일반적인 크리프 거동

오늘은 크리프 거동 및 응력과 온도의 효과에 대해 알아보자. 지난 글에서 크리프 곡선에 대해 간단히 이야기했었다. 크리프 곡선은 세 구역으로 나누어지며, 각각의 구역은 각기 독특한 변형률-시간 양상을 나타낸다. 1차 크리프 또는 전이 크리프 구역에서는 크리프 속도가 연속으로 감소하며, 곡선의 기울기는 시간에 따라 감소한다. 즉, 이 구역에서는 재료에 변형 경화가 일어나 크리프에 대한 저항성이 증가하고 있다는 것을 의미한다. 2차 크리프 또는 정상 크리프에서는 크리프 속도가 일정하여 선도는 직선을 나타낸다. 크리프 속도가 일정하다는 것은 재료의 변형 경화와 회복이 평형을 이룬다는 것을 의미한다. 회복이란 재료가 점점 연해져서 변형이 계속 일어날 수 있게 되는 현상이다. 마지막으로 3차 크리프에서는 크리프 속도가 가속되어 최종 파괴가 일어난다. 이러한 파손을 파열이라고 하며, 입계 분열과 재료 내부에 균열, 동공 및 기공의 형성과 같은 미세조직의 변화와 금속학적 변화로부터 나타난다. 인장 하중이 가해지면, 변형 구역의 어느 부분에서인가 네킹이 일어난다. 이에 따라 실제 단면적이 감소하고 변형률 속도가 증가한다.

금속 재료에 대한 크리프 시험은 인장 시험 시편과 동일한 형상의 시편에 대하여 단일 축 인장 하에서 행한다. 취성 재료에 대해서는 단일 축 압축 시험을 행하며, 인장 하중에 따라 나타나는 응력 증폭이나 균열 전파가 일어나지 않으므로 고유한 크리프 성질을 알아보기 위해서는 압축 시험을 행한다. 압축 시험용 시편은 길이-지름의 비가 약 2~4인 실린더형을 사용한다. 크리프 시험에서 구한 가장 중요한 매개변수는 2차 크리프 구역의 기울기이며, 이를 최소 또는 정상 크리프 속도라고 부른다. 이 값은 장기간 사용을 목표로 하는 구조물의 공학적 설계용 매개변수이다. 예를 들면, 원자력 발전소는 수십 년간 가동되며, 파손이나 지나친 변형이 일어나서는 안 된다. 반면에, 군용기의 터빈 날개나 로켓 모터 노즐과 같이 대체로 크리프 수명이 짧은 경우에 파열 수명 시간이 중요한 설계용 매개변수가 된다. 파열 수명 시간을 측정하기 위해서는 파손이 일어날 때까지 크리프 시험을 해야 하며, 이 시험을 크리프 파열 시험이라고 한다. 그러므로 설계 기술자는 재료의 크리프 특성을 파악하여 적용상의 적합성을 판단할 수 있어야 한다.

온도와 작용 응력의 크기는 크리프 특성에 영향을 미친다. 변형률은 0.4 Tm보다 아주 낮은 온도에서 초기 변형이 일어난 후에는 실질적으로 시간에 무관하다. (1) 응력을 증가시키거나 온도를 높이면, (2) 응력을 가한 시점에서의 순간 변형이 증가하고, (3) 정상 크리프 속도도 증가하여 파열 수명은 단축된다. 크리프 파열 시험의 결과는 일반적으로 응력의 로그값에 대한 파열 시간의 로그값으로 나타낸다. 니켈 합금의 크리프 선도를 보면, 각 온도별로 선형 관계가 있음을 알 수 있다. 반면에, 몇몇 합금 재료는 비선형 관계를 나타내기도 하는데, 대체로 응력 범위가 큰 경우에는 비선형 관계가 관찰된다. 정상 크리프 속도를 응력과 온도의 함수로 표현하는 실험식이 존재하는데 이 식은 정상 크리프 속도의 응력에 대한 의존성을 나타낸다. 재료의 크리프 특성 데이터는 응력-온도 선도의 형태로 그림으로 나타낸 변형 기구 지도에 수록되어 있다. 이 지도에는 온도와 응력에 따른 작동 기구가 영역별로 표시되어 있으며, 일정한 변형률 속도의 윤곽도 나타나 있다. 그러므로 적절한 변형 기구 지도를 사용하고, 온도, 응력 크기, 크리프 변형률 속도 중 2개의 매개변숫값을 알면 나머지 매개변수의 값을 구할 수 있다.

실험실에서 실제로 측정하기가 어려운 공학적 크리프 데이터가 필요한 경우가 종종 발생한다. 예를 들면, 몇 년이 걸리는 실험이 요구되는 경우가 이에 속한다. 이러한 문제를 해결하는 하나의 방안은 대응되는 응력 크기에서, 실제 온도보다 높은 온도에서 짧은 시간 안에 크리프 시험 또는 크리프 파열 시험으로 실험 데이터를 측정한 다음, 실제 사용 조건까지 외삽하는 것이다. Larson-Miller 매개변수를 사용하는 것이 보편적인 외삽법이다.

금속의 크리프 특성에 영향을 미치는 인자로는, 융점, 탄성 계수, 결정립 크기 등이 있다. 일반적으로 융점이 높을수록, 탄성 계수가 클수록, 결정립 크기가 클수록 재료의 크리프 저항성은 더 크다. 입자 크기의 관점에서 보면, 입자 크기가 작을수록 입계 미끄럼이 더 잘 일어나므로, 크리프 속도는 더 크다. 이 현상은 저온에서의 기계적 거동과 상반된다. 즉, 저온에서는 입자 크기가 감소함에 따라 강도 및 인성이 증가한다. 특히 스테인리스강, 내화 금속, 초경합금 등이 크리프 저항성이 크며, 고온용 재료로 주로 쓰인다. 고용체 강화 합금의 첨가 및 기지 상에 녹지 않는 분산 상의 첨가로 코발트 및 니켈 초경합금의 크리프 저항성을 향상시킬 수 있다. 또한 매우 길쭉한 결정립이나 단결정을 만들 수 있는 방향성 응고법과 같은 최신 제조 방법을 사용할 수도 있다.

다음 글에서는 물질의 상태도에 대한 이야기를 시작할 것이다. 미세조직과 기계적 성질 사이에는 밀접한 관계가 있으며, 합금의 미세조직은 그 합금의 상태도 특성에 관련되므로 합금계의 상태도를 이해하는 것은 매우 중요하다. 또한 상태도에서 용해, 주조, 정출 및 다른 현상에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있다. 상태도에 대한 설명과 사용법에 대하여 설명하기 전에 합금, 상, 평형 등에 관한 정의 및 기본 개념을 수립하는 것이 필요하다. 성분이란 합금을 구성하는 순금속이나 화합물을 의미한다. 계는 두 가지 의미를 가지고 있다. 하나는 고려 대상인 물질의 집합체를 '계'라고 하며, 또 하나는 합금의 조성에 관계없이 같은 성분으로 구성할 수 있는 모든 합금 계열을 계라고 한다. 고용체는 적어도 서로 다른 두 가지의 원자로 구성되어 있다. 용질 원자는 침입형 또는 치환 형으로 용매의 격자를 점유하는데, 이때 용매의 결정 구조는 변하지 않는다. 다음 글에서 더욱 자세히 다뤄보자.