취성
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1. 개요
취성은 탄성 변형 한계를 넘는 응력으로 인해 고체 재료의 원자 결합이 파괴되어 발생하는 현상으로, 유리의 파괴가 대표적이다. 이는 소성 변형 후 파괴되는 연성과 대비된다. 재료의 응력 상태와 온도에 따라 취성 파괴와 연성 파괴가 발생하며, 일반적으로 온도가 낮고 응력 집중이 심할수록 취성 파괴가 일어나기 쉽다. 취성 파괴는 고분자, 금속, 세라믹 등 다양한 재료에서 나타나며, 재료의 인성을 향상시키기 위해 입자 크기 감소, 잔류 응력 제어, 복합 재료 사용 등의 방법이 사용된다.
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| 취성 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 고체 재료가 상당한 소성 변형 없이 응력 하에서 파괴되는 경향 |
| 설명 | 재료가 변형될 때 미세한 틈새가 생기고, 이러한 틈새가 응력 집중을 유발하여 파괴로 이어짐. 일반적으로 재료의 인장 강도보다 낮은 응력 수준에서 발생 |
| 특징 | |
| 파괴 양상 | 파괴 시 변형이 거의 없거나 전혀 없음 |
| 파괴 면 | 파괴 면이 거칠고 불규칙함 |
| 에너지 흡수 | 파괴 시 에너지 흡수량이 적음 |
| 파괴 속도 | 파괴가 빠르게 진행됨 |
| 취성 파괴의 원인 | |
| 재료의 결함 | 재료 내부에 존재하는 균열, 기공, 불순물 등이 응력 집중을 유발하여 취성 파괴를 촉진 |
| 온도 | 온도가 낮아지면 재료의 연성이 감소하고 취성이 증가하여 취성 파괴가 발생하기 쉬움 |
| 응력 상태 | 재료에 작용하는 응력의 종류와 크기에 따라 취성 파괴가 발생할 가능성이 달라짐 |
| 결정 구조 | 재료의 결정 구조에 따라 취성 파괴에 대한 저항성이 달라짐 |
| 취성 재료의 예시 | |
| 세라믹 | 세라믹은 일반적으로 취성이 강함 |
| 유리 | 유리는 대표적인 취성 재료임 |
| 일부 금속 | 특정 조건 하에서 일부 금속도 취성 파괴를 일으킬 수 있음 예: 저온에서의 강철, 용접부 |
| 취성 파괴 방지 대책 | |
| 재료 선택 | 사용 환경과 응력 조건을 고려하여 적절한 재료를 선택 |
| 설계 개선 | 응력 집중을 최소화하는 설계를 적용 |
| 표면 처리 | 재료 표면에 압축 응력을 가하여 균열 발생을 억제 |
| 온도 관리 | 저온 환경에서의 사용을 피하고, 필요한 경우 적절한 온도 유지 |
| 품질 관리 | 재료의 결함을 최소화하기 위한 엄격한 품질 관리 |
2. 취성 파괴
취성 파괴는 탄성 변형 한계를 넘어선 힘을 받을 때, 원자 간 결합이 끊어지면서 발생하는 파괴 현상이다. 유리의 실온 파괴가 대표적인 예시이다. 소성 변형을 동반하는 연성 파괴와 달리, 취성 파괴는 상대적으로 적은 에너지를 흡수하며 빠르게 진행된다.[1]
금속 재료에서는 전위의 축적에 의해 마이크로보이드가 발생·합체함으로써 연성 파괴가 발생한다. 연성 파면은 딤플이라고 불리는 구멍이 이어진 복잡한 형상을 나타내고, 취성 파면은 평활한 면(금속 재료에서는 파면 단위 또는 유효 결정립이라고 불린다)이 이어진 형상을 나타낸다.[1]
재료의 일부가 취성 파괴 또는 소성 변형을 일으키면 응력 상태가 바뀌고, 이어서 그 시점의 응력 상태에서 쉬운 쪽으로 취성 파괴 또는 소성 변형이 잇따라 일어난다. 소성 변형이 계속되면, 결국 전위와 같은 격자 결함이 축적되어 마이크로보이드를 생성하고, 연성 파괴에 이르게 된다.[1]
취성 파괴와 연성 파괴를 배타적으로 생각하는 것은 옳지 않다. 재료는 소성 변형 후에도 취성 파괴를 일으킬 수 있다. 일부가 연성 파괴된 후에 응력 상태가 바뀌어 취성 파괴가 쉬워지면, 연성 파면과 취성 파면이 혼재할 수 있다.[1]
2. 1. 특징
취성 파괴는 탄성 변형을 넘어서는 응력에 의해 고체 재료의 원자 결합이 절단되어 발생하는 파괴 현상으로, 유리의 실온에서의 파괴가 대표적이다. 파면은 비교적 평탄하며, 결정립계 또는 특정 결정면을 따라 발생한다. 금속 등의 연성 재료는 힘이 가해지면 원자 (또는 전위와 같은 결정의 불완전 부분)가 이동함으로써 파괴되지 않고 소성 변형(미끄럼 변형, 원자 이동)하지만, 원자가 이동하기 어려운 결합(예: 공유 결합 또는 이온 결합)을 하고 있는 재료는 원자간 결합력을 넘는 힘이 가해지면 분리되어 파괴된다. 연성 파괴에 비해 낮은 변형률에서 발생한다.어떤 재료에서 취성 파괴와 연성 파괴 중 어느 쪽이 발생할지는 재료의 응력 상태와 온도에 크게 의존한다. 일반적으로 온도가 낮을수록, 응력 집중이 심할수록 취성 파괴가 일어나기 쉽다. 즉, 어떤 응력 상태에서 원자 결합이 절단되는 쪽이 더 쉬우면 취성 파괴가, 원자·전위의 이동이 더 쉬우면 소성 변형이 일어난다.
