재료 시험, 금속학 및 시스템 엔지니어링에서 25년 이상의 경험을 가진 MTS 직원 과학자 에리크 슈바르츠코프 박사는 고객과의 협력에 독특한 전문 지식을 제공합니다. 이 Q&A에서 그는 파괴 역학 및 파괴 인성 시험에 대해 논의합니다.
Q: 파괴 인성 시험이란 무엇인가요?
A: 가장 간단하게 말하면, 파괴 인성 시험은 균열이 파국적으로 성장하는 데 필요한 에너지를 측정하는 비주기적인 시험입니다. 다양한 종류의 시험은 “에너지”와 “파국적으로”를 다르게 정의합니다. 에너지는 CTOD와 같은 거리 파라미터, KIc와 같은 응력 집중 파라미터, 또는 JIc와 같은 면적에 대한 에너지로 나누어진 파라미터를 포함할 수 있습니다. 파국적 균열 성장은 매우 빠르거나, 매우 멀리 또는 초기 상태보다 조금 더 멀리 성장하는 것으로 해석될 수 있습니다. 일반적인 파괴 인성 시험 표준에는 ASTM E399, E561, E1820이 포함됩니다.
얇은 강철 시편에 대한 R-커브 ASTM E561 시험. 균열이 진행될 때 발생하는 소음은 불안정한 균열 성장으로 인한 것으로, 일반적으로 "팝인"이라고 불리는 힘이나 변위의 갑작스러운 변화를 초래합니다.
Q: 어떤 산업에서 파괴 인성 측정에 관심을 가질까요?
A: 압력 용기에 의존하는 모든 산업은 이러한 압력 용기에 사용되는 재료의 파괴 인성 특성을 알아야 합니다. 어떤 것이 압력 하에 있을 때, 시간이 지남에 따라 어떻게 반응할지를 아는 것이 중요합니다. 용기나 파이프가 폭발하기보다는 누수되는 것이 훨씬 바람직하므로, 원하는 특성을 가진 적절한 재료를 선택하는 것이 중요합니다. 이러한 이유로 파괴 인성 측정은 발전소, 원자력 및 석유·가스 응용 분야의 배관에 적합한 재료를 선택하는 데 중요합니다. 에너지 부문 외에도 금속 및 복합재 제조업체, 해양, 토목 공학 및 항공 우주 산업도 재료를 평가하기 위해 파괴 인성 측정에 의존합니다.
Q: 균열은 어떻게 성장하고, 재료의 플라스틱성과 어떤 관련이 있나요?
A: 균열은 재료의 특성에 따라 여러 가지 방법으로 성장하고 에너지를 소모할 수 있습니다. 때때로 균열이 재료를 두 조각으로 나누게 만들고(각각의 새로운 표면 생성이 에너지를 흡수합니다), 때때로 재료는 변형되어 에너지를 흡수하며, 때때로 재료가 변환됩니다(한 상에서 다른 상으로 변화). 서로 다른 재료 특성 때문에, 여러 가지 유형의 파괴 역학이 존재합니다. 고강도 재료의 경우 선형 탄성 파괴 역학(LEFM)이 일반적으로 사용됩니다. 더 연성 있는 재료에는 탄성-플라스틱 파괴 역학(EPFM)이 사용됩니다. 선형 탄성 파괴 인성은 플라스틱 변형이 다른 모든 차원에 비해 작다고 가정합니다.
Q: 어떤 파괴 인성 시험 유형을 언제 사용해야 하나요?
A: 필요한 데이터의 종류와 재료에 따라 다릅니다. 정성적인 답변이 필요한 경우와 정량적인 답변이 필요한 경우에 따라 가장 간단한 시험이 재료가 균열에 더 민감한지 여부를 알려줄 수 있습니다. 간단한 시험은 재료가 얼마나 더 쉽게 균열이 나는지 말해주지 않지만, 간단한 인장 시험의 곡선은 뭔가를 알려줄 수 있습니다. 샤르피 충격 시험은 재료가 힘을 견딜 수 있는지 여부를 알려주고 합격/불합격 데이터를 제공합니다. 정량적 측정이 필요하고 작은 시편에서 유효한 시험을 얻을 수 있는 경우, 재료의 플라스틱성이 최소하다고 가정할 때 KIc 시험을 시도할 수 있습니다.
Q: 재료의 플라스틱성이 최소가 아닐 경우는 어떻게 하나요?
A: 유효한 KIc 시험을 수행하기 위해서는 시편의 대부분이 탄성이라는 것을 보장하기 위해 매우 크고(그리고 매우 비싼) 시편이 필요할 수 있습니다. 이 문제에 대한 해결책이 있습니다: 유효한 J 적분 결과를 통해 K 값을 계산할 수 있어 더 작은 시편을 사용할 수 있습니다. J 적분을 결정하는 데는 더 많은 분석이 필요하지만, 이는 플라스틱 영역의 크기에 의존하지 않기 때문에 큰 시편이 필요하지 않습니다.
Q: 파괴 인성 시험 유형을 선택할 때 다른 고려 사항은 무엇인가요?
A: 모든 시험과 마찬가지로 일관성이 중요합니다. 일관된 노치 유형이 중요합니다. 온도, 시편의 기하학적 형태와 두께, 하중의 속도를 제어하는 것은 유효한 시험 결과를 얻기 위한 요건입니다. 이전 시험에서 수집한 데이터도 고려해야 할 요소입니다. CTOD 데이터의 이력이 있다면, 그 유형의 시험을 선택하는 것이 합리적입니다.
Q: 적층 제조된 재료의 파괴 인성을 시험하는 것은 어떻게 하나요?
A: 적층 제조된 재료는 점점 더 일반화되고 있으며, 여러 가지 문제 영역을 제기합니다: 다공성, 밀도 및 입자 경계입니다. 이러한 재료의 기공과 경계는 균열이나 노치처럼 작용하여 재료의 피로 및 파괴 특성에 영향을 미칩니다. "가짜" 노치가 균열을 파국적으로 성장시키는지 여부를 판단해야 합니다. 복합재와 적층 제조된 재료는 우리가 볼 수 없는 층 사이의 결함을 가질 수 있기 때문에 시험이 필요합니다.
Q: 파괴 인성 측정의 미래에는 어떤 것이 있을까요?
A: 3D 프린팅/적층 제조와 같은 새로운 재료 제작 방법, 엔지니어링 복합재와 같은 새로운 재료, 수소 연료 차량 및 우주 여행과 같은 재료의 새로운 용도, 그리고 새로운 시험 기술이 계속해서 등장할 것입니다. 이러한 모든 혁신은 재료가 의도된 최종 용도에 적합한지 판단하기 위해 파괴 인성 평가가 필요함을 의미합니다. 파괴 인성 시험의 원리와 방법론을 이해함으로써, 연구자와 엔지니어는 현대 기술과 산업의 진화하는 요구를 충족하기 위해 보다 안전하고 신뢰할 수 있는 재료와 구조물을 개발할 수 있습니다.
