안녕하세요? 이엔지베이는 구조해석 컨설팅 & 용역 전문 업체입니다.
강 구조물의 피로현상에 대해 장편에 걸쳐 포스팅을 개시할 계획입니다.
현업에서 경험할 수 있는 다양한 피로 현상과 용접의 피로 균열에 대한 내용을 다루게 됩니다.
1. 개요
용접되지 않은 재료를 지칭하는 단어로 ‘모재’를 사용하겠습니다.
피로 설계에 있어서 모재를 사용한 설계가 가능하다면 가장 좋은 피로 설계 법이 될 것입니다. 피로 문제는 균열에서 시작되는데 모재는 이러한 균열의 시작을 매우 지연시킬 수 있기 때문이겠죠.
모재의 강도가 증가함에 따라 피로 강도 역시 함께 증가합니다. 때문에 모재의 경우 고강도강의 피로 강도는 당연히 연강(Mild Steel)보다 높습니다. 이러한 모재의 피로 강도는 강재의 강도, 표면 거칠기, 모서리 품질, 구멍, 패임, 나사 따위의 이음 등과 같은 노치의 영향에 따라 달라질 수 있습니다.
2. 재료의 영향과 표면거칠기
모재의 피로 강도는 강재의 강도와 함께 증가합니다. 또한, 이 증가율은 재료의 표면 상태에 따라 달라지기 때문에 열연 강재보다는 냉연 강재가 피로 강도가 더 높습니다(냉연 표면이 열연 표면보다 표면 상태가 좋습니다).
우리는 보통 표면 거칠기(조도)를 Rz로 정의합니다(그림1). 일반적으로 Rz를 정의하기 위해서 5개의 측정을 하고 그 측정값의 평균값으로 Rz를 정의합니다.
표면이 매끄러울수록 재료의 피로 강도는 향상되는데, 재료의 가공 거칠기에 따른 항복강도와 피로 강도의 상관관계를 그림 2에서 확인할 수 있습니다.
또한, 그림 2의 회귀분석을 통해 얻어진 함수를 활용하면 모재의 조도 측정값을 사용하여 피로 강도를 계산할 수도 있습니다.
피로 강도 Δσ의 계산에 대한 구체적인 방법은 아래 식을 참고할 수 있습니다.
위 내용을 그래프로 나타낸 것이 바로 그림 3입니다. 각각의 커브는 표면 거칠기에 따른 항복 강도와 피로 강도의 상관관계를 나타냅니다. 그림 3을 통해 표면 거칠기가 높을수록 항복에 따른 피로 강도의 증가가 감소함을 알 수 있습니다.
특히, 특정 Rz 값에서 특정 항복 강도에서의 피로 강도가 더 이상 증가하지 않고 수평을 유지하는 것을 확인할 수 있는데 해당 지점은 균열이 발생되어 균열 성장이 시작된 시점이라고 볼 수 있습니다.
3. 아연 도금 표면
강판의 방청(내부식성) 기능 향상을 목적으로 수행하는 아연 도금의 경우 부식환경에 노출되지 않았을 때와 동일한 피로 강도를 지니게 됩니다.
하지만, 아연 도금의 강판은 두꺼운 아연 층으로 인하여 취성을 형성하게 되며 이 취성은 강과 아연의 경계층에서 두드러집니다.
이것은 피로 균열이 이 경계층에서 시작될 수 있음을 의미하며 이 경우 500 MPa 이상으로 항복강도를 증가시켜도 피로 강도는 더 이상 증가하지 않는다는 것에 주목할 필요가 있습니다.
용융 아연 도금 표면에 대한 피로 강도는 위 그림 3의 Rz=60을 사용할 수 있습니다.
4. 절단 모서리의 품질
강판의 절단 모서리 품질은 피로 강도에 매우 중요합니다. 이것은 절단 방법에 따라 피로 품질이 달라질 수 있음을 의미합니다.
