기계설계 응력집중(stress concentration) 및 피로(fatigue)

 

응력집중

단변형상이 일정한 재료에 하중이 작용하면 단변내부에서 작용하는 응력은 균일하게 분포한다. 그러나 노치 (notch) ， 구멍(hole) ， 키흠(key hole) , 단(step) 등을 가공하여 단면형상이 변화하면 그 부분에서의 응력은 불규척하며 국부적으로 매우 증가하게 되어 응력의 집중현상이 나타난다. 이와 같이 단면의 형상이 변화하는 곳에서 응력이 집중되어 나타나는 응력을 응력집중(stress concentration)이라 한다. 

최대응력(maximum stress) 과 평균응력(average stress) 또는 공칭응력(norminal stress)의 비를 응력집중계수(stress concentration factor) 라 하며 다음과 같이 표기한다.

 

 

응력집중계수는 재료의 크기나 재질에는 관계가 없고 노치의 형상과 작용하는 하중의 종류에 따라 달라지며， 같은 형상의 노치인 경우에는 일반적으로 인장〉굽힘〉비틀림의 순으 로 응력집중계수가 크다. 응력집중의 경감대책은 다음과 같다.

1. 필렛 (fillet) 부의 곡률반지름을 되도록 크게 하거나， 단면의 변화가 완만하게 변화하도록 테이퍼지게 한다.

2. 축단부 가까이에 2~3 단의 단부를 설치하여 웅력의 흐름을 완만하게 한다.

3. 단면변화부분에 보강재를 결합하여 응력집중을 경감한다.

4. 단면변화부분에 훗피닝 (shot peening), 롤러압연처리 및 열처리를 시행하여 그 부분을 강화시키거나 표면가공정도를 좋게 하여 향상시킨다.

 

피로파괴(fatigue fracture) 

기계를 구성하고 있는 각 요소에는 반복하중을 받는 곳이 있으며 이들 요소에 반복하중의 횟수가 많으면 극한강도 또는 항복점강도보다 아주 작은 값에서도 파괴가 시작된다. 이와 같 은 현상은 반복하중이 작용하는 요소의 재료에 피로가 발생하였기 때문이며， 이와 같은 재료에 피로가 일어나 파괴되는 현상을 피로파괴 (fatigue fracture) 라 한다.