3. 다양한 재료에서의 취성
고분자, 금속, 세라믹 등 다양한 재료에서 취성이 나타나며, 재료의 종류 및 미세 구조에 따라 그 특성이 달라진다.
일반적으로 취성 파괴는 탄성 변형을 넘어서는 응력에 의해 고체 재료의 원자 결합이 절단되어 발생하는 파괴 현상이다. 유리의 실온 파괴가 대표적인 예시이다. 반면, 연성 파괴는 소성 변형이 진행된 후에 파괴에 이르는 현상으로, 금속 재료에서는 전위의 축적에 의해 마이크로보이드가 발생·합체함으로써 발생한다. 연성 파면은 딤플이라고 불리는 구멍이 이어진 복잡한 형상을, 취성 파면은 평활한 면이 이어진 형상을 나타낸다.[1]
금속 등의 연성 재료는 힘이 가해지면 원자가 이동하여 파괴되지 않고 소성 변형하지만, 원자가 이동하기 어려운 결합을 하고 있는 재료는 원자간 결합력을 넘는 힘이 가해지면 분리되어 파괴된다.[1]
어떤 재료에서 취성 파괴와 연성 파괴 중 어느 쪽이 발생하는지는 재료의 응력 상태와 온도에 크게 의존한다. 원자 결합이 절단되는 쪽이 더 쉬우면 취성 파괴가, 원자·전위의 이동이 더 쉬우면 소성 변형이 일어난다. 재료의 일부가 취성 파괴 또는 소성 변형을 일으키면 응력 상태가 바뀌고, 이후 해당 시점의 응력 상태에서 쉬운 취성 파괴 또는 소성 변형이 잇따라 일어난다. 소성 변형이 계속되면, 결국 격자 결함이 축적되어 마이크로보이드를 생성하고, 연성 파괴에 이르게 된다.[1]
취성 파괴와 연성 파괴를 배타적으로 생각하는 것은 옳지 않다. 취성 파괴는 탄성 영역 내에서 발생하지만, 재료는 소성 변형 후에도 취성 파괴를 일으킬 수 있다. 일부가 연성 파괴된 후에 응력 상태가 바뀌어 취성 파괴가 쉬워지면, 연성 파면과 취성 파면이 혼재할 수 있으며, 실제 재료도 그렇다.[1]
수소 취성에 대해서는 해당 항목을 참조한다.
3. 1. 고분자
고분자는 온도에 따라 취성이 크게 달라진다. 낮은 온도에서는 유리처럼 단단하고 부서지기 쉽지만, 온도가 높아지면 점탄성 거동을 보이며 덜 부서지게 된다. 폴리메타크릴산 메틸(PMMA)은 4℃에서 극도로 취약하지만,[1] 온도가 상승하면 연성이 증가하는 대표적인 예시이다.3. 2. 금속
금속의 취성은 전위의 이동, 즉 슬립 시스템의 수와 관련이 있다. 슬립 시스템이 적은 육방 최밀 충전 (HCP) 금속은 일반적으로 취성이 강하다. 이는 금속이 더 많은 전단 변형 시스템을 가질수록 소성 변형이 더 많이 발생하여 덜 취성이 나타나기 때문이다. 반대로 전단 변형 시스템이 적을수록 소성 변형이 적게 발생하여 금속은 더 취성이 된다.3. 3. 세라믹
세라믹은 일반적으로 전위 이동, 즉 슬립이 어렵기 때문에 취성이 있다. 결정질 세라믹에는 전위가 이동할 수 있는 슬립 시스템이 거의 없어 변형이 어렵고 세라믹의 취성이 더 커진다.[1]세라믹 재료는 일반적으로 이온 결합을 나타낸다. 이온의 전하와 동일한 전하를 띤 이온의 반발력 때문에 슬립이 더욱 제한된다.[1]
4. 취성 재료의 강화
재료는 외부 요인에 의해 더 취성이 강해지거나 약해질 수 있다. 재료가 강도 한계에 도달하면 변형되거나 파괴된다. 연성 금속은 입자 크기 감소, 석출 경화, 가공 경화 등의 방법으로 강도를 높일 수 있지만, 이러한 방법이 지나치면 재료가 취성을 띄게 되어 파괴될 가능성이 높아진다.
