응력비
응력비 R은 반복 하중의 최소 응력 σ_min과 최대 응력 σ_max의 비이다. 이는 평균 응력 상태를 나타낸다: R = -1은 완전 교번 하중, R = 0은 완전 인장 반복 하중을 의미한다. 용접 부재에서는 잔류응력이 국부 R을 높이고 견딜 수 있는 피로 강도를 낮춘다.
물리화학적 작용 메커니즘
반복 하중에서 응력은 상한값 σ_max와 하한값 σ_min 사이를 주기적으로 변동한다. 응력비 R = σ_min / σ_max (부호 포함)는 이 변동이 평균응력 주위에서 얼마나 큰지를 나타낸다. R이 음수이면 응력 방향이 바뀐다(인장-압축 교번). R이 0이거나 양수이면 응력은 인장 또는 압축 영역에 머문다. 같은 응력 진폭에서 R이 커질수록 평균응력은 더 높아진다. 이는 균열 선단의 응력이 덜 완화되기 때문에 피로균열 성장을 촉진한다.
야금학적 관련성 및 용접 위험
용접부는 냉각 후 항복강도에 가까운 높은 인장 잔류응력을 포함한다. 이 잔류응력은 운전 하중과 중첩된다. 따라서 용접부의 국부 응력비는 상당히 높은 쪽으로 이동한다. 부재가 외부적으로 R = -1로 검사되더라도, 임계 용접부는 종종 R ≈ 0.3에서 0.5 범위로 진동한다. 이는 피로한도를 크게 낮춘다. 실제 국부 R을 과소평가하면, 특히 고강도강이나 두꺼운 판재에서 용접 토우부에 조기 균열이 발생한다.
현장 실무 및 조치 지침
응력비는 항상 부재의 실제 하중 이력에서 결정하고, 이상적인 가정에서 구하지 마라. 잔류응력 제거를 하지 않은 용접 구조물의 경우, 외부 하중이 교번하더라도 수명 계산에서 최소 R = 0.5를 적용하라. 용접 토우부를 그라인딩하거나 쇼트 피닝, TIG 후처리로 국부 인장응력 피크를 줄여라. 이렇게 하면 평균응력과 유효 R이 낮아진다. 중요 부품에서는 잔류응력을 X선 회절법이나 구멍뚫기법으로 측정하여 실제 R을 결정하라.