금속 파괴 메커니즘을 이해하는 것은 비파괴 검사(NDT) 전문가에게 매우 중요합니다. 이 기술 가이드는 산업 응용 분야에 대한 예방 전략과 함께 6가지 주요 파괴 유형을 다룹니다.
응력 부식 파괴는 인장 응력과 특정 부식성 매체의 결합 작용 하에 발생하는 파괴입니다. 파괴 과정은 일반적으로 뚜렷한 경고 징후가 없으며 갑작스럽게 발생합니다. 파괴 표면은 일반적으로 취성 파괴 특성을 나타내지만 때로는 약간의 소성 변형이 동반될 수 있습니다.
부식성 매체에서 금속 표면에 부식 생성물 막이 형성됩니다. 금속에 인장 응력이 가해지면 부식 생성물 막이 파열되어 신선한 금속 표면이 노출됩니다. 신선한 금속 표면은 빠르게 부식되어 새로운 부식 생성물 막을 형성합니다. 이 주기가 반복되면서 금속 내부에서 균열이 지속적으로 전파되어 궁극적으로 파괴를 유발합니다.
응력 상태, 부식성 매체 및 재료 민감도는 응력 부식 파괴에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 인장 응력은 응력 부식 파괴를 시작하는 데 필요한 조건입니다. 서로 다른 부식성 매체는 서로 다른 금속 재료에 대해 서로 다른 부식 효과를 나타냅니다. 특정 금속 재료는 특정 부식성 매체에 대한 높은 민감도를 갖습니다.
재료를 적절하게 선택하고, 응력 부식에 둔감한 재료를 선택합니다.
어닐링 및 기타 공정을 사용하여 잔류 응력을 제거하여 부품 응력 수준을 줄입니다.
부식성 매체 농도를 줄이고 온도를 제어하는 등 환경 조건을 개선합니다.
코팅 및 전기 도금과 같은 표면 보호 조치를 사용합니다.
액체 침투 검사, 초음파 균열 검출
크리프 파괴는 고온 및 일정한 응력 하에서 시간이 지남에 따라 발생하는 느린 소성 변형 및 파괴입니다. 크리프 과정은 일반적으로 초기 크리프 단계, 정상 상태 크리프 단계 및 가속 크리프 단계의 세 단계로 구성됩니다. 크리프 파괴 표면은 일반적으로 뚜렷한 산화 색상과 함께 거칠게 나타납니다.
고온 환경에서 금속 내 원자 활동이 증가하고 전위가 쉽게 상승하고 활공합니다. 일정한 응력 하에서 전위가 지속적으로 이동하여 금속의 느린 소성 변형을 유발합니다. 시간이 지남에 따라 변형이 축적되고 특정 수준에 도달하면 균열 형성 및 전파를 유발하여 궁극적으로 파괴로 이어집니다.
온도, 응력 및 시간은 크리프 파괴에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 더 높은 온도는 금속 크리프 속도를 증가시킵니다. 더 큰 응력은 더 뚜렷한 크리프 변형을 초래합니다. 더 긴 시간은 크리프 파괴의 가능성을 증가시킵니다. 또한 재료의 화학적 조성과 미세 구조도 크리프 특성에 영향을 미칩니다.
고온 내성 및 크리프 내성 재료를 선택합니다.
장기간의 고온 및 고응력 상태를 피하면서 작업 온도와 응력 수준을 합리적으로 제어합니다.
크리프 저항성을 향상시키기 위해 재료 미세 구조를 최적화합니다.
피로 파괴는 교번 응력 하에서 일정 횟수의 사이클 후에 발생하는 파괴입니다. 파괴 과정은 일반적으로 균열 시작, 균열 전파 및 최종 파괴의 세 단계로 구성됩니다. 피로 파괴 표면은 일반적으로 매끄러운 영역과 거친 영역으로 구성되며, 매끄러운 영역은 균열이 천천히 전파되는 영역이고 거친 영역은 최종 급속 파괴 영역입니다.
교번 응력 하에서 입계 및 개재물 가장자리와 같은 금속 표면의 일부 약한 영역에서 미세 균열이 발생합니다 - 균열 시작. 사이클 수가 증가함에 따라 균열은 응력 하에서 지속적으로 확장되어 거시적 균열을 형성합니다. 균열이 특정 범위까지 전파되면 남은 단면이 외력을 견딜 수 없어 최종 파괴가 발생합니다.
응력 진폭, 평균 응력, 사이클 수 및 재료 피로 한계는 피로 파괴에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 더 높은 응력 진폭과 평균 응력은 균열 전파를 가속화하고 피로 수명을 단축시킵니다. 더 많은 사이클은 피로 파괴의 가능성을 증가시킵니다. 더 높은 재료 피로 한계는 피로 파괴에 대한 더 강한 저항력을 나타냅니다.
응력 집중을 줄이기 위해 부품 구조를 합리적으로 설계합니다. 높은 피로 한계를 가진 재료를 선택합니다.
쇼트 피닝 및 롤링과 같은 표면 강화 처리를 수행하여 표면 피로 강도를 향상시킵니다.
