금속 피로 (Metal Fatigue)

금속 피로란?

금속 피로는 금속 구조가 반복적인 하중 및 하중 해제 주기하에서 미세한 균열이 발생하는 현상입니다. 시간이 지남에 따라 이 균열은 남은 단면이 가해진 하중을 더 이상 지탱할 수 없을 때까지 성장하여 갑작스러운 파단으로 이어집니다. 결정적으로, 피로 파괴는 재료의 공표된 인장 강도보다 훨씬 낮은 응력 수준에서 발생할 수 있어 숨겨진 위험한 고장 모드입니다. 항공 감항성 규정은 피로 관련 재난에서 얻은 교훈에 의해 크게 형성되었습니다.

작동 원리

피로 손상은 응력 집중점 — 구멍, 노치, 표면 긁힘, 불량하게 형성된 리벳 — 에서 축적됩니다. 동체의 각 가압 주기가 외피를 팽창시켰다 이완시키고, 각 착륙과 이륙이 날개 루트와 윙박스에 굽힘 하중 주기를 추가합니다:

• 파괴까지의 주기(S-N 곡선): 응력 진폭 대 균열 발생 전 주기 수의 플롯.
• 손상 허용: 현대 설계는 감지 가능한 균열이 임계 크기에 도달하기 전에 예정 검사에서 발견될 만큼 천천히 성장해야 합니다.
• 안전 수명 대 안전 장치: 안전 수명 부품은 정해진 주기 수 후 퇴역하고, 안전 장치 구조는 한 요소가 균열되어도 전체 파괴를 일으키지 않도록 설계됩니다.

항공 분야 응용

1954년의 드 하빌랜드 코멧 재난은 상업 항공에서 피로를 정의하는 사건이었습니다. 사각 창문 모서리가 가압된 가압 동체에 응력 집중을 만들어 비행 중 치명적 파열을 일으켰습니다. 오늘날 Boeing과 Airbus는 새로운 형식을 인증하기 전에 수만 회의 시뮬레이션된 비행을 통해 기체를 주기시키는 실물 크기 피로 시험을 수행합니다.

미래 발전

내장형 압전 센서와 광섬유 변형 게이지를 사용하는 구조 건전성 모니터링(SHM) 시스템이 실시간으로 균열 성장을 감지하여 고정 검사 간격 대신 상태 기반 정비를 가능하게 하도록 개발되고 있습니다. 복합 재료의 증가하는 사용은 1차 구조의 피로 우려를 줄입니다.