 외부에서 작용하는 응력 수준이 변형이 발생하는 항복응력(Yield Stress)보다 훨씬 작더라도, 즉 같은 크기의 응력이 정상적인 상태에서 작용했을 때는 전혀 재료에 이상이 없는 응력이라도 장기간 지속적으로 재료에 작용한다면 재료가 파괴될 수 있는데 이를 피로파괴(Fatigue Fracture)라고 한다.

 

철강제품의 피로파괴는 자동차·항공기·터빈엔진·금형 등 반복되는 하중이나 진동을 받는 장치에서 많이 발생하며 성수대교 붕괴도 용접부위의 피로파괴 현상 때문으로 알려져 있다.

 

어떤 재료의 피로 물성을 이해하기 위해 응력진폭을 세로축에, 그 응력진폭을 가했을 때 재료가 파괴되기까지의 반복횟수를 로그 스케일로 가로축에 잡아 곡선을 그리면, 일반적으로 금속재료의 S-N 곡선을 그릴 수 있다. S-N 곡선을 통해 이러한 현상이 어느 정도 크기의 응력과 응력의 반복횟수에 영향을 받는지 분석할 수 있다.

 

재료가 파괴되기까지의 응력의 반복횟수는 가해지는 응력의 진폭에 영향을  상당히 받는다. 응력진폭이 작을수록 파괴까지의 반복횟수는 증가하며 응력진폭이 어느 값 이하가 되면 무한히 반복하더라도 파괴되지 않는다. 여기서 S-N 곡선이 수평이 되는 한계의 응력을 재료의 피로한도(疲勞限度) 또는 내구한도(耐久限度)라고 한다. 피로강도는 일종의 피로한도나 시간강도를 의미하는 것이다.

 

철강 등 재료의 피로파괴 성질을 결정짓는 대표적 원소성분은 황(S)·인(P) 등이다. 일반적으로 금속의 경우 특유의 질긴 성질(인성)이 있어 잘 부러지지 않지만 금속 내에 성질이 다른 불순물이 섞여 있다면 이야기가 달라진다. 황·인 등은 흔히 ‘비금속게재물’이라 불리는 불순물을 생성하게 되는데 비금속게재물은 인성이 있는 금속성분과 달리, 외부 충격에 쉽게 변형이 되고 이는 금속·비금속의 경계 지점에서의 조직 결함을 발생시킨다. 이 결함이 조금씩 퍼져 나가 금속재료가 칼날처럼 절단되는 피로파괴가 발생되는 것이다.

 

철강조업 중 제강공정에서 황·인을 제거하며, 이 원소들을 얼마나 잘 제거하느냐가 양질의 철강제품을 만드는 초석이 된다. 최근에는 많은 수요산업에서 우수한 피로수명을 가진 ‘고청정강’을 요구하고 있는데, 고청정강이란 결국 비금속게재물 같은 불순물을 엄밀히 제어한 강이다.

POSCO