금속의 피로 파괴(疲勞破壞)

‘뉴우요오크’ 시 ‘맨해턴’의 59층 ‘팬앰’ 건물 꼭대기에 있는 ‘헬리콥터’ 항에서 예기치 않던 사고가 갑자기 발생하였다. 승객용 ‘헬리콥터’가 ‘존 F. 케네디’ 국제 공항으로 가려고 손님을 태우는 중에 전복되었다. 잠간 동안에 거대한 신월도(新月刀)와도 같이 회전 날개가 네명의 승객을 내리쳤다. 세 사람은 현장에서 즉사하고 다른 한 사람은 병원에서 사망하였다. 날개 깃은 부서져서 멀리 흩어졌다. ‘매디슨’ 가에 떨어진 파편에 맞아 한 부인이 사망하고 다른 한 사람이 부상을 입었다. 왜 이런 재난이 일어났는가? 예비 수사에 의하면 금속 피로가 관련되었다고 한다.

또 다른 최근의 사건을 고려해 보라. ‘플로리다’ ‘키즈’에 있는 아름다운 해상 고속 도로를 달리는 차에 두 여자가 타고 있었다. 그 차는 갑자기 기울어지면서 길을 가로질러 바다 속으로 빠져 버렸다. 다행히 근처에 잠수부와 의사가 있어서 그 여자들은 구출되었다. 그 자동차의 운전 장치의 일부가 파괴되었다. 그 이유는? 대충 조사해 본 결과 금속 피로의 흔적이 있었다.

‘뉴우요오크’ ‘헬리콥터’ 항의 비극, 유명한 ‘실버브릿지’의 붕괴, 지중해상에서 ‘브리티쉬 카밋’호가 이상하게 실종된 사건 등이 금속 피로와 관련된 것으로 생각된다.

금속 피로가 미치는 해는 인체의 암처럼 조기에 발견하면 덜 심각할 수 있다. 또한 암에서와 같이 치료가 어려울 경우가 많고 때때로 불확실하다. 사고시에 식별할 수 있는 흔적이 사라져 버리는 경우가 많다는 점도 문제이다. 특수 훈련을 받은 조사자들이 부족하기 때문에 금속 피로의 흔적을 발견하지 못하는 경우가 많다.

금속 구조

금속 피로를 이해하려면 금속 구조를 살펴보아야 한다. 역사상 금속을 처음으로 다룬 ‘두발가인’의 시대로부터 오늘날에 이르기까지 금속 피로에 대한 만족할 만한 설명이 없었다. (창세 4:22) 어느 정도 납득할 만한 설명을 할 정도로 금속의 기본 구조에 관한 지식이 진보한 것은 최근에 이르러서이다. 오늘날에도 판(板) 용수철이나 차축이 파괴되면 그 부분이 결정화되었다고 말하는 것을 들을 수 있다. 그것이 파괴 원인일 수는 없을 것이다. 그러한 파괴가 있기 전에 이미 그 금속은 결정화하였기 때문이다.

용해한 금속이 식어서 굳어지기 시작할 때 조그마한 결정들이 형성되기 시작한다. 이러한 결정들은 크기와 수에 있어서 증가되어 결국 전체가 결정화한다. 그런데 아주 순수한 금속을 제외하고는 보통 정상적인 결정 구조에 맞지 않는 물질이 포함되어 있다. 그 일부는 배척되고 결정이나 입자들 사이에서 소위 “결정 입계” 금속을 이루는 경향이 있다. 그 외에도 다른 금속들이 어느 정도 그 구조 전체에 분포되어 있다. 고체 입자는 “내포물”이라고 불리운다. 심지어 구멍이나 빈 곳이 있다. 이러한 방식으로 식어진 금속은 “주조 구조”라고 한다. 그 금속은 이러한 형태로도 사용될 수 있지만 그 이상으로 처리되는 경우가 많다. 이러한 처리에는 다음의 한 가지 혹은 그 이상의 과정이 포함될 수 있다. 단조(鍛造), 압연(壓延), ‘스웨이징’, 기계 가공 그리고 연마. 이러한 단계는 단지 시작에 불과할 수도 있다. 왜냐 하면 여러 가지 과정이 필요할 때가 종종 있기 때문이다. 각 과정은 금속의 잠재적인 피로 수명에 영향을 줄 수 있고 보통 영향을 준다.

