재료의 파괴 (Fracture)

0. 재료의 이론적 파괴 강도

재료 내에 존재하는 Repulsion & Attraction force에 의해 net force가 결정된다. 위의 net force 그래프를 파장 람다를 가지는 사인함수로 간략화 하여 변형률과 E, a만으로 이를 유도한다.

이를 통하여 얻어진 최종적인 강도는 다음과 같이 근사한다. 

1. 취성 파괴에 따른 Griffith, Orowan 이론

1) 재료 내에 응력 집중부가 존재한다고 가정하고, 이 국부지역에서 이론 응력값에 도달 (균열의 성장) No plastic deformation → brittle한 재료

2) 파괴가 일어나는 조건은 균열의 성장에 의하여 감소되는 탄성 변형에너지와 새로운 파면 형성에 의하여 증가하는 표면에너지의 관계에 의해 결정

이라는 전제 하에 재료의 국부 부분(c)에서 한번에 몰리는 힘을 고려한 이론적인 분석을 해냄. 다만 Brittle한 재료에 대해서만 해당한다.

 

 

이후 Orowan이라는 사람이 소성변형이 일어나는 재료에 대해서도 일반화를 진행하여 재 일반화한 식을 내놓았다.

2. 응력집중계수 (Stress concentration factor)

구멍, 노치, 균열과 같은 불연속부가 존재하게 되면, 불연속부 근처의 응력은 외부에서 가한 평균응력보다 훨씬 크게 되는 현상이다. 위의 Griffith, Orowan 이론에 기하학적인 상태를 고려한 것이다.

이러한 응력집중계수는 시편의 기하학적 형상 혹은 불연속부의 형태에 많은 영향을 받기에 개별적인 계수 계산식이 존재한다. 

 

3. 응력확대계수 (Stress intensity factor)

균열의 선단에 매우 큰 응력 집중발생, 응력장 (stress field)에 대한 것을 고려한 계수이다. 균열의 모양과 크기가 다르고 작용하는 응력이 다르더라도, 응력확대계수 KI이 같으면 두 균열선단에서의 응력장과 소성영역의 크기가 같다. 즉, 응력확대계수는 균열선단에서의 응력과 변형을 결정짓는 중요한 인자 임계값 Kc에 이르게 되면 균열의 성장이 일어나 파괴 발생한다.

KIC 실험의 경우에는 시편의 두께가 얇을때에만 그 변화가 일어나기에 일반적으로 생략하는 경우가 많지만, 매우 정밀한 분석이 필요한 경우에 많이 도입한다. 아래와 같이 시편이 두꺼워짐에 따라 saturation 된다.