반응형
재료의 파괴 메커니즘을 이해하는 것은 제품의 설계와 안전성 보장에 매우 중요합니다. 파괴메커니즘은 연성파괴(Ductile), 취성파괴(Brittle) 또는 환경파괴(Environmental Cracking)로 보통 세 가지로 분류됩니다. 연성파괴는 파괴 전 변형이 일어나며, 취성파괴는 변형 없이 급격한 파괴가 이루어집니다. 환경파괴는 일정 환경조건에서 저속균열성장(SCG)과, 환경균열성(ESC)을 나타냅니다.
이번 포스팅에서는 연성파괴, 취성파괴, 그리고 환경파괴에 대해 알아보겠습니다.
1. 연성파괴 (Ductile fracture)
가. 개요
- 연성파괴(Ductile Fracture)는 재료가 파괴되기 전에 현저한 변형을 겪는 파괴 형태를 말합니다. 연성 재료는 큰 변형을 견딜 수 있는 능력이 있어, 파괴가 일어나기 전 재료가 늘어나거나 구부러지는 등의 변형이 관찰됩니다. 이는 취성파괴와는 달리 파괴 전에 경고 신호를 제공하므로 상대적으로 안전하다고 여겨집니다.
나. 특징
- 큰 변형: 파괴가 일어나기 전에 재료가 상당히 변형되며, 일반적으로 늘어나는 현상이 나타납니다.
- 고에너지 흡수: 연성 재료는 충격을 견디면서 많은 에너지를 흡수합니다. 이로 인해 파괴되기까지 더 많은 시간이 걸리며, 균열이 천천히 진행됩니다.
- 점진적 균열 확산: 균열이 발생하더라도 느리게 진행되며, 파괴 전에 육안으로 변형을 확인할 수 있습니다.
다. 파괴과정
- 항복 (Yielding): 외부 힘이 가해지면 재료는 탄성 범위를 벗어나 항복하게 되며, 이 시점에서 영구 변형이 시작됩니다.
- 넥킹 (Necking): 연성 재료가 계속해서 늘어나면 특정 부분에서 단면적이 줄어드는 현상이 발생합니다. 이 부분이 가장 약한 지점으로 변하여 파괴가 일어납니다.
- 최종 파괴: 재료는 항복과 넥킹 이후에 균열이 발생하며, 이때 파단면이 거칠고 변형된 형태로 나타납니다.
라. 주요원인
- 재료의 성질: 금, 구리, 알루미늄 등의 연성 금속은 연성파괴를 쉽게 겪습니다. 이러한 금속은 외부 응력 하에서 잘 늘어나고 변형됩니다.
- 온도의 영향: 고온에서 금속의 연성이 증가하므로, 연성파괴가 발생할 가능성이 커집니다.
- 느린 하중: 하중이 느리게 가해지면 재료는 점진적으로 변형되어 연성파괴가 일어납니다.
마. 연성파괴 사례
- 금속의 연성파괴 : 인장 시험 중 재료의 신축 부분에서 발생하는 파열 : 금속 재료의 연성파괴는 주로 인장 시험 중에 발생합니다. 예를 들어, 강철의 경우 인장시험 중에 시료의 신축 부분에서 길쭉한 형태의 연성 파열이 발생할 수 있습니다.
- 플라스틱의 연성파괴 : 플라스틱 변형 후 발생하는 파열 : 플라스틱 재료의 연성파괴는 보통 재료가 플라스틱 변형 된 후에 발생합니다. 예를 들어 PVC 파이프가 변형된 후에 긴 연성파열이 발생할 수 있습니다.
2. 취성파괴 (Brittle Fracture)
가. 개요
- 취성파괴(Brittle Fracture)는 재료가 파괴될 때 변형 없이 갑작스럽게 부서지는 현상을 말합니다. 이 현상은 주로 금속이나 세라믹 같은 재료에서 발생하며, 충격이나 하중을 받았을 때 작은 변형만을 동반하면서 균열이 빠르게 전파되어 파괴가 일어납니다. 취성파괴는 연성파괴와 달리 경고 없이 발생하기 때문에 위험합니다.
나. 특성
- 갑작스러운 파괴 : 취성파괴는 재료가 갑자기 파괴되는 현상입니다.
- 저변형 : 파괴되지 전에 재료는 거의 변형되지 않습니다. 이는 재료가 외부 힘에 대해 매우 단단하지만 깨지기 쉽다는 것을 의미합니다.
- 파괴양상 : 파괴면은 일반적으로 매끄럽고 평평합니다. 재료 내부의 결합이나 균열이 빠르게 확산되어 파괴됩니다.
다. 주요원인
- 저온 환경 : 재료가 차가워질수록 취성파괴가 발생할 가능성이 높아집니다.
- 재료 내부 결함 : 미세한 균열이나 기포, 불순물이 취성파괴의 원인이 될 수 있습니다.
- 빠른 하중 : 재료에 빠르게 하중이 가해질 때, 변형 없이 파괴가 일어날 수 있습니다.
- 응력 집중 : 재료의 특정 지점에 응력이 집중되면 취성파괴가 발생하기 쉽습니다.
라. 취성파괴 사례
- 유리의 취성파괴 : 유리는 전형적인 취성 재료로 간주됩니다. 유리가 갑자기 충격을 받거나 응력이 발생할 때, 갑작스럽게 파괴되는 것을 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, 창문이 강한 충격을 받아 갑작스럽게 깨지는 것이 취성파괴의 사례입니다.
