크리프

왜 배우는가: 크리프는 고온 설비 재료 문제의 기본 틀이 되는 개념이므로, 크리프 곡선의 세 구간과 크리프 한도의 의미를 정확히 알아야 답안을 세울 수 있다. 설계 기준을 2차 크리프로 잡는 이유도 이 개념 위에서 이해된다. 응력 완화와 크리프 파단 같은 연관 현상도 같은 구조로 정리된다.

출제 이력: 제117회 2교시 4번, 제95회 1교시 6번, 제89회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

크리프는 재료에 일정한 하중이 가해진 상태에서 시간이 지남에 따라 변형이 계속 누적되는 현상이다.

크리프는 응력이 일정하게 유지되어도 변형률이 시간과 함께 증가하는 현상이다. 금속은 물론 열가소성 플라스틱과 고무 같은 비금속재료에서도 나타나며, 금속은 대개 절대온도 기준 용융온도(Tm)의 절반 이상에서 두드러진다. 크리프는 시간, 온도, 응력이라는 세 조건에 따라 거동이 달라지므로 이 세 변수를 함께 설명해야 한다. 답안의 첫 줄에는 정의를 그대로 쓰고, 고온 설비에서 왜 문제가 되는지를 바로 이어 쓴다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 크리프(Creep): 일정한 응력 아래에서 시간 경과에 따라 누적되는 변형
• 크리프 곡선: 변형률과 시간의 관계를 그린 곡선
• 1차 크리프: 천이 크리프라고도 하며 변형률이 점차 감소하는 구간
• 2차 크리프: 정상 크리프라고도 하며 변형률이 거의 일정한 구간
• 3차 크리프: 가속 크리프라고도 하며 변형률이 급격히 커지는 구간
• 크리프 파단: 3차 크리프의 끝에서 일어나는 파괴
• 크리프 한도: 허용 변형을 넘지 않는 응력의 최댓값
• 응력 완화: 변형을 유지할 때 응력이 시간에 따라 줄어드는 현상

2. 개념 풀이

크리프 시험은 특정 온도에서 일정한 인장하중을 시편에 가한 뒤 시간 경과에 따른 길이 변화를 측정하는 시험이다. 시편에는 일정한 공칭응력이 작용하며, 측정한 변형률을 시간에 대해 그린 그래프가 크리프 곡선이다. 크리프 곡선은 응력을 일정하게 둔 채 변형이 시간에 따라 어떻게 진행하는지를 보여 주는 그래프이다.

금속의 고온 크리프는 일반적으로 결정립계에서의 미끄럼 운동으로 설명된다. 고온에서는 원자의 확산이 활발해져 결정립계의 미끄럼과 빈자리(공공)의 이동이 진행되고, 그 결과 응력이 일정해도 소성 변형이 계속 누적된다. 온도와 하중이 커질수록 크리프 속도가 증가하므로, 같은 재료라도 사용 온도와 작용 응력에 따라 수명이 달라진다. 크리프는 보통 0.5Tm 부근에서 시작한다고 알려져 있다. 크리프를 피할 수 있는 안전 온도는 0.3Tm 이하로 본다. 0.5Tm 이하에서 시작하는 크리프는 저온 크리프로 따로 구분하는데, 이때는 확산이 크게 진행되지 않아 확산 지배가 아닌 다른 기구가 작용한다.

크리프 곡선은 세 구간으로 나뉜다. 1차 크리프는 천이 크리프라고도 하며, 초기 변형 이후 변형률 증가가 점차 둔화되는 구간이다. 이 구간에서는 변형 자체로 재료의 저항이 커지므로 변형률이 줄어든다. 2차 크리프는 정상 크리프라고도 하며, 변형률이 거의 일정하게 유지되는 구간이다. 이는 변형 경화로 생긴 저항과 열에 의한 회복이 균형을 이루기 때문이다. 응력과 온도가 높을수록 변형률이 커지며, 곡선의 모양도 하중과 온도에 크게 좌우된다.

설계에서는 변형 속도가 거의 일정한 2차 크리프를 기준으로 삼는다. 그 이유는 이 구간에서 크리프 속도가 거의 일정해 실험값의 신뢰성이 높고 해석이 쉽기 때문이다. 3차 크리프는 가속 크리프라고도 하며, 보이드 생성과 균열 확대 같은 조직 변화로 변형률이 급격히 커져 파단에 이르는 구간이다. 이때 일어나는 파괴를 크리프 파단이라 한다.

크리프 한도는 일정 한계 이하의 응력에서는 변형이 더 증가하지 않는 응력의 최댓값이다. 예를 들어 100,000시간 1% 변형을 일으키는 응력을 그 온도에서의 크리프 한도로 본다. 크리프 한도는 온도에 따라 달라지며, 고압·고온 보일러와 과열기 재료에서 특히 중시된다.

응력 완화는 크리프와 밀접한 관계가 있다. 변형된 상태를 유지하는 동안 작용 응력이 시간이 지나며 점차 감소하는 현상이다. 크리프는 일정한 응력 아래에서 변형이 늘어나는 현상이고 응력 완화는 일정한 변형 아래에서 응력이 줄어드는 현상이어서, 두 현상은 서로 대응하는 관계에 있다.

3. 등장 배경과 필요성

고온에서 장시간 하중을 받는 설비는 상온에서 측정한 강도만으로 설계할 수 없다. 응력이 일정하게 작용해도 시간이 지나며 변형이 누적되어 결국 파손에 이르기 때문이다. 보일러와 과열기, 고압 증기관, 가스 터빈 블레이드, 제트 엔진, 로켓 엔진 부품, 핵연료용 부품처럼 고온에 노출되는 기계 부품은 이 문제가 특히 크다. 이러한 부품에서 크리프는 설계와 해석 단계에서 반드시 고려해야 하는 현상이다. 설계에서 크리프는 사용 기간 동안 허용하는 누적 변형을 정해 두고, 그 한도를 넘지 않도록 응력과 온도 조건을 제한하는 방식으로 다룬다.

크리프 문제가 고온 설비에만 한정되는 것은 아니다. 납처럼 녹는점이 낮은 재료는 실온에서도 현저한 크리프 변형이 발생한다. 단조나 압출에 쓰는 공구도 높은 열과 응력을 받으므로 크리프를 고려해야 한다.