재료 피로 한계를 초과하지 않도록 하중 크기와 사이클 수를 제어합니다.
취성 파괴는 파괴 전에 금속이 거의 뚜렷한 소성 변형을 겪지 않는 파괴 모드입니다. 파괴 과정은 갑자기 발생하며, 평평하고 매끄러운 파괴 표면은 종종 결정 또는 청어 뼈 패턴을 나타내며 금속 광택이 있습니다.
취성 파괴는 주로 금속 내부의 균열 또는 결함의 존재로 인해 발생합니다. 외력 하에서 균열 팁에서 응력 집중이 발생합니다. 응력 집중이 재료의 파괴 인성에 도달하면 균열이 빠르게 전파되어 금속 파괴로 이어집니다. 이 파괴 모드는 일반적으로 재료 결정 구조, 불순물 함량 및 응력 상태와 관련이 있습니다.
재료 취성은 다양한 요인의 영향을 받습니다. 더 높은 탄소 함량과 불순물 함량은 금속 인성을 감소시키고 취성을 증가시킵니다. 저온 환경은 금속 결정 구조를 변경하여 인성을 감소시킵니다. 삼축 인장 응력 상태도 취성 파괴를 촉진합니다.
재료 화학 조성을 엄격하게 제어하고 불순물 함량을 줄입니다.
미세 구조를 개선하고 인성을 높이기 위해 적절한 열처리를 수행합니다.
삼축 인장 응력 상태를 피하기 위해 부품 구조를 합리적으로 설계합니다.
저온 환경에서 사용할 때는 예열 조치를 구현합니다.
연성 파괴는 파괴 전에 금속이 뚜렷한 소성 변형을 겪는 파괴 모드입니다. 파괴 과정에서 금속 재료는 먼저 네킹 현상을 경험하며, 국부 단면이 현저하게 감소한 다음 네킹 위치에서 파괴됩니다. 파괴 표면은 일반적으로 섬유질 또는 컵 앤 콘 모양으로 나타나며 칙칙한 색상과 뚜렷한 광택이 없습니다.
연성 파괴는 주로 금속 내 전위 이동 및 증식으로 인해 발생합니다. 금속에 외력이 가해지면 전위가 활주면에 미끄러져 결정의 소성 변형을 유발합니다. 변형이 계속되면 전위가 얽히고 축적되어 전위 벽과 서브 그레인 경계를 형성합니다. 국부 응력 집중이 특정 수준에 도달하면 미세 공극의 형성과 성장을 유발합니다. 미세 공극의 상호 연결은 궁극적으로 금속 파괴로 이어집니다.
재료의 화학적 조성, 미세 구조 및 온도는 연성 파괴에 상당한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 적절한 합금 원소를 포함하는 강철은 일반적으로 더 나은 인성을 갖습니다.
미세 입자 구조는 금속 인성을 향상시킬 수 있습니다.
저온 환경에서는 금속 인성이 현저하게 감소하여 연성 파괴가 더 쉽게 발생합니다.
양호한 인성을 보장하기 위해 재료를 적절하게 선택합니다.
열처리 공정을 통해 재료 미세 구조를 최적화하고 입자를 미세화합니다.
저온에 민감한 금속 재료를 저온 환경에서 사용하지 않도록 합니다.
| 파괴 유형 | 특징 | 형성 메커니즘 | 예방 방법 | NDT 검사 방법 |
|---|---|---|---|---|
| 응력 부식 균열(SCC) | 취성 외관, 환경 특정, 예측 불가능 | 부식 막 파열 → 국부적 공격 → 균열 전파 | 재료 선택, 응력 완화, 환경 제어 | 액체 침투 검사, 초음파 균열 검출 |
| 크리프 파괴 | 거친 산화 표면, 시간 의존적 변형 | 전위 상승 → 입계 활주 → 공극 형성 | 고온 합금, 응력 감소, 수명 평가 | 초음파 두께 측정, 금속 조직 분석 |
| 피로 파괴 | 매끄러운 + 거친 영역, 비치 마크, 점진적 고장 | 균열 시작 → 안정적인 성장 → 급속 파괴 | 표면 경화, 응력 감소, 재료 선택 | 와전류 검사, 자분 탐상 검사 |
| 취성 파괴 | 평평한 결정 표면, 최소 소성 변형, 갑작스러운 고장 | 결함에서 응력 집중으로부터의 균열 전파 | 불순물 감소, 예열, 응력 상태 최적화 | 음향 방출 검사, 위상 배열 초음파 |
| 연성 파괴 | 섬유질/컵-콘 표면, 눈에 보이는 네킹, 어두운 외관 | 전위 운동 → 공극 핵 생성 → 융합 → 고장 | 입자 미세화, 합금 최적화, 온도 제어 | 초음파 검사, 방사선 검사 |
Zhou, Hongyu & Li, Jian & Liu, Jie & Yu, Peichen & Liu, Xinyang & Fan, Zhiyang & Hu, Anqing & He, Yinsheng. (2024). 단기 서비스 후 이상 미세 구조로 인한 P91 증기 파이프 엘보우의 크리프 수명 현저한 감소. Scientific Reports. 14. 10.1038/s41598-024-55557-w.
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