취성(脆性, Brittleness)이란?
취성(脆性)은 탄성 한계 이내의 충격 하중을 받을 때 물체가 소성 변형을 거의 보이지 않고 급작스럽게 파괴되는 현상을 말합니다. 취성은 인성의 정반대 성질이며, 항력이 크고 변형능이 작습니다.
취성이 큰 물질은 외부의 힘에 대하여 탄성이 약하기 때문에 저항하지도 못하고 소성이 없기 때문에 순응하지도 못하여 파괴됩니다.
취성은 물질이 깨지기 쉬운 정도를 의미합니다. 물질에 변형을 주었을 때 변형이 매우 작은데도 불구하고 파괴된다면 취성이 크다고 볼 수 있습니다. 예를 들어 스티로폼은 취성이 크고, 고무는 취성이 작고 연성이 큽니다.
철강재료에서 발생 가능한 취성(Brittleness)의 종류
저온취성
저온 취성은 0℃ 이하의 저온에서 인장강도와 경도가 크고 충격값이 낮은 현상입니다. 연강이 저온이 되면서 경도가 점증하고 수축률 등이 저하되어 부서지기 쉬운 현상입니다.
저온 취성은 산소 및 질소가 현저한 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 용접 금속은 통상 산소나 질소가 강재 보다 많고 또 주조 조직이 있는 등의 원인으로 일반적으로 Notch 취성이 높습니다.
저온 취성은 체심입방(BCC) 결정구조나 조밀6방(HCP) 결정구조의 금속재료가 고온에서는 연성파괴가 발생하는데도 불구하고, 온도의 저하와 함께 연성-취성 천이(ductile to birttle transition)가 생겨 벽개파괴(cleavage fracture)가 발생하는 것을 의미합니다.
상온취성
상온취성은 온도가 상온 이하로 내려가면 충격치가 감소하여 쉽게 파손되는 성질을 말합니다.
상온취성은 저온취성과 같은 의미입니다. 일반적으로 온도가 내려가면 경해지고 취성을 갖게 되지만 강은 0℃ 이하, 특히 -20 ~ -30℃에서 급격하게 취성을 갖게 됩니다.
탄소강이 상온에서 인(P)을 다량 함유할 때 인성이 저하되는 성질도 상온취성입니다.
청열취성
청열취성은 200~300℃ 부근에서 강의 인장강도 및 경도가 증가하고 취성이 높아지는 성질을 말합니다. 이때 강은 청색의 산화 피막을 발생합니다.
청열취성은 변형 시효와 같은 이유에 의해서 일어난다고 생각됩니다. 청열취성의 주요 요인은 질소이며 산소는 이것을 조장하는 작용을 합니다. 또 탄소도 다소 영향이 있습니다. Al, Ti등 질화물을 형성하는 원소를 첨가하면 청열 취성은 나타나지 않습니다.
청열취성의 주의점은 이 온도에서 소성 가공은 피해야 한다는 것입니다.
뜨임취성
뜨임취성은 합금강을 특정 온도 범위에서 뜨임했을 때 또는 그 온도 범위를 서냉했을 때 발생하는 취화입니다. 뜨임 중 500℃ 부근에서 강의 충격저항값이 떨어지는 현상입니다.
뜨임취성의 원인은 제조 및 템퍼링 과정에서 생긴 조직변화와 퀜칭 및 템퍼링된 조직과 합금원소와의 상호작용에 기인됩니다.
담금질한 강은 매우 경하고 취성이 있어, 인성을 부여하기 위하여 A1 변태 이하의 온도로 가열하여 일정 시간 유지하는 것을 뜨임(템퍼링)이라고 합니다.
적열취성
적열 취성은 고온으로 가열된 강철이 깨지기 쉬운 상태가 되는 현상입니다. 950℃ 부근의 적열 구역에서 발생하는 균열을 적열 취성이라고 합니다.
적열 취성은 고온으로 가열될 때 저융점 액상이 되어 결절립계로 편석되어 얇은 필름형태로 존재합니다. 온도가 내려가면 얇은 판상의 고체로 변하고, 충격을 받으면 입계를 따라 파괴됩니다.
적열 취성은 연강에 포함된 유황이나 산소 등이 원인으로 분석됩니다.
고온취성
고온취성(Hot shortness, Hot brittleness)은 고온에서 강의 연성이 급격하게 저하되어 취화하는 현상입니다. 황, 산소, 동, 주석 등을 비교적 많이 함유하는 강을 열간 가공하면 도중에 균열이 발생하여 압연과 주조가 불가능하게 되는 경우가 있습니다.
고온취성은 청열 취성과 적열 취성으로 구분됩니다. 청열 취성은 200~300℃ 부근에서 강의 인장 강도가 급격하게 저하되는 현상입니다. 적열 취성은 황(S) 성분이 많이 함유된 강이 고온에서 메짐(취성)이 발생되는 현상입니다. 망간(Mn)은 황과 화합하여 황화망간(MnS)을 만들어 적열메짐을 일으킵니다.
고온취성은 녹는점 근방에서 수지상정간이나 결정립계에 잔존 또는 석출한 FeS나 Cu 등이 연성을 저하시킵니다.
수소취성
수소취성(hydrogen embrittlement)은 금속재료, 특히 철강에 흡수된 수소로 인해 강재의 연성과 인성이 저하하고 소성변형 없이도 파괴되는 경향이 증대되는 현상을 말합니다.
수소취성은 원자상태의 수소에 의해 생기는 금속의 취성입니다. 전기도금, 산세척, 전해 탈지 등의 과정에서 발생하는 H(원자상 수소)가 금속에 침투하여 금속 조직 속에 존재함으로서 금속이 일정 이상의 응력을 받을 경우 절단되는 현상을 수소취성에 의한 절단이라 말합니다.
수소취성은 강철의 상온 부근에서 최대이며 대부분의 금속은 150°C 이상의 온도에서 수소 취성에 비교적 안전합니다. 낮은 변형 속도에서 수소 취성이 증가합니다.
수소취성은 일반적으로 응력 작용 하에서 파괴가 지연되는 현상으로 나타납니다. 자동차 스프링, 와셔, 나사, 판스프링 및 기타 아연 도금 부품이 있어 조립 후 몇 시간 내에 파손이 차례로 발생하며 파손률은 40~50%입니다.
수소취성의 방지방법
수소취성 방지방법으로는 다음이 있습니다.
- 고탄소강 등 수소 취성이 많이 생기는 재료는 산 처리 대신 블라스팅 등
- 산세 후 가열된 알칼리용액에 넣어서 침입한 수소를 도금
마무리
오늘은 철강재료에서 발생할 수 있는 취성의 종류에 대해 알아보았습니다.
결론적으로, 철강재료를 사용함에 있어서 이와 같은 다양한 취성 발생 기구를 이해하고 예방 대책을 수립하는 것이 중요합니다. 특히 재료 선정, 열처리 공정, 용접 및 기타 가공 시 취성에 대한 고려가 선행되어야 합니다.