표면 결함이 불러온 피로 파괴, 그 치명적인 메커니즘
금속 재료나 기계 부품의 반복적인 하중 작용에서 발생하는 피로 파괴는, 겉보기에 멀쩡해 보이는 구조물조차 예고 없이 파괴시킬 수 있는 위험 요소이다.
특히, 표면에 존재하는 미세한 결함은 이러한 피로 파괴의 시발점이 되며, 손상 누적을 가속화시킨다.
오늘은 구조물의 내구 수명을 위협하는 주요 요인 중 하나인 표면 결함 기인 피로 파괴 현상에 대해 자세히 살펴본다.
표면 결함이란 무엇인가?
표면 결함이란, 재료의 외부 표면에 존재하는 작은 흠집, 균열, 공극, 산화층, 스크래치 등을 말한다.
이러한 결함은 제조 가공 중 혹은 운전 중 생기며, 반복적인 하중 작용 시 응력 집중을 유발하여 균열의 시발점이 된다.
피로 파괴의 진행 단계
1단계: 균열의 초기 발생 (Crack Initiation)
미세한 결함 부위에서 응력이 집중되며 균열이 발생한다. 이 단계는 수명 중 상당 부분을 차지한다.
2단계: 균열의 성장 (Crack Propagation)
균열이 반복 하중에 따라 서서히 확장되며, 파면에 비치 마크나 스트라이에이션이 형성된다.
3단계: 최종 파단 (Final Fracture)
균열이 임계 크기에 도달하면, 구조물이 급격히 파괴된다. 이때는 연성 파괴 또는 취성 파괴 형태로 나타난다.
주요 표면 결함 사례
- 연삭 또는 절삭 중 발생한 스크래치
- 부식으로 생긴 표면 불균일
- 용접부 결함 (언더컷, 기공 포함)
- 산화막, 오염물 등
예방 방법
- 쇼트피닝 등으로 잔류 압축응력 부여
- 코팅 또는 페인트 도포로 부식 방지
- 비파괴 검사(NDT) 통한 조기 결함 감지
- 정밀 가공 및 열처리 공정 개선
마무리
눈에 띄지 않는 작은 결함 하나가 반복되는 하중 속에서 엄청난 피해로 이어질 수 있다. 대표적으로 성수대교 붕괴 사고에서도 용접부 미세 결함이 치명적인 피로 파괴로 이어졌다는 분석이 이를 입증한다.
결함을 줄이고 철저히 관리하는 것이 구조물 수명과 인명을 지키는 가장 중요한 예방책이다.