왜 나사의 풀림이 볼트의 피로 파괴로 이어지는 걸까?

왜 나사는 풀리는 걸까？ 에도 기재하였습니다만, 나사 체결체의 초기 축력 저하(풀림)는 볼트의 파괴로 이어질 가능성이 높다고 할 수 있습니다.
볼트의 파괴 원인은 다양하지만 그 중에서도 90% 이상이 피로에 의한 파괴로 알려져 있습니다.

나사의 피로와 피로 시험에 대해

재료의 피로에 대한 강도를 조사하는 시험을 피로시험이라고 하며 나사의 피로에 관해서는 나사부품의 피로시험으로 KS 혹은 JIS(*1)에 정의되어 있습니다.
이 나사의 피로 시험에서는 여러 가지 응력진폭 하에서 볼트가 파괴될 때까지 반복을 실시합니다.
이 실험 결과에 대해 반복횟수(Number)의 대수를 가로축, 응력진폭(Stress)을 세로축으로 취한 S-N선도(곡선)라 불리는 그래프를 작성합니다.
응력 진폭이 어느 값 이하가 되면 아무리 반복해도 파괴를 일으키지 않고 곡선이 수평이 되는 곳이 있습니다.
이 곡선이 수평이 되는 한계의 응력을 피로강도(피로한도)라고 부릅니다.

*나사부품의 피로시험방법은 ISO 3800(Threaded fasteners−Axial load fatigue testing−Test methods and evaluation of results) 에 시험에 사용하는 지그의 형상치수 및 데이터 정리 법에 이르기까지 세밀하게 규정되어 있습니다.

나사체결체에 작용하는 외력 및 내력의 관계에 대하여

나사체결체(관통구멍이 있는 적어도 2개의 피체결부재를 겹쳐서 한쪽 구멍에서 볼트를 관통시켜 다른 쪽 구멍에서 나온 볼트의 선단을 너트로 삽입한 것)에 축방향의 외력이 작용하면 볼트축에 인장력(내력)이 유지되며 볼트 축력이 증가하는데, 이 관계를 나타낸 그림이 ‘체결 다이어그램’ 이라고 합니다.

*체결 다이어그램이란
볼트의 인장력과 신장의 관계 그래프(a)와 피체결체의 압축력과 수축 관계 그래프(b)
를 합친 그래프가 체결다이어그램(c) 입니다. 세로축은 볼트축력과 피 체결체에 드는 압축력의 변위, 가로축은 볼트의 신장과 피체결체 압축의 변위를 나타냅니다.

볼트축 방향으로 피체결체를 떼어 내듯이 외력이 가해지면 볼트 및 피체결체에 작용하는 힘은 외력의 일부가 볼트 축력의 증가분으로 작용하고(내력), 나머지 외력은 피체결체의 압축력 감소분으로 작용합니다.

따라서 나사체결체에 외력이 반복 가해졌을 때, 볼트 축력의 증가분(내력)이 볼트의 피로도 이하이면 볼트가 파괴되지 않는 것으로 알려져 있어 일반적으로 적절한 설계로 여겨집니다.
반대로 이 내력이 볼트의 피로도도를 초과할 수 있으면 볼트가 피로도 파괴될 가능성이 높다고 할 수 있습니다.

*볼트체결 선도

１） 안전한 나사체결체 상태
나사는 풀리지 않고 초기 축력이 유지(외력에 의해 피체결체가 유리되지 않을 경우)
내력＜볼트의 피로 한도
⇒ 볼트가 피로파괴 일어날 가능성 낮음

２）위험한 나사체결체 상태
나사가 풀려서 초기 축력이 저하됨/초기 축력 자체가 낮음
내력 > 볼트의 피로도
⇒ 볼트가 피로 파괴 일어날 가능성 높음

나사 체결체에 반복 외력이 가해짐 → 나사가 느슨해지면서 초기 축력이 저하됨과 동시에, 피체결체의 압축력이 상실됨 → 피체결체가 유리(遊離)시작 → 볼트의 축력 증가분(내력)이 증대 → 초기 축력 + 내력(축력 증가분)이 피로 한도를 초과 → 볼트가 예기치 않은 사용빈도에 파손됨

* 외력에 의해 피체결체간의 접합면이 유리되어 있을 경우에는 볼트축력은 외력과 그자체의 힘을 받습니다만, 유리되어 있지 않을 경우에는 외력이 볼트에 일부만 부가됩니다. 이것이 나사 체결체의 크나큰 장점입니다.(그 일부분의 내력을 산출하는 계수가 내력계수라고 하며, 내력=외력×내력계수입니다.)

하드록 공업 실험결과 단계별 축력이 저하된 것을 예측하여 피로시험을 실시

(초기 축력 저하에 따른 내력 증대를 상정)

시험 볼트: M16 × 2.0 강도 구분 5.8의 용융 아연도금 포함 볼트
나사의 피로도 추정치(50% 파괴확률 상당의 피로도) 71MPa

설정조건: 초기체결력(초기축력)을 항복응력의 70%(280MPa)로 설정
응력진폭을 10, 20, 30, 40, 50, 60MPa로 단계적으로 올려서 실험을 한다.
고로 ➡ 설정 초기 축력 저하 ▲ 7 % ▲ 14 % ▲ 29 % ▲ 36 % ▲ 43 % 가됨

실험결과 : 응력진폭 10MPa 즉 초기축력이 7% 저하이면 볼트는 피로파괴하지 않지만 초기축력이 14%이상 저하되면 볼트의 피로파괴가 발생합니다.