본질적으로 취성인 재료는 강화하기가 쉽지 않다. 취성 재료의 강화에는 주로 두 가지 파괴 인성 메커니즘이 사용된다. 하나는 전파되는 균열의 끝 부분을 굴절시키거나 흡수하는 것이고, 다른 하나는 균열이 특정 원인에 의해 닫히도록 미리 제어된 잔류 응력을 생성하는 것이다. 적층 유리는 폴리비닐 부티랄의 중간층을 사용하여 성장하는 균열을 흡수하는 첫 번째 원리를 이용한 예시이다.
4. 1. 인성 향상
연성 금속은 입자 크기 감소, 석출 경화, 가공 경화 등 소성 변형을 방해하는 방법을 통해 강도를 높일 수 있지만, 이러한 방법이 지나치면 재료가 취성을 띄게 되어 파괴될 가능성이 높아진다. 따라서 재료의 인성을 향상시키는 것은 균형을 맞추는 과정이다.유리와 같이 본질적으로 취성인 재료는 강화하기 어렵다. 이러한 재료의 인성을 높이는 기술은 주로 두 가지 파괴 인성 메커니즘을 사용한다. 첫 번째는 전파되는 균열의 끝을 굴절시키거나 흡수하는 것이고, 두 번째는 균열이 특정 원인으로부터 닫히도록 잔류 응력을 제어하는 것이다. 적층 유리는 폴리비닐 부티랄의 중간층을 사용하여 성장하는 균열을 흡수하는 첫 번째 원리를 이용한 예시이다. 강화 유리 및 프리스트레스트 콘크리트는 두 번째 방법을 사용한다.
취성 고분자는 금속 입자를 사용하여 크레이즈를 시작함으로써 강화할 수 있는데, 고충격 폴리스티렌(HIPS)이 대표적인 예시이다. 가장 취성이 적은 구조 세라믹은 탄화 규소와 변태 강화 지르코니아이다.
복합 재료는 취성 유리 섬유를 폴리에스터 수지와 같은 연성 매트릭스에 내장하는 방식으로 인성을 향상시킨다. 변형 시 유리-매트릭스 계면에서 균열이 형성되지만, 많은 균열이 에너지를 흡수하여 재료를 강화한다. 금속 매트릭스 복합 재료도 같은 원리로 만들어진다.
4. 2. 잔류 응력 제어
재료 내부에 미리 제어된 잔류 응력을 생성하여 균열이 특정 예측 가능한 원인으로부터 닫히도록 강제하는 방식으로 취성을 제어할 수 있다. 이 방법은 강화 유리 및 프리스트레스트 콘크리트에 사용된다. 루퍼트의 눈물에서 유리를 강화하는 방법에 대한 시연을 볼 수 있다.5. 압력의 영향
일반적으로 재료의 취성 강도는 압력이 증가함에 따라 증가한다. 이는 지각에서 약 10km 깊이의 취성-연성 전이대에서 발생하며, 이 지점에서 암석은 파괴될 가능성이 줄어들고 연성적으로 변형될 가능성이 높아진다(유동성 참조).
6. 균열 성장
초음속 파괴는 취성 재료에서 균열의 움직임이 음속보다 빠른 현상이다. 이 현상은 슈투트가르트에 있는 막스 플랑크 금속 연구소(마르쿠스 J. 뷔엘러 및 가오 화지안)와 캘리포니아주 샌호세에 있는 IBM 알마덴 연구 센터(파리드 F. 아브라함)의 과학자들에 의해 처음 발견되었다.[1]
7. 수소 취성
금속 재료가 수소와 반응하여 취성이 증가하는 현상이다.[1] 수소는 금속 격자 내부에 침투하여 전위 이동을 방해하고, 미세 균열을 생성하여 재료의 파괴를 유발한다.[1] 수소 취성은 발전소, 화학 플랜트, 수소 자동차 등 다양한 산업 분야에서 안전 문제와 직결되므로, 이에 대한 연구와 대책 마련이 중요하다.[1] 특히, 대한민국은 수소 경제 활성화 정책을 추진하고 있어, 수소 취성 문제는 더욱 중요한 과제로 떠오르고 있다.[1]
참조
[1]
서적
Fundamentals of Materials Science and Engineering
Wiley
2015
[2]
웹사이트
オンライン学術用語集検索ページ
http://dbr.nii.ac.jp[...]
文部科学省・国立情報学研究所
2015-11-30
[3]
서적
강구조설계
구미서관
2017
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