연성파괴와 취성파괴
연성재료의 특징으로는 상온에서 항복이 발생하고 상당한 변형량을 가질 수 있다는 점입니다. 연강은 실온에서 정적하중을 가하면 커다란 소성변형을 일으킨 후에파단됩니다. 이와 같이 소성 변형을 동반한 파괴를 연성파괴 (ductile fracture)라고 합니다. 연성파괴에서는 외력을 증가하지 않는 한 균열은 성장하지 않습니다.
이것은 균열의 성장에 커다란 소성변형의에너지를 필요로 하기 때문입니다. 따라서 연성파괴는 갑자기 일어나지 않으므로 실요상 취성파괴 보다 안전하다고 할 수 있습니다. 가장 대표적인 연성파괴의 예는 금속재료의 인장 시험에서 관찰되는 인장시편의 cup-cone fracture 입니다. 다음 그림은 대표적인cup-cone fracture의 예입니다. 인장 시험에서 연성파괴는 다음과 같은 단계로 일어나며 도식적으로는 다음 그림과 같이 나타낼 수 있습니다.
<연성파괴 형상>
1) 최대인장 하중에 도달한 후 소성변형이 시편의 국부적 영역에 집중하여 네킹(necking)이 형성되는 단계
2) 국부적 수축 영역에서 제2상의 불순물을 중심으로 미소 공동(void)이 형성되는 단계
3) 이러한 공동이 성장 또는 합체하여 균열이 형성되는 단계
4) 균열이 표면까지 성장 또는 합체 되는 단계
5) 균열이 인장축과 45도를 이루는 방향에서 표면까지 전파하여 최종 파단을 가져오는 단계
<연성파괴 형성과정>
취성파괴(brittle fracture)는 균열이 발생하여 소성변형이 거의 수반되지 않고 매우 빠른 속도로 균열의 전파가 일어나는 파괴를 말하며 실제 구조물이나 기계부품에서 매우 위험한 결과를 초래한 게 됩니다. 일반적으로 취성파괴를 일으키는 대표적인 재료는 소성변형이 거의 없는 유리와 세라믹 등과 같은 재료를 들 수 있습니다. 또한 표면의 결정립 크리를 조사해야 하는데 큰 결정립은 취성을 띠는 재료의 한 특징입니다.
재료의 결정립이 미세하다고 그 재료가 항상 연성을 대는 것은 아니지만, 큰 결정립은 작은 결정립에 비하여 항성 취성 파괴의 경향이 큽니다. 취성파괴면의 특징은 일반적으로 벽개면(cleavage plane)이라고 하는 특정한 결정면을 따라 파괴가 일어나며 소성변형이 거의 수반되지 않기 때문에 파면이 광택을 띠게 됩니다.
그리고 이런한 겹개면들이 벽개계단을 통하여 서로 연결되어 전체적인 파면을 관찰해 보면 물의 흐름모양(river patterm)을 형성하게 되는데 이것을 따라가면 균열성장방향과 일치하게 되어 파괴의 진행과정을 분석하는데 유용하게 이용됩니다.
정적 파손 이론(Static Failure Theories)
“기계나 구조물의 부품은 왜 파손되는가?”
이 문제는 수세기 동안 과학자와 공학자들이 품어온 질문입니다. 오늘날에는 몇십 년 전보다 다양한 파손 기구가 더욱 많이 알려졌는데, 이는 실험과 측정 기술의 분야에서 대단한 발전이 있었기 때문이다. 만약 앞의 질문을 받는다면 지금까지 배워온 것을 기초로 하여 아마도“부품의 파손은 부품의 강도를 초과한 응력 때문이다.”라고 말할 것이고, 그 점이 올바른 답변이 될 것입니다. 하지만, 우리는 다양한 응력에 대해 알고 있습니다.
즉, 부품의 파손을 유발하는 응력이 인장 응력, 압축 응력, 전단응력인지 명확하게 구분하기가 어렵습니다. 어떤 종류의 응력이 파손을 일으키는지는 상황에 따라 다르며, 재료와 이에 관계된 압축, 인장, 전단강도에 달려 있습니다. 또한 하중의 특성(정적, 동적이든)과 재료의 균열(crack)의 유무에 달려있는 경우도 많습니다.
오른쪽 그림의 Tension항목의 그림은 인장시편에서의 응력상태를 Mohr선도로 나타낸 그림입니다. 인장시험은 부품에 순수 인장하중이 천천히 작용하여 인장응력, 즉 수직응력(normal stress)을 발생시킵니다. 그러나 Mohr선도는 전단응력 또한 존재하는 것을 보여주고, 그 크기가 정확하게 수직응력 크기의 절반을 나타내고 있습니다.
부품을 파손시키는 응력은수직응력인가? 전단응력(shear stress)인가?오른쪽 그림의 Torsion항목은 비틀림 시편에서의 응력상태를 Mohr선도로 나타낸 그림입니다. 비틀림 시험은 순순 비틀림 하중이 부품에 천천히 작용하여 전단응력을 발생시킵니다. 그러나 Mohr원은 수직응력 또한 존재하는 것을 보여주고, 그 크기는 정확하게 전단응력과 같은 것으로 나타나고 있습니다.
부품을 파손시키는 응력은 수직응력인가? 전단응력인가?일반적으로 정적 인장하중하에서 연성재료들은 재료의 전단강도에 의해 파손한도가 결정되는 반면, 취성재료는 재료의 인장강도에 의해 파손한도가 결정됩니다. 두 부류의 재료, 즉 연성재료와 취성재료에 대해 서로 다른 파손이론이 필요합니다. 연성과 취성의 구분은 몇 가지 방법으로 결정할 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 파단시까지 재료의 연신율이 5%보다 크면연성으로 판단할 수 있습니다. 대부분의 연성재료는 파단시까지 연신율이 10%보다 큰 경우가 많습니다.
무엇보다 파손에 대한 정의를 주의해야 합니다. 부품이 만약 항복하거나 적절히 기능할 수없도록 충분히 비틀려지면 파손될 수 있습니다. 또한 부품이 파단이나 분리에 의해 파손될 수도 있습니다. 이런 상태는 모두 파손이지만 그 메커니즘(파손 기구)은 매우 다르게 일어납니다. 연성재료만이 파단되기 전에 항복이 일어납니다. 취성재료는 큰 형상의 변화 없이 파단으로 진행됩니다.
또 파손에서 다른 중요한 인자는 정적이냐 동적이냐 하는 하중의 특성입니다. 정적 하중은 서서히 작용하고 본질적으로 시간에 따라 변하지 않습니다. 동적 하중은 갑자기 작용(충격 하중)하거나 시간에 따라 반복적으로 변화(피로하중)하거나 두 가지 모두인 경우입니다. 각 경우에 있어 파손 메커니즘은 상당히 다릅니다. 하중이 동적일 때 연성재료 파손과 취성재료 파손 간의 차이는 불분명하며, 연성재료는 “취성”형태로 파손됩니다.
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