- 세라믹의 취성파괴 : 세라믹은 고온에서 취성파괴가 발생할 수 있는 재료입니다. 세라믹 제품이 갑자기 파손되는 경우가 취성파괴의 대표적인 사례입니다. 예를 들어, 강화유리로 만들어진 내열식 냄비가 고온에서 사용 중에 갑자기 파괴되는 것이 취성파괴의 사례입니다.
3. 환경파괴 (Environmental Stress Cracking)
1. 개요
- 환경파괴는 재료가 환경요인에 의해 파괴되는 현상을 말합니다. 이는 특정 화학물질, 온도변화, 습도 등 외부 환경조건이 재료의 강도와 내구성에 영향을 미쳐 발생합니다.
나. 특성
- 화학적 영향 : 화학 물질과의 반응이 재료의 구조적 약화를 유발합니다.
- 물리적 영향 : 온도와 습도의 변화가 재료의 성질을 변화시켜 파괴를 촉진합니다.
- 균열 발생 : 작은 균열이 환경 요인에 의해 확대되어 결국 재료의 파괴로 이어집니다.
다. 환경파괴 사례
- 플라스틱 파이프가 특정 화학물질과 접촉하면서 시간이 지나면서 균열이 생기는 경우
- 고분자 재료가 자외선에 장기간 노출되어 노화되고 약해지는 경우
라. 환경파괴 저항성 측정실험
1) 환경 스트레스 크랙 저항성 (ESCR)
- 목적 : 폴리머 재료가 화학물질이나 용매에 노출되었을 때 크랙(균열) 저항성을 평가
- 절차 : 구부린 시편을 특정 화학물질에 노출시킨 상태에서 일정한 응력을 가하고 크랙이 발생하는 시간을 측정
- 응용 : 플라스틱 용기, 파이프, 필름 등 다양한 폴리머 제품의 내구성을 평가
2) 풀 노치 크립 테스트 (Full Notch Creep Test : FNCT)
- 목적 : 폴리머의 저속 균열 성장(SCG) 저항성을 평가
- 절차 : V형 노치를 가진 시편을 일반적으로 고온(예 : 80℃)에서 계면활성제 용액에 샘플을 노출시키고 시간에 따른 변경거동을 관찰
- 응용 : 주로 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 파이프 재료의 장기 성능 평가
3) 가속 환경 풀 노치 크립 테스트 (Accelerated Full Notch Creep Test : aFNCT)
- 목적 : 폴리머의 저속 균열 성장(SCG) 저항성을 가속된 조건에서 평가
- 절차 : FNCT와 동일한 원리를 따르지만 더 높은 온도나 더 강한 화학약품 등을 사용하여 시험 속도를 높입니다.
- 응용 : 주로 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 파이프 재료의 장기 성능 평가하고, 파이프의 수명과 신뢰성을 예측
4) 산화유도시간 (Oxidation Induction Time : OIT)
- 목적 : 폴리며 재료의 산화 안정성을 평가
- 절차 : 시편을 고온의 산화 환경에 노출시키고 산화가 시작될 때까지의 시간을 측정
- 응용 : 고온 환경에서 사용되는 플라스틱, 고무 등의 내구성 평가
5) 자외선 노출 시험 (UV Exposure Test)
- 목적 : 자외선(UV) 노출에 대한 재료의 저항성을 평가
- 절차 : 시편을 자외선에 노출시키고, 변색, 강도 저하 등의 변화를 관찰
- 응용 : 실외 사용 재료, 플라스틱 필름, 코팅재료 등의 UV 저항성 평가
6) 열 노화 시험(Thermal Aging Test)
- 목적 : 고온 환경에서 재료의 장기 성능을 평가
- 절차 : 시편을 높은 온도에서 장기간 노출시키고, 물리적 및 기계적 특성 변화를 관찰
- 응용 : 고온 환경에서 사용되는 플라스틱, 고무 등의 내구성 평가
7) 노치드 콘스탄트 로드 스트레스 (Notched Constant Load Stress, NCLS)
- 목적 : 폴리며, 특히 HDPE와 같은 재료의 저속 균열 성장(SCG) 저항성을 평가
- 절차 : 표준화된 시편에 노치를 만들고 일정한 하중을 가한 상태로 환경조건에서 시험을 수행, 균열이 발생하여 파괴될 때까지 시간을 측정\
- 응용 : 파이프, 압력 용기 등 장기적 스트레스 조건에서 사용되는 폴리머 재료의 장기 신뢰성 평가
8) CRB TEST (Cracked Rounded Bar Test)
- 목적 : 플라스틱의 저속균열성장(SCG : Slow Clact Growth)에 대한 저항성을 결정, 이미 발생한 균열이 성장하는 여부를 평가하는 균열의 진전 저항성을 평가
- 절차 : 플라스틱 재료의 저속균열성장이 이루어지는 응력 범위 내에서 원통형 시편에 일정한 하중범위를 갖는 반복 인장 가하며, 시편은 균열이 성장할 수 있도록 시편 중앙에 원주형 노치를 가공함, 시험방법은 ISO 18489 - Polyethylene(PE) materials for piping systems - Determination of resistance to slow crack growth cyclic loading - Cracked Round Bar test method에 따름
- 응용 : 파이프, 압력 용기 등 장기적 스트레스 조건에서 사용되는 폴리머 재료의 장기 신뢰성 평가
반응형