피로 한도는 시험상의 약속이지 수명 보장이 아닙니다

그 수치가 실제로 뜻하는 것

조건 없이 제시된 피로 한도는 불완전합니다. 실무에서 그 수치는 명시된 응력비에서 일정 비율의 시험편이 미리 정한 반복 횟수까지 파단되지 않은 응력 진폭입니다. 시험이 끝난 것이지 시험편이 영원히 파단되지 않는다는 뜻은 아닙니다.

그 반복 횟수조차 하나의 약속이 아닙니다. ISO 1099는 구조용 강에 약 10⁷회, 그 밖의 재료에 10⁸회를 제시하면서도 금속에는 일반적으로 무한 반복을 보장하는 한도가 없다고 경고합니다. 나사 체결부품에 한정하면 ISO 3800의 미리 정한 런아웃은 보통 5×10⁶회에서 10⁷회 사이이며, VDI 2230-1의 기준 내구 진폭은 N_D ≥ 2×10⁶부터 적용됩니다. 같은 말 뒤에 서로 다른 수치가 있습니다.

예외는 양쪽 방향에 모두 있습니다

초고주기 시험에서는 전통적인 10⁷회 한도를 넘어서 파단된 강도 실제로 발견했습니다. 보통 고강도 담금질·뜨임강, 베어링강 또는 스프링강이며 균열은 내부 개재물에서 시작했습니다. 그러나 “초고주기 피로가 강에는 피로 한도가 없음을 입증했다”는 것이 증거의 결론은 아닙니다.

교과서에서 짝을 이루는 나머지 절반도 항상 성립하지 않으며 그 예외는 기억할 만합니다. 매끈한 6061-T6 시험편은 10¹⁰회까지 평탄부를 보이지 않았지만 같은 합금의 노치 시험편에는 뚜렷한 한도가 나타났습니다. 노치가 답을 바꿨습니다. AA2198-T8은 10⁹회 부근에서 평탄부를 보였습니다. 예상한 방향의 명확한 증거가 있는 경우는 구리로, 10¹⁰회까지 통상적인 한도가 검출되지 않았습니다.

이 결과를 볼트에 그대로 적용할 수 없는 이유

볼트도 결국 내부 개재물에서 파단될 것이라고 결론 내리기 쉽습니다. 피해야 할 것이 바로 그 외삽이며, 표준도 이를 명시적으로 막고 있습니다.

• ISO 1099는 의도적인 응력 집중이 없는 시험편을 다루며 부품 시험은 제외합니다. 볼트는 노치가 있는 부품이고 나사산 골이 그 노치입니다.
• 노치는 응력 구배를 바꾸고 고응력 체적을 줄이며 나사산 전조로 인한 잔류 응력을 더합니다. 노치가 날카로울수록 균열 개시는 내부 개재물이 아니라 표면, 즉 나사산 골로 되돌아갈 가능성이 큽니다.
• 노치 부품의 초고주기 피로에 관한 최근 문헌 검토에서도 복잡한 노치 부품에 널리 검증된 일반 모델은 아직 없다고 결론 내렸습니다.

볼트 자체의 취약 지점은 잘 알려져 있으며 설명도 다릅니다. 나사산마다 하중이 고르게 분담되지 않고 골에서 집중되므로 처음 물린 나사산의 골이 취약합니다. 이는 전조 나사산과 절삭 나사산의 비교가 도달하는 지점과 같습니다.

이 사이트의 다른 설명에 대한 정정

이 사이트는 초기 체결력이 볼트의 하중 진폭에 나타나지 않는다고 썼습니다. ΔF_b = Φ·F_A이고 Φ는 강성으로 정해집니다. 이는 맞지만, 여기서 한 걸음 더 나아가 초기 체결력이 피로와 무관하다고 읽기 쉽습니다.

따라서 “초기 체결력이 충분하면 피로는 문제가 되지 않는다”는 문장은 그대로는 틀립니다. 충분하고 유지되는 초기 체결력은 이음을 닫힌 상태로 유지해 볼트가 받는 반복 진폭을 줄입니다. 이 부분은 사실이며 스프링 모델이 주는 효과입니다. 그렇다고 나사산 골의 진폭, 평균 및 최대 응력, 초기 체결력의 산포와 손실, 편심 굽힘 또는 횡방향 미끄럼을 확인하지 않아도 되는 것은 아닙니다.

규정은 영원한 수명을 약속하는 대신 무엇을 하는가

구조 설계 실무는 곡선을 기가사이클까지 연장하지 않습니다. EN 1993-1-9는 직접 응력 곡선을 m = 3으로 N_D = 5×10⁶까지 적용하고 이를 일정 진폭 피로 한도로 봅니다. 가변 스펙트럼에 이보다 높고 낮은 범위가 모두 있으면 기울기를 m = 5로 바꾸어 10⁸회의 절단 한도까지 이어 갑니다. 인장 볼트는 유효 단면적 기준 상세 범주 50에 해당하며 지레 작용과 굽힘을 포함해야 합니다.

