충격 시험법, 연성-취성 전이, 피로

재료의 파괴 특성을 파악하기 위한 충격 파괴 시험법은 파괴역학이 등장하기 전에 이미 수립되어 있었다. 실험실의 인장 시험 결과로는 연성 재료가 소성변형을 일으키지 않고 갑자기 파괴되는 현상과 같은 파괴 거동을 예측할 수 없다. 그러므로 다음과같이 극심한 파괴 조건이 나타나는 충격 파괴 시험을 수행하였다. 즉 (1) 대체로 낮은 온도에서의 변형, (2) 높은 변형률 속도, (3) 노치 등에 의한 3차 응력 상태 등이다. 노치 인성이라고도 하는 충격 에너지의 측정에는, 샤르피 또는 아이조드 충격 시험법을 사용하는데, 미국에서는 샤르피 V-노치 방법을 주로 사용한다. 두 시험법의 시편 모양은 서로 같고 V-노치를 갖고 있다. 일정 높이 h에서부터 펜듈럼을 낙하시켜 시편의 노치 부분을 때리도록 되어 있으며, 빠른 속도로 충격 하중을 가하기 때문에 응력 집중 부위인 노치 부분에서 시편은 파괴된다. 시편을 파괴시킨 후에 펜듈럼은 어떤 높이 h'까지 계속 회전하는데, h'는 h보다 낮다. h와 h'의 차이로부터 흡수된 에너지양은 계산할 수 있으며, 이 값이 충격 에너지를 나타낸다. 샤르피 시험법과 아이조드 시험법은 서로 시편을 높은 방식이 다르다. 한편, 시편의 크기 및 모양뿐만 아니라 노치의 형상과 깊이는 시험 결과에 영향을 준다.

재료의 파괴 성질은 평면 변형률 파괴 인성 시험과 충격 시험으로 측정할 수 있다. 평면 변형률 파괴 인성 시험으로는 평면 변형률 파괴 인성값과 같은 정량적인 값을 측정할 수 있지만, 충격 시험의 결과는 다소 정성적이므로 설계 목적으로는 거의 사용하지 않는다. 충격 에너지값은 단지 상대적인 파괴 성질을 나타낼 뿐이므로 절댓값의 의미는 없다. 평면 변형률 파괴 인성과 샤르피 V-노치 값 사이의 관계식도 유도되었으나 그 적용 범위는 극히 한정되어 있다. 평면 변형률 파괴 인성 시험은 충격 시험과같이 간단하지도 않고, 장비와 시편 제작 비용은 매우 비싸다.

샤르피 시험법과 아이조드 시험법의 주된 역할은 재료가 온도 감소에 따라 연성-취성 전이 현상이 나타나는가를 결정하는 것이며, 이 현상이 나타난다면 그 온도 범위를 결정하는 것이다. 연성-취성 전이는 온도에 따른 충격 에너지 흡수량의 변화와 연관되어 있다. 높은 온도에서의 샤르피 V-노치 에너지는 대체로 크며, 연성 파괴와 관련된다. 온도가 내려감에 따라 어떤 제한된 온도 범위를 지나면 충격 에너지가 갑자기 떨어진다. 이 온도 범위 아래의 온도에서 충격 에너지는 일정하지만 작은 값을 가지며, 취성 파괴를 나타낸다. 파단면의 양상도 파괴의 형태를 나타내므로, 파단면을 관찰함으로써 전이 온도를 결정할 수 있다. 연성 파괴의 경우에 79도에서 시험한 강 시편을 보면 파단면은 섬유질 모양이며, 둔탁한 색을 띤다. 반면에 -59도 시편의 취성 파단면은 결정립 형태의 조직이 나타나며 반짝거리는 것을 볼 수 있다. 연성-취성 전이 영역에 걸쳐서는, 두 형태의 파단 특성이 모두 나타난다.

많은 합금에서 연성-취성 전이 현상은 어느 주어진 온도 범위에서 나타나므로, 하나의 특정한 전이 온도를 규정하기는 어렵다. 따라서 뚜렷한 기준이 수립되지 않았으므로, 샤르피 V-노치 에너지가 어떤 특정 값을 갖는 온도로 전이 온도를 정의하거나, 주어진 파괴 양상이 나타나는 온도로 정의한다. 이 두 방법에 의한 전이 온도가 서로 다르므로 문제는 더 복잡해진다. 아마도 가장 보수적인 전이 온도의 정의는 파단면이 100% 섬유질 모양을 띠는 온도일 것이며, 합금강의 경우에는 약 110도이다. 이러한 연성-취성 전이 거동을 나타내는 합금의 구조물은 전이 온도 이상에서 사용해야 취성 파괴 및 대형 파손을 막을 수 있다. 이러한 사고의 예로는, 제2차 세계대전 중에 많은 운송선들이 갑자기 반으로 갈라진 사고를 들 수 있다. 이 운송선들은 상온 인장 시험 결과 적절한 연성을 갖는 것으로 나타난 합금강으로 제작된 것으로, 취성 파괴는 합금의 전이 온도 부근인 약 4도에서 발생하였다. 파괴를 일으킨 균열은 날카로운 구석 부분이나 제작 결함 등의 응력 집중 부위에서 생성된 후, 배의 전 둘레를 따라 전파해 나갔다.

연성-취성 전이 현상 외에, 온도에 따른 두 가지 다른 형태의 충격 에너지 거동이 관찰된다. 저강도 FCC 금속과 대부분의 HCP 금속에서는 연성-취성 전이 현상이 나타나지 않으며, 온도가 감소하여도 높은 충격 에너지를 보유하고 있다. 고강도 재료의 충격 에너지는 대체로 온도에 민감하지 않지만, 낮은 충격 에너지값을 가지므로 취성이 매우 강하다. 특징적인 연성-취성 전이 현상은 BCC 결정 구조를 갖는 저강도 강에서 주로 관찰된다. 이러한 저강도 강의 경우, 전이 온도는 합금 조성과 미세조직에 매우 민감하다. 예를 들면, 강의 평균 결정립 크기가 감소할수록 전이 온도는 감소한다. 따라서 결정립 크기를 감소시킬수록 강의 강도와 인성이 증가한다. 반면에, 탄소량을 증가시키면 강도가 증가하지만 샤르피 V-노치 전이 온도도 상승한다. 대부분의 세라믹과 폴리머도 연성-취성 전이 현상을 나타낸다. 세라믹 재료의 전이 현상은 일반적으로 약 1000도 이상의 고온에서 나타난다.

피로란 다리, 비행기, 기계 부품 등과 같이 동적인 변동 응력을 받는 구조물에서 나타나는 파손의 일종으로, 항복 강도나 인장 강도보다 매우 낮은 응력 상태에서 일어나는 파손이다. 이와 같은 파손 형태는 오랜 시간 동안 응력 및 변형률 사이클이 반복된 후에 일어나므로 '피로'라고 부른다. 피로는 모든 금속 파손의 약 90%를 차지하는 금속의 가장 큰 파손 원인이며, 아주 중요한 파손 형태이다. 폴리머나 세라믹에서도 피로 파손이 일어난다. 피로 파손은 어떠한 파손 징후를 나타내지 않고 갑자기 일어나므로 아주 위험한 대형 사고를 일으킨다. 피로 파손에는 소성변형이 거의 수반되지 않으므로 연성 금속의 피로 파손도 취성 파괴와 같은 양상을 나타낸다. 피로 파손의 과정은 균열 생성 및 균열 전파로 구성되며, 파단면은 일반적으로 작용 인장 응력 방향에 수직이다.