금속의 파괴 형태(취성·연성·피로·크리프)

핵심 정리

금속의 파괴 형태는 재료가 받는 하중의 종류와 온도 조건에 따라 나뉜다. 반복응력에 의해 정하중 파단응력보다 낮은 응력에서 생기는 파괴는 피로파괴이다. 고온에서 정하중을 받아 시간이 지나며 변형이 커지는 파괴는 크리프 파괴이다. 파괴 형태를 가르는 기준은 하중이 반복되는지, 고온에서 장시간 하중이 걸리는지, 그리고 파괴에 이르기까지 소성변형이 얼마나 동반되는지다. 이 세 기준을 나눠 보면 네 가지 파괴 형태가 서로 섞이지 않는다.

크리프는 시간이 기준이 되는 파괴 형태라는 점에서 피로와 구분된다. 고온에서 일정한 하중이 장시간 작용할 때 변형이 시간에 따라 서서히 커지는 현상을 크리프라 한다. 크리프의 진행 정도는 시간에 대한 변형률의 변화율로 재며, 이것을 크리프 속도라 한다. 크리프 속도는 온도와 작용 응력이 높을수록 커진다. 온도·응력 높을수록 속도 증가 따라서 고온과 높은 응력이 함께 걸리는 부품은 변형이 빠르게 진행되는 조건에 놓인다.

재료의 인성은 파괴 형태를 판단할 때 중요한 기준이다. 인성이 큰 재료는 외력을 받아도 쉽게 파괴되지 않는다. 그러므로 같은 외력이라도 재료의 인성에 따라 파괴 여부와 파괴 형태가 달라질 수 있으며, 시험 결과를 해석할 때는 재료의 인성과 하중 조건을 함께 본다.

기계 부품을 설계할 때는 파괴 형태에 따라 기준으로 삼는 강도가 달라진다. 반복 하중에 파단되지 않고 견딜 수 있는 최대 응력은 피로 강도이고, 일정 온도에서 규정 시간 동안 규정 변형을 일으키는 응력은 크리프 강도이다. 피로 강도와 크리프 강도 구분 두 강도를 구분하지 않으면 고온 부품의 기준을 잘못 잡게 된다.

같은 부품이라도 하중이 반복되는지, 고온에서 장시간 작용하는지에 따라 적용할 기준이 달라지므로 파괴 형태를 먼저 가려야 한다. 크리프 해석은 시간에 따른 변형을 다루는 만큼, 짧은 시간의 정적 하중을 다루는 해석과는 범위가 다르다.

자세히

피로 시험과 피로 수명

피로시험은 반복하중으로 시험편을 파단시키는 파괴시험이다. 시험편이 끝내 파손되는 순간까지 가해진 반복 횟수를 세므로, 시험 결과는 응력의 크기와 반복 횟수의 관계로 나타난다. 피로 수명은 시편의 파손을 일으키는 데 필요한 반복 응력 사이클 수다. 같은 재료라도 응력 조건에 따라 피로 수명이 달라지므로, 수명을 비교할 때는 응력 조건을 함께 맞춰야 한다. 결과를 해석할 때는 파단까지 걸린 반복 횟수를 응력과 함께 기록하고, 두 값을 함께 보고 수명을 판단한다.

피로 수명을 늘리는 방법으로는 표면 처리가 쓰인다. 숏피닝으로 재료 표면에 압축잔류응력을 남기면 피로 수명을 늘릴 수 있다. 표면 근처에 압축 상태를 만들어 두면 반복 인장 응력이 걸려도 균열이 열리기 어려워진다는 점에서 이해할 수 있다. 반대로 반복 응력의 평균값이 클수록 피로 수명은 줄어든다. 숏피닝은 표면의 잔류응력 상태를 바꾸는 처리이고, 평균 응력은 작용하는 하중 조건이므로 두 요인의 성격이 다르다. 설계 단계에서는 평균 응력을 낮추는 쪽과 표면 상태를 개선하는 쪽을 함께 검토한다.

크리프 시험과 측정

크리프 시험은 일정한 온도에서 하중을 가해 시간에 따른 변형을 측정하는 시험이다. 여기서 측정하는 대상은 순간적인 변형이 아니라 시간이 지나며 누적되는 변형이므로, 시험 시간이 길어질수록 결과의 의미가 커진다. 경도시험이 압입 자국으로 재료의 저항을 순간에 보는 것과 달리, 크리프 시험은 같은 하중이 걸린 상태에서 변형이 어떻게 변하는지를 본다. 측정한 변형을 시간에 대해 따라가면 변형의 진행 상태를 읽을 수 있다. 시험 조건인 온도와 하중을 고정해 두는 것이 결과를 비교하는 전제가 된다.