이 체계는 공학적인 절단 규칙이지 자연에 관한 주장이 아닙니다. 또한 일정 진폭 한도가 가변 스펙트럼의 허가증은 아님을 보여 줍니다. 몇 번의 큰 반복만으로도 작은 반복이 손상에 기여할 수 있습니다.

이 글은 여섯 단계 중 하나에만 해당하지 않습니다. 여러 단계를 아우르거나 조립 후에 나타나는 문제입니다. 관련 결정은 영어 글 Specifying a screw에서 설명합니다.

자주 묻는 질문

강은 피로 한도 아래에서 정말 영원히 견딥니까?

법칙으로는 그렇지 않습니다. 저강도 및 중강도 강은 부식이 없는 일정 진폭 하중에서 평탄부를 보이는 경우가 많습니다. 한 42CrMo4 비교에서는 고온 뜨임 조건이 1000만 회에서 10억 회 사이에 한 번도 파단되지 않았고 양 끝의 강도도 같았습니다. 그러나 고강도 담금질·뜨임강, 베어링강 및 스프링강은 내부 개재물에서 시작해 전통적인 한도를 넘어 파단되었습니다. 평탄부의 존재는 강도, 미세조직, 결함, 표면, 환경 및 응력비에 따라 달라집니다.

알루미늄에는 피로 한도가 없다는 말이 사실입니까?

일반적인 거동이지만 보편적인 법칙은 아닙니다. 예외가 시사적입니다. 매끈한 6061-T6 시험편은 100억 회까지 평탄부를 보이지 않았지만 같은 합금의 노치 시험편에는 뚜렷한 한도가 나타났고, AA2198-T8은 10억 회 부근에서 평탄부를 보였습니다. 구리는 100억 회까지 통상적인 한도가 검출되지 않아 더 명확한 경우입니다.

이 초고주기 결과를 볼트에 적용할 수 있습니까?

직접 적용할 수 없으며 표준도 그렇게 말합니다. ISO 1099는 의도적인 응력 집중이 없는 시험편을 다루고 부품 시험은 제외하지만, 볼트는 나사산 골이라는 노치가 있는 부품입니다. 노치는 응력 구배와 고응력 체적을 바꾸며 날카로울수록 균열 개시는 내부 개재물이 아니라 표면으로 돌아가는 경향이 있습니다. 최근 문헌 검토에서도 복잡한 노치 부품에 널리 검증된 일반 모델은 없다고 봅니다.

초기 체결력이 진폭 식에 없다면 피로에는 중요하지 않습니까?

다른 위치에서 중요합니다. 작용 진폭은 하중 계수와 외부 하중의 곱이며 초기 체결력은 그 식에 없습니다. 그러나 VDI 2230-1은 열처리 후 나사산을 전조한 볼트의 허용 내구 진폭을 평균 볼트 축력의 함수로 둡니다. 따라서 초기 체결력은 작용 진폭이 아니라 허용 진폭에 들어갑니다. 충분한 초기 체결력은 이음을 닫힌 상태로 유지해 진폭이 급증하는 것도 막습니다.

참고 자료

• Lang, Korn & Rohm (2016). VHCF behaviour of 42CrMo4 in different heat treatment conditions. Procedia Structural Integrity. DOI 10.1016/j.prostr.2016.06.145
• Pyttel, Schwerdt & Berger (2011). Very high cycle fatigue — is there a fatigue limit? International Journal of Fatigue. DOI 10.1016/j.ijfatigue.2010.05.009
• Akiniwa et al. (2006). Fatigue strength of smooth and notched specimens in the very high cycle regime. International Journal of Fatigue. DOI 10.1016/j.ijfatigue.2005.04.017
• Majzoobi et al. (2005). Experimental evaluation of the effect of thread pitch on fatigue life of bolts. International Journal of Fatigue. DOI 10.1016/j.ijfatigue.2004.06.011
• ISO 3800:1993 — Axial load fatigue testing of threaded fasteners (런아웃은 보통 5×10⁶회에서 10⁷회 사이이며 체결 부품의 컴플라이언스는 고려하지 않음)
• ISO 898-1 — 적용 범위에서 피로 저항을 명시적으로 제외함

기가사이클 시험에서 때때로 인용되는 감소율은 재료와 형상에 따라 다릅니다. 가벼운 노치가 있는 17-4PH는 실온에서 10^9회의 강도가 10^7회보다 약 5% 낮았고, 350 C에서는 약 10% 낮았습니다. 강이나 볼트에 공통으로 적용할 비율은 없습니다.