금속 피로의 시초

어떤 철 막대기의 끝에 인장력을 가할 때 보통 그 하중(荷重)이 적어도 한번은 예상되는 최대 혹은 극한 강도에 이를 수 있다. 그러나 그것이 피로 균열이 생길 정도로 높은 인장하중을 계속 받으면 그 극한 강도의 조그마한 부분만이 보존되고 계속 인장력이 가해지면 결국에는 파괴된다. 유용한 강도가 이처럼 감소되는 일부 이유는 금속 구조의 기본 성질과 관련되어 있다. 계속 인장하중이 가해지면 일부 결정에 미끄럼 전위 혹은 전단 전위가 발생하여 하나의 원자면이 다른 원자면과 엇갈릴 수 있다. 어떤 결정면은 다른 면들보다 그러한 미끄러짐에 대한 저항이 적다. 조그마한 한벌의 ‘카아드’가 한면에서 더 쉽게 미끄러지는 것과 같다. 그 결정은 보통 고르지 않은 형태로 있으며, 처음의 미끄러짐은 불규칙한 원자 배열 때문에 강화될 수도 있다. 이러한 불규칙성은 내포물이나 빈 곳 혹은 전단 한계를 아주 크게 하는 다른 응력 집중에 의해서 생겨날 수 있다. 계속 힘을 가하면 집합적으로 이러한 미끄러지는 일이나 전위가 일어나게 된다. 그러한 것들이 축적되어 결국에는 결정이 파괴된다. 이러한 파괴는 다른 결정을 찌그러뜨리고, 그 과정은 구멍이나 균열이 형성될 때까지 계속된다. 그 균열이나 균열들은 계속 커져서 결국 그 금속 부분이 더 이상 하중을 견디지 못하고 피로 파괴가 발생하게 된다.

또한 피로가 시작될 수 있는 다른 방법이 있다. 예를 들어 아주 조그마한 균열이 결정 입계에 생겨날 수 있다. 그 균열들은 어떤 화학적인 작용에 의해 촉진될 수 있다. 그러므로 아직 더 연구가 필요하지만 피로의 원인으로 밝혀진 점들에는 여러 가지가 있다. 그러나 전반적인 결과는 부하시에 생긴 아주 작은 균일로 인해 금속 구조가 계속 약화되는 것이다.

피로 파괴를 식별하는 방법

어떤 경우에는 파괴의 원인으로서 피로를 알아내는 데 상당한 경험이 필요하지만 도움이 될 수 있는 일반적인 특성들이 있다. 피로가 점진적으로 진행한다는 점에는 의견의 일치를 보고 있다. 또한 균열은 보통 간헐적으로 증가된다. 이처럼 간헐적으로 증가하는 모습은 때때로 부서진 부분의 금이 간 표면에서 볼 수 있다. 흔히 그 모습은 반원의 중심이 파괴의 시발점인 불규칙한 동심반원을 이룬다. 이러한 “굴 껍데기” 모양이 금간 표면에 있다면 그 원인은 아마 피로일 것이다.

기계 설계에서 피로를 인식함

산업 혁명이 시작되면서 강력한 증기 기관과 기관차가 건조되기 시작하였다. 그 후 일부 부품에서 설명할 수 없는 파괴가 발생하는 것에 유의하기 시작하였다. 독일의 ‘아우구스트 뵐러’는 그러한 파괴를 피로로서 인식하고 자기의 발견한 바를 기록한 최초의 사람들 중 하나이다. 그는 심지어 기관차 차축의 표본을 사용하여 파괴를 일으키기도 하였다. 이제 금속 피로의 현상이 인정되기는 하였지만 일반 사람들은 일차 세계 대전과 초기의 자동차들을 통해 그 점을 깊이 깨닫게 되었다. 그러한 차에서는 ‘크랭크’축, 차축, ‘스프링’ 등에 피로 파괴가 흔히 발생하였다.

이차 세계 대전까지는 금속 피로 문제에 대한 인식이 증가되었다. 항공기를 널리 사용하게 됨으로써 강도, 무게 그리고 피로에 관한 신뢰성에 주의를 집중하게 되었다. 오늘날에는 ‘헬리콥터’를 포함하여 점차 기계를 더 많이 사용하기 때문에 설계와 신뢰성에 대한 요구가 더 커졌다. 정부와 기업들은 그 문제를 집중적으로 연구하고 있다. 복잡한 장비들이 개발되었고 현재는 설계와 원형을 연구하는 데 사용되고 있다.

