재료의 파괴 (failure)

10.1 재료의 파괴란 ?

재료의 융점보다 낮은 온도에서 정적 응력을 가함으로써 물체가 두 조각 이상으로 나누어지는 것으로 정의되는데, 응력을 가했을때 물체가 망가지는 것을 관찰한 것이다. 이에 관련된 다른 용어들이 더 있는데 정리하고 넘어가자면

 

1. 파괴 (Fracture) -> 정적응력에서 망가지는 것

2. 피로 (Fatigue) -> 동적인(cyclic) 상황에서 망가지는 것

3. 크리프 (Creep) -> 높은 온도에서 망가지는 것

 

파괴는 크게 2가지로 나누어지는데 바로 연성파괴(ductile fracture)와 취성파괴(brittle fracture)이다. 앞 포스팅에서 다룬 바와 같이 연성은 파괴가 일어날 때 까지 변형되는 정도인데, 취성은 변형이 일어나지 않고 바로 파괴되므로 연성과 거의 반대의 개념이다.

 

10.2 연성파괴 (Ductile)

연성이 큰 재료의 파괴는 단면적이 점이 될때까지 파괴되지 않고 첨단을 이룬다. 연성파괴는 대체로 진전하는 균열 주의에 상당한 소성변형이 일어난다. 또한 대체로 천천히 진행하는데 이를 두고 안정된(stable) 균열 이라고 표현한다. 대체로 금속과 폴리머에서 연성파괴 성질이 많이 나타난다.

연성파괴의 단계 (균열생성->균열전파)

10.3 취성파괴 (Brittle)

취성파괴는 소성변형이 거의 없이 매우 빠르게 진행한다. 균열의 진전방향이 인장방향에 수직이며 단면은 대체로 평평하게 구성된다. 또한 대체로 빠르게 진행하는데 이를 두고 불안정한(unstable)  균열 이라고 표현한다. 대부분의 취성재료의 균열은 특정 결정면을 따라 원자간의 결합이 연속되며 진행되는데 이를 벽계(cleavage)파손이라고 한다.

 

10.4 파괴역학의 기본

물질에 응력이 작용할 때 파괴가 일어나기 직전 항상 균열이 발생하는데, 이러한 작은 균열들은 결함 주의에서 응력을 증폭시키므로 응력 상승자(stress raiser)라고 한다. 이런 균열에 대해 수학적으로 해석할 수 있는데

 

 

10.5 파괴인성실험

재료의 파괴 특성을 실험하기 위해 충격파괴실험법이 사용되는데 극단적인 충격을 줌으로서 재료가 파괴를 일으킬때 까지 흡수하는 에너지를 추정하는 방법이다. 

이러한 파괴 인장실험을 통해 재료가 흡수하는 에너지의 정도를 알 수 있는데, 고강도 금속에서는 충격에너지가 매우 작아 취성의 특성을 가지고 저강도 금속에서는 충격에너지가 커서 연성의 특성을 가지게 된다. 이때 어떤 금속은 온도가 늦을때는 취성, 온도가 높을때는 연성의 성질을 보이는데 이는 매우 중요한 특징이다. 

특히 BCC의 저강도 금속에서 주로 이런 거동을 보여주는데, 역사적으로 중요한 사건에 많이 연결되어 있다. 세계 2차대전때 선박이 갑자기 반으로 갈라지는 사건이 발생하는데, 이 이유가 상온에서 연성 특징을 가지는 BCC 금속이 선박이 주로 활동하는 바다에서 온도가 낮아짐에 따라 취성 특징을 가지게 되어 그런 것이다. 

 

10.6 피로 (fatigue)

피로는 앞서 설명한 바와 같이 동적인 응력을 받는 구조물에서 나타나는 파괴로 항복, 인장 한계보다 낮은 힘을 받음에도 파괴가 일어난다는 위험한 특징이 있다.

피로 측정 방법과 결과 그래프

피로 실험을 통해 얻은 결과에서 2가지 상황이 존재하는데, 피로한계가 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우로 나뉜다.

피로한계는 S-N곡선이 수평으로 변하며 어느 지점 이하로는 파괴가 일어나지 않는 것을 의미한다. 

위의 Al에서 빨간색으로 나타낸 것은 피로강도(fatigue strength)인데 특정 사이클에서 선을 그어 응력을 구하면 된다. 피로수명(fatigue life)같은 경우는 반대로 구하면 된다.

 

10.6 크리프 (creep)

앞서 설명했듯 고온에서 정적인 기계적 하중을 받는 경우이다. 일정한 하중이나 응력을 받는 재료의 시간당 의존성 영구 변형으로 정의한다.  보통 금속에서 0.4Tm (melting point)이상에서 나타난다.