공학 재료의 파손은 인명 피해, 경제적 손실, 생산 및 운전 실적의 저하를 초래한다. 파손의 원인과 재료의 거동 상태를 잘 알고 있어도 파손을 완전히 방지하는 것은 어렵다. 파손의 일반적인 원인으로는 부적절한 재료의 선정 및 제작, 부적합한 기기 설계, 기기의 작동 오류 등을 들 수 있다. 기술자는 파손의 가능성을 타진하고, 파손이 일어난 경우에는 파손의 원인을 분석하여 차후의 파손 방지를 위한 적절한 조치를 취하여야 한다.
파괴의 기초
파괴란 재료의 융점보다 낮은 온도에서 정적 응력(일정한 응력, 또는 시간에 따라 매우 천천히 변하는 응력 상태)을 가함으로써 물체가 두 조각 이상으로 나누어지는 것을 뜻한다. 적용 응력의 형태로는 인장 응력, 압축 응력, 전단 응력 또는 뒤틀림 응력 등이 있다.
공학 재료의 파괴 형태는 재료의 소성 가공성에 따라 연성 파괴(ductile fracture)와 취성 파괴(brittle fracture)로 나눌 수 있다. 연성 재료는 소성 변형이 상당히 일어난 후에 파괴가 일어나므로, 이 과정 중에 많은 에너지를 흡수한다. 반면에, 취성 재료는 소성 변형이 거의 일어나지 않은 상태에서 파괴가 일어나므로, 흡수 에너지의 양은 매주 적다.
'연성'과 '취성'은 주어진 상황에 딸느 상대적 개념이다. 연성은 신장 백분율 감소율로 나타내며, 온도 변형률 속도 및 응력 상태의 함수이다. 모든 파괴 과정은 균열 생성과 윤열 전파 기구(방식)에 따라 결정된다. 연성 파괴에서는 진전하는 균열 주위에 상당한 소성변형이 나타난다. 또한 균열은 대체적으로 천천히 진전하는데 이러한 균열을 안정된(stable) 균열이라고 한다. 즉, 작용 응력이 증가하지 않으면 균열은 더 이상 진전되지 않는다. 상당한 소성변형이 일어난 흔적은 파괴면에서도 나타난다.
반면에, 취성 파괴에 있어서는 균열이 매우 빠르게 진전되며, 소셩변형도 거의 일어나지 않는다. 이러한 균열을 불안정한(unstable) 균열이라고 하며, 작용 응력이 증가하지 않아도 일단 전진하기 시작한 균열은 매우 빠르게 전파해 나간다.
취성 파괴는 어떤 징후도 없이 급작스럽게 일어나지만, 연성 파괴는 파괴에 앞서 상당한 소성변형이 일어나므로 파괴가 일어나기 전에 방지 조치를 취할 수가 있다.
일반적으로 연성 재료는 인정이 크므로 연성 파괴가 일어나는 데에는 더 많은 변형률 에너지가 요구된다. 그러므로 연성 파괴는 취성 파괴에 비해 덜 위험하다. 대부분의 금속 합금은 인장 응력이 작용할 경우 연성 파괴를 일으키지만, 세라믹은 취성 파괴를 일으키며, 폴리머의 경우에는 두 가지 파괴 형태 모두 일어난다.
연성 파괴
연성 파괴의 표면은 거시적으로나 미시적으로 독특한 형상을 나타낸다. 연성이 매우 큰 재료는 끊어지는 부분이 점으로 되어 완전한 100%의 단면적 감소를 나타낸다.
가장 일반적인 연성 금속의 인장 파괴는 파괴가 일어나기 전에 어느정도의 네킹(necking) 현상이 나타난다. 연성 파괴의 단계는 첫째, 네킹 현상이 시작한 후에 조그만 동공과 미세 기공이 단면 내부에 형성된다. 그 후 변형이 계속됨에 따라 미세 시공들도 성장을 계속하게 되는데, 성장한 미세 기공들은 서로 연결되어 하나의 타원형 균열을 형성하게 된다. 타원형 균열의 장축은 응력 방향에 수직이며, 이 균열은 미세 기공들과의 연결 과정을 통하여 균열의 장축 방향으로 점점 진전한다. 그 후 네킹 부분의 바깥 주위를 따라 매우 빠른 균열 전파가 일어남으로써 마침내 파괴가 일어나게 된다. 최종 파단은 전단 응력이 최대가 되는 인장 축과 45도의 각도로 전단 변형에 의해 일어난다.
파괴된 한쪽은컵 같은 모양이고, 다른 쪽은 볼록한 원뿔의 모양이므로 이와 같은 파괴 형상을 가리켜 컵-원뿔 파괴(cup-and-cone fracture)라고 한다. 파괴 시편에서 가운데 내부면은 불규칙적인 섬유질 모습을 띠고 있으며, 이것은 파괴 전에 상당한 소성변형이 일어났다는 것을 말해준다.
(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판