이러한 모든 노력의 한 가지 결과는 안내서와 설계 편람이 개선된 점이다. 이러한 편람은 무엇보다도 어느 정도 안전하게 사용하도록 특정한 재료의 부하 한계를 강조한다. 그것은 “내구 한계”라고 불리운다. 함께 실린 도표에 간단한 내용이 나와 있다. 이 자료를 보면 그 문제가 실질적으로 해결된 것으로 생각될지 모른다. 즉 단지 안전한 한계 내에서 작동시키면 피로를 걱정하지 않아도 된다고 생각될지 모른다.

그러나 불행하게도 그 제시된 ‘데이터’와 자료가 모든 작동 조건을 다 포괄할 수가 없다. 금속으로 된 부분품이 실제 사용될 때는 부하 범위를 정확하게 예측할 수 없을지 모른다. 응력 상태는 종종 복잡하며 장력, 압력 그리고 전단력이 결합되어 있을 경우가 많다. 또한 피로 수명의 가능성을 추산하려면 낮고 높은 하중이 발생하는 순서를 아는 것이 중요하다. 대부분의 자료는 “보통” 재료라고 부를 수 있는 것을 대상으로 한 것이다. 그것들은 구멍, ‘노취’, ‘리벳’, 혹은 용접점과 같은 응력 집중이 없는 재료들이다. 일반적으로 이 모든 점들은 기본적 내구 한계를 낮추는 경향이 있다. 그러나 보통 재료에 있어서도 질이 거의 한없이 다양하다. 결정의 크기, 포함물의 수와 형태, 경도 그리고 내부적인 응력 등 모두가 설계와 생산의 큰 문제를 복잡하게 한다.

설계와 가공 문제를 해결함

판매되는 여러 가지 기계와 기구들은 사용하면서 그 일부 부분품이 파괴될 수 있다는 것을 예상하고서 설계되고 가공된다. 예를 들어 어떤 자동차 부분품은 보통 16만 ‘킬로미터’를 지탱할 수 있도록 설계하였다. 그 때까지는 실내 장식품이 닳고 차체가 녹슬고 손상될 수 있다. 반면에 항공기 부분품의 피로 수명에 대한 제한은 무게에 의해 정해진다. 설계에 더 편리한 재료가 많이 있을지 모른다. 그러나 과도한 무게 때문에 수송할 수 있는 유상하중과 연료의 양이 심하게 제한될 수 있다.

생명과 재산이 달려 있는 기계들에서는 가능하면 큰 사고를 피하는 것이 필수적이다. 이러한 점을 고려함으로써 일반적인 설계 방침 두 가지가 생겨났다. 즉 파괴 방지, 안전 수명이 그것이다.

파괴 방지를 위해서 특정한 하중을 받치는 데 몇가지 평행적인 구성 요소들이 사용된다. 그러므로 한 가지 구성 요소가 파괴되면 수리할 때까지 다른 요소가 그 하중을 지탱할 수 있다. 또 다른 수단은 “균열 정지재”로 사용된다. 이 방법에 의하면 응력을 줄이기 위해 두터운 부분으로 설계된다. 아마 강력한 보강재가 사용되어 그것에 하중을 전가시킬 수 있다. 파괴 방지를 위해서 검사가 중요하다.

축이나 ‘기어’는 평행적인 하중 부담 재료들로 만들기가 거의 불가능하다. 이러한 형태의 부분품을 위하여는 안전 수명 개념을 적용해야 한다. 이 방식에서는 엄격한 시험과 함께 손상을 허용하는 설계가 사용된다. 이러한 부분품들의 경우에는 생산과 조립의 전체 과정을 통해 특별한 주의가 필요하다.

때때로 파괴 방지 개념과 안전 수명 개념이 둘다 적용된다. 앞에서도 지적했지만 가능한 경우 검사하는 일이 중요하다. ‘팬앰’ 건물에서 파괴된 ‘헬리콥터’의 부분품은 9,900시간이 되면 조사를 받게 되어 있었다고 전해졌다. 그러나 한 가지 보고에 의하면 그것은 단지 7,000시간을 기록하였다고 한다. 그러므로 예정된 검사가 충분히 자주 행해지지 않을 때 재난이 발생할 수 있다.

