기계 설계: 재료(2), 표준화(1)

일반적으로 반복하중이 작용하여 피로 파손이 일어나내 경우 재료의 강도를 결정하기 위하려 회전 보 피로시험기와 시편을 사용한 피로시험을 수행한다. 회전 보 피로시험은 동일 재료, 동일 치수의 시험편을 여러 개 준비하여 응력진폭을 시험편마다 변화시키면서 시험편이 파괴될 때까지의 응력 반복 회수를 구한다. 피로 실험에서 얻은 응력진폭의 크기 S와 응력 반복 회수 N의 관계를 나타낸 것을 S-N 곡선이라 한다. S-N 곡선의 수평 부분은 그 응력 크기에서는 반복 회수를 무한대로 가하더라도 재료가 파괴되지 않는 한계로서 피로한도 또는 내구 한도라 한다. 피로한도를 경정하기 위한 시편은 매우 정밀하게 가공하여 준비되고 확실히 제어된 조건에서 시험 된다. 그러나 실제 기계 부품은 시편과 다르므로 기계 부품의 피로한도는 피로한도에 영향을 미치는 인자를 고려하여 적절히 수정한 값을 사용하여야 한다. 이러한 인자로서 기계 부품의 표면 상태, 신뢰도, 크기, 사용온도, 응력 상태 등이 있다. 회전 보 시편은 표면을 거울처럼 연마하지만 좋지 않으므로 피로한도가 저하된다. 표면처리 계수는 마무리의 정도와 인장강도에 따라 다르다. 각 재료의 강도 데이터는 평균값이므로 재료의 신뢰도에 따라 다르다. 기계요소의 크기는 원형회전시험과 다르므로 같은 응력을 받는 경우라도 부품이 커지면 큰 부피 내에 결함이 존재할 확률이 더 높아진다. 이처럼 제품의 크기가 크기만 작은 응력에서 파괴될 가능성이 커지게 되어 이를 보정할 필요가 있다. 피로 실험은 주로 상온에서 실시되지만, 기계 부품은 상온보다 높은 온도에서 사용되는 경우가 많으므로 이에 대한 보정이 필요하다. 강의 인장강도에 대한 자료로부터 온도계수의 근사적인 결과를 구할 수 있다. 기계 부품에 놓치기 있으면 하중이 작용할 때 놓치기 있는 부분에 응력집중이 발생한다. 노치효과란 반복하중으로 인하여 노 치부분에 균열이 발생하여 피로한도가 작아지는 현상을 말한다. 노치효과가 피로파괴에 미치는 정도를 나타내기 위하여 피로 응력집중계수 또는 놓치게 수로 정의한다. 회전 보 피로시험에서는 평균응력은 없이 교번응력(응력진폭)만 존재하지만, 일반적인 변동하중에서는 평균응력이 존재하므로 평균응력과 교번응력의 크기에 따라 파손의 양상이 달라진다. 이처럼 평균응력과 교번응력이 동시에 존재할 때, 파손이 일어나는 것을 판단하기 위한 기준이 필요하며, 사용되는 파손기준들이 존재한다. 기계와 구조물에 작용하는 하중이 점차로 커지면 그 부분에 생기는 응력과 변형률은 점차 증가하여 결국은 파괴된다. 따라서 기계와 구조물이 안전하고 충분히 기능을 발휘하도록 설계하려면 우선 사용할 재료의 파손기준이 되는 기준강도를 알아야 한다. 이 기준강도는 재료의 종류, 하중 형태, 사용조건에 따라 다른데, 일반적으로 상온에서 정하중이 작용하는 경우에 연속 강의와 같은 연성재료는 항복강도 혹은 극한강도를, 주철과 같은 취성재료는 극한강도를 기준강도로 잡고, 반복하중이 작용하는 경우에는 피로한도를 기준강도를 잡는다. 고온에서 사용하는 재료는 크리프 한도를 기준강도로 삼는다. 기계 부품이 파손되지 않고 사용되기 위해서는 그 재료의 기준강도보다 작은 응력만을 허용해야 한다. 이 응력을 허용응력이라 하는데, 허용응력은 하중의 종류, 부품의 형상, 사용환경 등에 따라 달라진다. 기계를 사용하다 보면 설계할 때 예상하지 못했던 큰 하중이 작용하거나 재료를 파손시킬 수 있는 여러 요인이 발생할 수 있다. 이런 것을 보충하기 위하여 기계가 충분한 안전여유를 가지도록 설계하여야 한다. 눈바닥 여유를 크게 잡으면 부품의 크기가 커지게 되고 재료비 및 가공비가 증가하여 경제성이 떨어진다. 그러므로 적절한 안전여유를 가져야 하는데, 안전여유의 정도를 안전율이라 하며 사용하는 재료의 기준강도와 허용응력의 비로 표시한다. 안전율은 여러 가지 인자를 고려하여 각각의 경우에 대하여 결정되는 문제이므로 일반적으로 통용되는 값을 경정한다는 일은 매우 어려운 일이다. 실제로는 경험에서 얻은 안전율을 사용하는 경우가 많다. 



각종 기계에 사용되고 있는 기계요소들의 치수와 형상을 표준화 또는 규격화하여 통일시켜 놓으면 정밀도와 생산성이 놀아질 뿐만 아니라 값이 싸지고 제품의 교환도 편리해진다. 이처럼 표준화는 기계 부품은 물론이고 일반 공산품의 재료, 성능, 피소, 시험 검사법 등 광범위하게 적용되고 있다. 제품의 규격 통일과 표준화는 선진 각국에서는 오래전부터 제정되어 왔으며, 우리나라에서도 1962년 상공부 산하 공업진흥청에 표준국이 신설되어 기계요소를 비롯하여 각 방면으로 한국공업규격을 제정, 3년마다 공업계의 현황에 맞도록 재검토 개정하도록 하였다. 교통수단의 발단과 경제 규모의 확대에 따라 지역 사이뿐만 아니라 국가 사이에도 인적 및 물적 교유가 활발해지게 되었다. 이에 따라 제품의 생산 및 관리 유지비용을 줄이기 위하여 제품의 호환성이 매우 필요하게 되었다. 이 호환성을 높이기 위하여 1928년 국제적 표준화 기구인 ISA(International Federation of the Ntional Standardizing Association)가 설립되어 공산품 규격의 국제적인 표준화를 시도하였다. 그러나 제2차대전이 발발함과 동시에 그 기능이 정지되었다. 그 후 1949년에 ISA 대신 국제표준기구인 ISO(International Organization of Stanardization)가 설립되면서 국제적인 각종 표준 규격을 제정하였다.