그림 4는 강판의 모서리를 밀링, 레이저 커팅, 단순 전단으로 구분하여 피로 강도를 측정한 것(항복강도 700 MPa 열연강판 기준)으로 단순 전단한 것이 피로 품질이 가장 낮은 것을 확인할 수 있습니다. 그와 반대로 밀링 등의 기계 가공은 피로 품질을 높입니다.
이외에 모서리에 숏 블라스팅 같은 잔류 압축 응력을 부여하는 것 또한 피로 품질 향상에 도움이 됩니다.
5. 기계적 노치
구멍, 움푹 들어간 곳, 기계적 이음과 같은 일반적인 기계적 노치는 노치 효과에 따른 응력 집중 계수 Kt로 설명됩니다.
응력 집중 계수에 따른 피로 강도의 감소의 상관관계를 나타내기 위한 식은 아래와 같고, 피로 강도 노치 계수를 Kf로 정의합니다.
6. 변형경화와 소부경화(Bake hardening)
모든 강(특히, 이중상(Dual phase) 강)은 소성 가공 중에 굽힘이나 압축 작용으로 인하여 항복 강도가 증가하게 됩니다. 또한, 프레스 후 소재를 170℃로 가열하면 항복 강도가 추가로 증가하게 되는데 이것을 소부 경화라 합니다.
이처럼 강의 변형이나 소부 경화로 인해 항복강도가 증가하게 되면 피로 강도 역시 추가로 증가하게 됩니다.
설계하는 재료는 일반적으로 정적 하중 상태에서 탄성 변형을 겪게 되는데, 이처럼 경화반응을 고려하지 않고 피로 설계를 하게 되면 설계가 보수적이게 될 수 있음에 유의해야 합니다.
설계제품의 공정 중 170℃ 가열 공정이 있다면, 일반적으로 2%의 strain과 소부 경화를 반영한 항복강도를 사용할 수 있으며 위 그림 3 역시 해당 내용이 고려된 결과입니다.
7. 재료 계수(Material factor)
재료 계수는 항복 강도와 표면 거칠기의 함수로 표현됩니다.
그림 5의 A~K로 표시된 곡선은 3~120까지의 Rz에 해당합니다. 여기서 L 곡선은 재료 계수(Φm) = 1에 해당합니다.
해당 내용은 어디까지나 모재에 대한 내용임을 분명히 해야 합니다. L 곡선이 재료 계수 1에 해당한다는 것은 재료 의존성이 없음을 의미하고 이것은 균열이 이미 존재하거나 용접 이음일 때를 의미합니다. 따라서, 용접된 재료의 경우 재료 계수는 항상 1의 값을 가집니다.
아래 표는 각 모재의 상태에 따른 재료 계수를 나타냅니다.
이상으로 강 구조물의 “모재(Non-welded material)의 피로”에 대해 알아보았습니다.
다음 시간에는 “용접 구조물의 피로”에 대해 알아보겠습니다.
감사합니다.
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출처
[1] Pilkey, W. D. Peterson’s Stress Concentration Factors. John Wiley & Sons Inc., 1997, ISBN 0-471-53849-3.
[2] Sperle, J-O., Nilsson, T. The application of high strength steel for fatigue loaded structures. Proceeding from HSLA Steels Conference, Beijing 1992.
[3] Sperle, J-O. Influence of parent metal strength on the fatigue strength of parent material with machined and thermally cut edges. Welding in the World, Vol. 52 No 7/8, 2008, pp.79-92.
[4] Nilsson, T., Engberg, G., Trogen, H. Fatigue properties of hot-dip galvanized steels. Scandinavian Journal of Metallurgy 18 (1985) pp 79-86.
[5] SS-EN-ISO 9013 Thermal cutting – Classification of thermal cuts – Geometrical product specification and quality tolerances. (ISO 9013:2002). revision 2.
[6] Platbandboken, utgava VII. SSAB Borlange: s.n., 1997.
[7] SSAB Design handbook, www.ssab.com/ko-kr
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