크리프(Creep)란?
크리프 파괴는 하중을 증가시키지 않고 일정한 하중 및 온도에서도 시간의 경과와 함께 변형이 증가하면서 파손되는 현상입니다. 크리프 파괴는 대부분 고온에서 많이 일어납니다.
고온에서 일정하중을 가하면 재료내의 응력은 일정하지만, 변형량은 시간이 경과하면서 점차 증가하게 됩니다.
크리프는 특정온도(0.4Tm)이상에서 일정 하중을 받는 재료의 시간의존성 영구변형입니다. 쉽게 말하면 고온에 노출된 재료가 일정한 힘을 받을 때 변형이 일어나는 현상입니다.
크리프 파괴 강도는 정해진 시간안에서 크리프 시험에서 파단을 일으키기 위해 요구되는 응력입니다. 대체 용어로는 rupture strength(파단강도)가 있습니다.
크리프 변형률
하중에 의한 초기 변형률과 시간이 경과하면서 발생하는 변형률의 합으로, 시간에 따라 비선형적으로 변화합니다.
크리프 현상에 의해 변형이 일시적으로 증가해도, 일정 한계의 응력 이하에서는 변형이 그 이상 증가하지 않습니다. 응력이 작아질수록 크리프 속도는 대단히 작아집니다.
구조물에 작용하는 일정한 응력에 의해 시간의 흐름에 따라 변형률이 점진적으로 증가하게 됩니다. 크리프 변형률은 현재 응력 및 총 크리프 변형의 함수로 표현될 수 있습니다.
크리프 곡선
변형률-시간 곡선이며, 크리프 진행에 따라 3단계로 구분합니다.
| 크리프 단계 | 설명 | 특징 |
|---|---|---|
| 1기 크리프 (천이 크리프) | 빠른 속도로 변형률이 증가하다가 시간이 경과하면서 크리프 속도 감소 | 가공경화 발생, 열로 인한 풀림효과 적음 |
| 2기 크리프 (정상 크리프) | 크리프 속도가 일정 | 가공경화와 풀림효과의 조화 |
| 3기 크리프 (크리프 가속) | 크리프 속도가 증가하며 결국 파괴 | 열로 인한 풀림효과 증가, 파괴 전까지 속도 증가 |
1기 크리프(천이 크리프)
1기 크리프는 천이 크리프(Transient Creep)라고도 하며, 시간이 지남에 따라 크리프 속도가 점차 감소하는 특징을 가지고 있습니다. 1기 크리프는 빠른 속도로 시작하고 시간에 따라 느려집니다.
2기 크리프(정상 크리프)
2기 크리프는 크리프 속도가 일정한 영역으로, 가공경화와 풀림효과가 같다는 특징이 있습니다. 2기 크리프는 정상 크리프라고도 합니다.
3기 크리프(가속 크리프)
3기 크리프는 가속 크리프(Accerelating Creep)라고도 하며, 크리프 속도가 시간에 따라 빠르게 증가하는 영역입니다.
3기 크리프에서는 열에 의한 풀림효과가 가공경화에 비해 더 큰 영향을 끼칩니다. 3기 크리프는 속도가 가속되고 파단 시간에 재료의 파괴에 의해 종결됩니다.
크리프 속도
시간에 대한 변형률의 변화로서, 일정온도에서 하중의 크기가 클수록, 일정하중에서 온도가 높을수록 크리프 속도가 증가하여 파단에 이르는 시간이 짧아지게 됩니다.
크리프 속도란 일정한 온도에서 응력을 받은 재료의 변형 속도를 의미합니다. 크리프 속도는 크리프 시험에서 얻어지는 크리프 대 시간 그래프의 기울기이며, 단위는 보통 mm/mm/hr 또는 % of elongation/hr입니다.
크리프 속도는 응력의 함수로 표현할 수 있으며, 응력에 대한 의존성을 나타냅니다. 응력을 증가시키거나 온도를 높이면 응력을 가한 시점에서 순간 변형이 증가하고 정상 크리프 속도가 증가하여 파열 수명은 단축됩니다.
때문에 제트엔진, 가스터빈, 로켓 등 고온에서 작동하는 재료는 시간이 경과하면서 항복응력보다 훨씬 작은 응력에도 파괴됩니다.
크리프 한도
크리프 한도(creep limit)는 응력의 최댓값을 말합니다. 예를 들어, 100,000시간에서 1%의 변형을 일으키는 응력을 그 온도에서의 크리프 한도라고 합니다.
크리프 한도는 100~1000시간의 시험이 필요하기 때문에 실제 실험을 진행하는 것보다는 주어진 온도에서 1000 시간에 1%의 크리프 변형을 일으키는 응력을 크리프 응력이라 지칭합니다.
크리프 한도는 약 300°C 부근부터 시작하며 700°C 부근에서 제로가 됩니다. 고압, 고온의 보일러나 과열기의 재료는 크리프 한도가 중시되며, 그 사용 온도에서의 재료의 강도를 고려해야 합니다.
마무리
오늘은 크리프(Creep) 피로 파괴(failure)에 해당하는 크리프의 곡선, 1~3기, 변형률, 한도, 속도에 대해 알아보았습니다.
이러한 크리프 현상의 특징으로는, 첫째, 고온 환경에서의 재료 사용 시 크리프와 피로의 상호작용이 재료의 수명에 결정적인 영향을 미친다는 점입니다. 둘째, 재료의 크리프 피로강도는 재료의 종류, 화학적 조성, 그리고 미세구조 등에 따라 다양하게 나타납니다. 셋째, 적절한 설계와 재료 선택을 통해 크리프 피로에 의한 손상을 최소화할 수 있습니다.
결론적으로, 크리프 피로강도에 대한 이해는 고온 환경에서 작동하는 재료와 구조물의 안정성과 수명을 보장하는 데 있어서 매우 중요합니다.
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