취성파괴

취성 파괴

 

취성 파괴는 소성변형이 거의 없이 균열이 매우 빠르게 진전하여 일어난다. 균열의 진전 방향은 작용 인장 응력 방향에 거의 수직이며, 대체적으로 편평하다. 

 

취성 파괴의 특징은 소성변형이 일어난 흔적이 거의 없다는 것이다. 강 시편의 파괴면에서와 같이, V자 모양의 쉐브론 표시(shevron marking)가 균열 시작점으로부터 시편의 중앙 부위를 따라 연속적으로 퍼져나간 것을 볼 수 있다. 그리고 선이나 등선 모양이 균열 시작점에서부터 부채꼴로 퍼져나간 모습을 나타내기도 한다. 이러한 모습들은 육안으로 쉽게 식별할 수 있는 경우도 종종 있지만, 매우 단단하고 미세한 결정립을 갖는 ㄱ므속의 파괴면에서는 식별할 만한 파괴 모습이 나타나지 않는다. 세라믹 유리와 같은 비정질 재료의 취성 파괴면은 대체적으로 고른 표면을 가지므로 빛이 난다. 

 

대부분의 취성 결정 재료의 균열 전파는 어떤 특정 결정면을 따라 원자 간의 결합이 연속적으로 끊어짐으로써 진행한다. 이를 가리켜 벽계(cleavage) 파손이라고 하며, 결정립을 가로질러 균열이 전파하므로 입내(transgranular 또는 tanscrystalline) 파괴라고 부른다.

 

몇몇 합금에서는 균열 전파가 입계를 따라 일어나며 이를 가리켜 입계 파괴라고 한다. 

 

 

파면 사진학 연구 

 

파괴면을 주사전자 현미경(SEM: scanning Electron Microscope)으로 조사함으로써 파괴 기구를 좀 더 상세하게 파악할 수 있다. 이를 가리켜 파면 사진학이라고 한다. 광학현미경에 비해 전자현미경은 해상력과 시계 심도가 월등하므로, 파괴면의 울퉁불퉁한 모양을 관찰하기에 적합하다.

 

시편의 중앙 부위를 고배율로 관찰하면, 섬유질 모습이 수많은 공의 반쪽 모양을 갖는 딤플(dimple)로 구성되어 있음을 알 수 있다 이러한 표면 구조가 단일축 인장 파손의 특징이다. 컵-원뿔 파괴의 전단 입술(shear lip) 지역에서도 딤플이 나타난다. 그러나 이들은 공 모양이 아니라, C자 모양이나 한쪽으로 늘어난 모양을 갖고 있다. 이러한 포물선형 모양은 파곤이 전단에 의해 일어나 한쪽으로 늘어난 모습을 갖고 있다. 이와 같은 모양 이외에 다른 파괴 모양들도 나타난다. 같은 파괴면 사진으로부터 파괴 형태(모드), 응력 상태 및 균열의 시작 위치 등과 가은 유용한 정보를 얻을 수 있다. 

 

 

파괴역학의 기본 원리 

 

연성 재료의 취성 파괴로 말미암아 파괴 기구에 대해 좀 더 깊은 이해가 필요하게 되었다. 그리하여 수십 년에 걸친 연구 끝에 파괴역학이라는 학문 분야가 등장하게 된다. 파괴역학이란 재료 성질, 응력의 크기, 균열을 초래할 수 있는 결함의 존재 및 균열 전파 기구 사이의 관계를 정량화한 것이다. 이 분야에 대한 지식을 습득함으로써 설계 기술자는 구조물의 파괴에 대비할 능력을 갖추게 된다. 

 

응력 집중 

 

가장 취성이 큰 재료의 파괴 강도 측정값은 원자 결합 에너지를 바탕으로 한 이론적 계산 값보다 매우 작다. 이러한 차이는 일반적인 조건에서 재료의 내부와 표면에 항상 존재하는 매우 작고, 세밀한 결함이나 균열의 존재로 설명이 가능하다. 작용 응력은 결함의 첨단 부분에 집중되어 파괴 강도를 낮추게 하며, 응력이 집중되는 정도는 균열의 방향과 기하학적 형상에 따라 다르다. 

균열 첨단에서 멀어질수록 국부 응력은 감소 한다. 아주 멀리 떨어진 거리에서의 응력은 하중을 단면적으로 나눈 값인 공칭 응력을 값을 갖는다. 이러한 결함들은 결함 주위에서의 응력을 증폭시키므로 응령 상승 자라고도한다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판