파괴 역학(LEFM, YFM)

선형-탄성 파괴 역학(LEFM), 항복 파괴 역학(YFM)

파괴 역학은 작동 조건에 따른 부품 또는 재료의 크랙 성장, 크랙 전파, 크랙 정지 성능을 조사합니다(기능, 피로 수명 등). 응력-시간 함수를 고려하여 측정한 재료의 물성이 부품 설계와 생산에 영향을 미칩니다.

파괴 역학은 항공우주나 자동차 엔지니어링 같은 여러 산업 부문에서 중요한 역할을 합니다. 크랙이 생긴 부품(또는 재료)의 수명이나 잔여 유효 수명을 추정하여 검사 및 보수 주기를 목적에 맞게 정할 수 있습니다.

선형-탄성 파괴 역학(LEFM)과 항복 파괴 역학(YFM)의 두 가지 개념으로 나뉩니다.

선형-탄성 파괴 역학(LEFM) 항복 파괴 역학(YFM) 표준 크랙 전파 금속 시편 형태 시험기

선형-탄성 파괴 역학(LEFM)

선형-탄성 파괴 역학(취성 재료에 적합)에서 재료 거동은 변형이 생기지 않는 파괴(불안정한 크랙 전파)가 일어날 때까지 선형 탄성을 띱니다. LEFM의 일반적인 물성값은 K1C로, 이는 크랙 개구 1 모드 동안의 임계(C) 응력 강도(K)를 설명합니다.

항복 파괴 역학(YFM)

재료가 연성으로 파괴되면 크랙 단부에 연성 변형이 생기며, 이때 항복 파괴 역학 개념이 적용됩니다. 여기서 두 가지 정의가 등장하는데, 하나는 크랙 단부 주위에 저장된 에너지를 통해 물성값을 측정하는 것이고(J-적분 개념), 다른 하나는 크랙 단부 확장(CTOD “크랙 단부 개구 변위”)을 통해 물성값을 측정하는 것입니다.

금속 부품에서의 크랙 전파

어느 부품에나 존재하는 부품 또는 부품 표면의 생산 관련 결함은 하중 조건에서 크랙의 형성을 촉진시키는 크랙 핵을 나타냅니다. 이러한 결함은 크랙, 즉 기술적으로 기록될 수 있는 거시적인 재료 손상으로 바뀔 수 있으며, 이를 크랙 시작 단계라고 합니다.

이어지는 크랙 전파 단계에서는 크랙 단부 앞쪽의 응력 강도 K가 임계값을 초과하여 부품이 갑자기 파손될 때까지 부품 안에서 크랙이 계속 진행됩니다.

크랙은 단조로운 하중을 가한 부품이나 반복 하중을 가한 부품에서 안정적으로(임계 전 상태) 또는 불안정하게(임계 상태) 전파됩니다. 취성 재료의 경우, 임계 응력 크기 K1C를 지정할 수 있는데, 이 크기의 측정과 관련해서는 ASTM E399에서 설명합니다. 성장하는 크랙의 응력 강도 K가 K1C 아래에서 이동할 경우, 해당 크랙은 안정적으로 전파되고 있으므로 하중을 제거하면 언제든 멈춥니다. K1C 값을 초과할 경우에는 불안정한 크랙 성장이 일어나 부품의 갑작스런 파손이 발생합니다.

크랙 성장 곡선은 다음 세 구간으로 나뉩니다.

시편 형태

파괴 역학에는 여러 가지 시편 형태가 사용되며, 형태를 선택할 때는 표준과 시험 재료가 기준이 됩니다. 표준서는 시험 결과값 비교를 위해 표준화된 시편 형태를 설명하고 있습니다.

C(T) 시편

파괴 역학에 가장 많이 사용되는 시편 형태는 소형 인장 시편으로, 이 시편은 ASTM E399/E647에 따른 시험에 사용합니다.

표준서는 그 외 시편 형태도 설명하고 있습니다. 시편 형태 각각은 업계와 원재료 가용성에 따라 선택합니다.

M(T) 시편 - ASTM E647에 따른 시험을 위한 중간 인장 시편
ESE(T) 시편 - ASTM E647에 따른 시험을 위한 단일 모서리 편심 하중 크랙 인장 시편
SE(B) 시편 - ASTM E399에 따른 시험을 위한 단일 모서리 굽힘 시편
DC(T) 시편 - ASTM E399에 따른 시험을 위한 디스크형 소형 인장 시편
A(T) 시편 - ASTM E399에 따른 시험을 위한 아크형 인장 시편
A(B) 시편 - ASTM E399에 따른 시험을 위한 아크형 굽힘 시편