크리프 (1) - 크리프와 온도 / 크리프거동 3단계

보통 재료에 힘을 가할때, 항복강도라는 물성을 중요하게 여깁니다.

왜냐하면 항복강도 이상의 힘에 그 재료는 탄성변형 영역을 지나 소성변형을 하여

영구적인 변형을 가지게 되기 때문입니다.

하지만 항복강도 이하의 힘에 반드시 탄성변형이 아닌 변형이 일어나지 않을까요?

정답은 항복강도 이하의 힘에도 변형이 일어나게 됩니다.

일정한 정적하중을 가해 줬을때, 그 하중이 항복강도 이하임에도 불구하고

시간에 따라 소성변형이 일어나는 시간의존적인 변형을 크리프변형이라고 합니다.

크리프변형이 일어나는 이유는 많은 결정립으로 이루어진 결정에서 공공 등이 확산하기 때문인데,

이유는 이후에 이야기하도록 하겠습니다.

 

크리프와 온도의 관계

크리프 변형은 상온에서도 일어나긴 하지만 온도가 올라갈수록 잘 일어납니다. 말씀드렸듯,

확산등의 현상이 고온에서 잘 일어나기 때문이라고 생각할 수 있습니다.

일반적으로 결정질 세라믹은 0.4\(T_m\), 즉 녹는점의 40%정도의 온도에서 중요하게 고려해야될 

사항이고, 폴리머나 유리의 경우 유리천이온도 이상에서 크리프 변형을 크게 고려해야 합니다.

여기서 우리는 크리프 변형에 대한 저항이 높은 재료를 선택해야 한다면 어떤 재료를 골라야할까요?

바로 고온에 대한 저항성이 높은 (예를 들어 녹는점이 높은) 재료를 선택해야 할 것입니다.

이러한 재료를 크리프저항성이 좋은 재료라고 합니다.

또 크리프가 고온에서 주로 살펴야 할 것이라고 말했는데,

온도가 올라가면 화학적으로 반응도 잘 일어날 것입니다. 따라서 온도 증가와 함께 증가할

화학적반응이나 산화 부식 등의 저항에 대해서도 잘 고려해주어야합니다.

 

크리프 단계 (3단계)

일반적으로 크리프시험은 파괴가 일어나는 시간까지 실험을 해주는 경우와,

크리프변형 2단계의 정상상태변형률속도를 구할때까지 실험을 해주는 경우로 나뉘게 됩니다.

시간의존적인 크리프 변형의 특징에 맞게 파괴가 일어나는데까지의 실험은 굉장히 오랜 시간이 걸리게 됩니다.

이제, 크리프시험시 재료의 크리프 변형의 단계별로 알아보도록 하겠습니다.

위의 그래프를 보면, 우선 변형률 \(\epsilon\)과 시간 t의 그래프입니다.

시간에 따른 변형률을 알 수 있겠죠?

이때 먼저 하중을 걸자마자 탄성변형이 일어날 것입니다. 그에따른 변형률 \(\epsilon_e\)에서부터

시작합니다. 물론 하중이 항복강도 이상일 경우 일부 소성변형의 변형량도 추가될 것입니다.

1차 크리프는 천이(transient)크리프라고도 합니다.

이 영역은 하중을 건뒤 탄성변형률에서부터 시작하여 비교적 높은 변형률속도(기울기라고 생각하면 됩니다)

로 시작하여 변형률속도가 점차감소하여 일정해집니다.

2차 크리프는 정상상태(steady-state)크리프라고 합니다.

이 영역은 일정해진 변형률속도 \(\frac{d\epsilon}{dt}\)가 그대로 일정한 값을 가집니다. 

즉 재료의 변형이 일정하게 일어나는 것입니다.

위 그래프로 볼때는 굉장히 금방 일어날 것 같지만 사실 수년 혹은 수십년이 걸릴 수 있는 굉장히 오래걸리는 시간입니다.

3차 크리프는 (tertiary) 

인장시험시 파단전 네킹등으로 응력집중이 일어나는 것과 마찬가지 혹은 내부에 공동이 발생하는 등의 현상으로 급격히

변형률속도가 증가하다 파단이 일어납니다.

 

위에서 말씀드렸듯 온도에 따라 크리프 변형은 더욱 가속화되어 온도별로 다른 값을 가질 수 있습니다.

크리프 시험 결과를 응력-(정상상태)변형률속도 혹은 응력-수명으로 나타내어

온도별로 그래프로 나타낼 수 있을 것입니다.