파괴 역학 (3) - 세라믹과 고분자의 파괴 / 파단면 영역 / 잔금

세라믹 재료의 경우 파괴인성보다 작은 값의 응력에도 파괴가 될 수 있습니다.

그 이유는 응력이 가해지는 경우에, 그 응력에 의해 결함이 부식되는 등의 이유로 결함의 길이가 증가하여

응력집중의 정도가 더 커질 수 있기 때문입니다.

세라믹은 결함에 대한 취약성이 높기 때문에, 파괴가 되는 응력의 산포가 크게 됩니다.

응력-변형률 곡선으로 살펴보면,

빨간 x자 표시가 파괴되는 시점인데, 그 산포가 크기 때문에 파단될때의 응력의 분포가 크게 됩니다.

이를 파단확률 - 응력 그래프로 살펴보면

이러한 모습을 띄게 됩니다.

이러한 큰 산포를 가지게 되는 이유는 결함의 존재 확률 때문인데,

시편의 크기나 부피에 따라, 또는 제조 도중 생긴 미세 결함 등의 차이가 있다는 뜻 입니다.

예를들어, 큰 시료의 경우 더 많은 응력 집중의 요인이 되게 됩니다.

이때 응력 집중이 압축응력일 때는 결함의 존재와 무관하게 되므로 인장응력보다 압축응력 하에서 유리하게 됩니다.

이때 파단면을 살펴보게 되면 여러가지 정보를 얻을 수 있게 되는데,

파단면에서 살펴 볼 수 있는 영역은 크게 세가지로, 거울영역, 안개영역, 깃털영역이 있습니다.

그림으로 살펴보면 이러한 형상을 띄게 되는데, 파단중심으로 부터 거울영역->안개영역->깃털영역으로 파단이

뻗어나가는 파단면을 과관측할 수 있습니다.

이때 거울영역의 반지름 \(r_m\)의 경우 응력이 높아지면 \(r_m\)은 작아지게 됩니다. 그 이유는 \(r_m\)이 균열 전파

가속도의 함수인데, 가속도가 클 수록 파괴응력이 증가하여 균열은 임계 속도에 더 빨리 도달하여 거울의 반경이

작아지게 됩니다.

이는 즉, 균열이 더 빠르게 전이되기 때문입니다.

이를 식으로 나타내면 \(\sigma_f = (\frac{1}{r_m})^{0.5}\)가 됩니다.

 

고분자 재료의 경우 강도가 일반적으로 금속이나 세라믹의 강도보다 작은 값을 가지게 됩니다.

열경화성 고분자는 응력 집중부에서 균열이 발생해 취성파괴, 영가소성 고분자는 취성 혹은 연성 파괴를 나타내는데, 

이는 천이온도와 관련이 있으며 유리천이 온도 이하에서는 취성파괴, 그 이상 부터는 소성파괴를 보이게 됩니다.

열가소성 고분자의 파단시에 발생하는 하나의 현상은 잔금이라고 하는데,

그림으로 살펴보면 

이렇게 잔금이 생긴 후 잔금주위에 국부적인 항복을 통해 인장 하중이 계속되면 미소 공공이 연결되어 찢어지듯이

파괴가 됩니다.

이때 이러한 잔금이 형성되어 파괴 인성이 상승되는 효과를 가지게 됩니다.