특별한 보호 조치

때때로 피로 파괴로 인한 사건 방지에 도움이 되는 특별한 조치를 할 수 있다. 이러한 것들은 부가적인 경비, 지식이나 시설의 부족 때문에 혹은 그것들이 적당하지 않기 때문에 항상 사용되지는 않는다. 또한 어떤 방법은 파괴를 예측하는 데 사용된다.

종종 사용될 수 있는 한 가지 중요한 방식은 ‘숏피이닝’ 혹은 발파이다. 이것은 압축 표면이라고 할 수 있는 것을 생산해 낸다. 피로 파괴는 일반적으로 부분품이 계속적인 공칭 인장 하중을 받을 때 생겨나기 때문에 ‘피이닝’은 압력에서 적어도 그 부분품의 표면을 보존함으로써 도움을 준다.

또 다른 방식은 때때로 “오오토프레티지”라고 불리운다. 이것은 총에 사용되었지만 그 원리는 여러 가지로 적용된다. 그 내용은 높은 압력을 받은 부분이 들어가도록 어떤 부분품에 과도한 하중을 가한다. 그 다음에 그 하중을 제거하면 이 들어간 부분이 압축 상태에 있게 된다. 그러한 국소화된 압축 지역은 정상적인 사용중에 장력을 감소시킴으로써 보호를 받게 된다.

과도한 부하는 그 부분품이 사용되기 전에 시행되면 다른 유익한 영향을 미칠 수 있다. 부분품에 어떤 형태의 죄는 물건이 사용될 경우에 그렇다. 한 가지 예는 ‘리벳’으로 이은 부분이다. 구멍이 불완전하게 맞추어져 어떤 ‘리벳’이 하중의 대부분을 맡게 될 수 있다. 그러나 그 조립체에 과도하게 하중을 가해 고도로 부하된 부분이 들어가게 하면 하중이 분배된다.

금속 피로 파괴를 방지하기 위해 상당히 도움이 되는 다른 방법들이 사용되고 있다. 그러한 것들에는 용접 후의 응력 제거 그리고 국소화된 응력 집중을 감소시키기 위해 구멍과 ‘피이트’를 갈아서 닳게 하는 방법이 포함된다.

당신은 어떻게 할 수 있는가?

설계하고 생산하는 사람이 파괴 방지를 돕기 위하여 많은 역할을 할 수 있지만 당신이 할 수 있는 일도 많다. 여기에 몇가지 제안이 있다.

1. 제안된 하중과 속도 내에서 그 장비를 작동시키라.

2. 장비를 수리할 때 적어도 중요 부분에 깊이 긁힌 곳, ‘닉’ 혹은 ‘파일 마아크’를 만들지 않도록 하라.

3. 과도하게 열을 가하는 일을 피하라. 그렇게 하는 일은 금속의 경도에 영향을 주고 그 사용 강도를 감소시킬 수 있다.

4. 금속에 녹과 ‘피이팅’이 발생하는 것을 방지하라.

5. 사용 부분을 산과 같은 어떤 화학 물질로부터 보호하라. 어떤 금속은 노출되면 수소 원자가 들어가서 그 부분이 약화되고 빨리 파괴될 수 있다. 화학 물질의 또 다른 효과는 응력 부식을 일으키는 것이다.

금속 피로 사건에 대하여는 어떠한가?

금속 피로 파괴에 의한 사고는 방지될 수 있는가? 결국 그렇다고 말할 수 있다.

사고는 이기심, 무지 그리고 부주의 때문에 일어나는 경향이 있다. 때때로 터무니 없이 이익을 보려는 태도, 설계에 관한 지식의 부족, 장비를 만들고 사용하는 사람들의 부주의 때문에 금속 피로 파괴가 발생할 수 있다. 그러나 새로운 사물의 제도가 아주 가깝다. 인간의 창조주에 의해서 약속된 그 제도에서 모든 형태의 이기심은 제거될 것이다. 설계와 관련된 내용을 포함하여 지식이 증가될 것이다. 또한 그 때에 장비를 만들고 사용하는 사람들은 모두의 안전을 염두에 두고 그렇게 할 것이다.

[35면 그래프]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

평방 ‘인치’당 최고 응력

파괴 예상

내구 한계

안전 작용 범위

500,000

1,000,000

파괴를 일으키는 극한 하중 부하 회수

피로 ‘데이터’의 한 가지 조직 방법

[35면 삽화]

굴 무늬