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1.1.1 손상의 형식
가. 환경파괴 ㅇ 물리적 현상인자 원인 : 파손
ㅇ 화학적인 원인 : 부식
나. 초기손상
ㅇ 소재결함 : 편석,개재물,불량조직
ㅇ 가공조립결함 : 가고결함, 용접결함
ㅇ 주조결함:핀홀,블로 Holl(큰구멍),모래유입,열간균열,냉간균열
ㅇ 단조 : 모래,편석
다. 사용기간중 손상 : 균열(온도차), 피로,취하,고온열화,소성변형,부식
라. 체정적 손상 : 파괴,마모,소착(타붙음),변형,부식
마. 초기결함이 최종파손의 원인이되고, 재질열화(시간에 따라 약해짐)구조물 기능, 안정성 저하,부식, 크랙(5000oC이상,금속입자사이에 결함이 생성),마모,환경파괴 등
파손의 종류 1) 부식환경에 의한 분류 : 액체(습식) 바닷물,GAS(건식), 고온
2)실제의 환경 : 수용액 환경중(담수중,해수중,대기,토양(박테리아)
3)부식면의 요철: 표면의 일저만큼의 뚜께가 줌(전면,구멍,선택적 부식,임계부식)
4)부식기구에 관여하는 인자 : 생물이 관여된 인자(철 박테리아,수소박테리아,유환 박테리아), 역학적(응력부식(응력상태에서는 부식이 빠름),전기화학적 요인(갈바노 붓기)
제 1장 파손의 종류, 특징과 종류, 분별법
1.1 손상의 분류
1.1.1 손상의 해석 : 기계,구조물의 손상의 주 원인으로는 물리적인 것과 화학적인 환경 요인이 있다.
손상사례를 분석해보면 물리적 요인이나 화학적 요인 중에 한가지만을 원인으로 하는 경우와 두가지 모두가 원인으로 작용된 경우가 있다. 물리적 요인이 주체로 작용하는 손상을 파손이라 한다.
표 1.1은 손상의 거시적인 분류로 소재를 포함하는 재료결함, 용접결함, 가공결함으로 나타내었고 구조물의 손상을 살펴보고 최종적 손상의 원인으로 많은 초기손상을 분류하여 표 1.2에 나타내었다. 재료열화는 구조물사용기간 따른 손상의 진행을 가져온다. 최종적 손상에는 부식, 크리프, 마모가, 환경파괴는 주로 수명단축을 일으키는 취성파괴인 좌굴, 변형손상은 과대하중을 받으며 순시간에 발생한다.
1.1.2 손상의 분류법
a. 파손 : 물리적 요인에 의한 손상에 따른 파손으로 변형, 좌굴,파괴, 마모로 분류된다. 변형 및 좌굴의 형태로는 좌굴, 항복, 수축, 크리프, 손상형태에 따른 트깅들을 표 1.3에 나타내었다. 마모로는 발생기구에 따라 응착마모, 갈아냄 마모, 부식마모, 피로마모, 누러붙음 마모로 분류된다.
b. 부식손상 : 부식손상과 부식 환경, 부식면의 상태, 부식기구에 관한 것으로 표 1.4에 분류하였다.
1.2 파손의 종류와 특징
1.2.1 변형.좌굴
a. 어떤 하중을 받고있는 안정된 상태에 있는 탄성체가 나중에 하중을 증가하면 불안정한 상태가 된다. 특히 불안전한 변형상태로 이행하는 현상을 좌굴이라 한다.좌굴문제를 일으키는 구조물의 형태로는 기둥,보,박판,얇은살 을 압축시에 나타난다.
초기손상 | 사용기간중의 손상 | 최종적 손상 | |
소재결함 | 가공.조립결함 | ||
편판 개재물 불량조직 | 가공결함 용접결함 | 균열 피로 침화 고온열화 소성변형 부식 | 파괴 마모 소부(탑붙음) 변형 부식 |
표 1.1 기계.구조물의 손상의 경시적 분류
표 1.2 초기손상이 되는 결함
공 정 | 결함 |
주조 | Pin Hole, 송풍 Hole, 모래유입, 열간균열, 냉간균열, |
단조 | 모래긁힘, 모래유입, 편판기스, 백점, |
압연 | |
용접 | |
열처리 | |
절삭가공 | |
소성가공 | |
기타 |
a. 항복(탄성파손)
탄소성체에 변형을 줄 때 어느정도 이상의 변형을 주었다면 하중을 제거하더라도 초기 상태로 복구되지 않는데 이돌아오지않는 한계를 항복점이라 한다. 항복의 출현을 탄성의 파손이라 한다.단축인장 응력상태에 있어서의 탄성한도의 응력을 항복응력이라 칭한다. 3축응력 상태에서 항복을 일으키는 소성변형의 증가가 계속되는데 필요한 응력의 조합에 관한 법칙을 항복조건이라 한다.
표 1.3 파손현상의 분류표
분류법 | 분류항목 | 파손형식 |
1. 부하의 변동형식에 의한 분류 | (1) 단기증가하중에 의한 파손 (2) 충격하중에 의한 파손 (3) 반복하중에 의한 파손 (4) 일정 하중에 의한 파손 | 정적 파손 동적 파손 피로 파손 |
2.균열진전에 따른 안정성에 의한 분류 | (1) 안정상태에서의 균열의 확대에 의한 파손 (2) 불안정한 균열의 확대에 의한 파손 | 안정파손 불안정파손 연성불안정 파손 취성불안정 파손 |
3. 파단부의 소성변형의 난역에 의한 분류 | (1) 소성변형을 반 파손 | |
4. 금속조직학적 분류 | (1) 균열이 | |
5. 파면상태에 의한 분류 | ||
6. 주위온도에 의한 분류 | (1) 고온하에서의 | 고온 피로 열 피로 저온 피로 저온 취성 |
7. 부식현상에 의한 분류 | (1) 용해형 파손 (2) 물의 유입에 의한 파손 | APC(active Path Cracking) HE(Hydrogen Embrittlement) |
a. 소성붕괴에 의한 파손
부재에 응력을 작용해서 esaus이 소성영역이 되고 전면항복(general yield) 상태가되고 비경화재에서 그 이상의 하중으로 가하여 진다. 경화재에서는 하중의 증가에 따라 안정하게 변형이진행되다가 어느한도에 이르면 발생되고 그 이항의 변형을 하중의 감소하에 도달하면 소성영역(Plastic collapse)라 한다.
b. 크리프
부재에 일정응력이나 일정하중을 작용시키면 시간에 따른 진행이 변형현상을 크리프(Creep)라 한다.
크리프 하에서 변형이 생기고 파단이 되고 파단면의 거시적 특징을 중앙부가 주응력축에 수직의표면근에서 주응력에 45도의 경사를 갖고 Cup &Con이 형태를 나타낸다.균열은 입계에서 발생하는 경우가 많다. 비교적 저온도, 고 응력의 경우 결정의 3중점에 발생하는 보이도가 균열의 기점이다. 그오 반대로 고 온도 저 응력의 경우에는 결정입계에 다수의 보이도가 발생되고 주 응력축의 수직한 면으로 파손한다. 단, 고 순도의 알루미늄이나 납의 입계 보이드를 관찰하여 나타내었다.
표 1.4 부식파손의 분류법
a. 리렉세션(응력이완)
변형율이 일정한 조건하에 부하에서 부재의 응력이 시간의 경과에 따라서 발생하는 소성변형에 관한 것은 감소현상을 리렉세션(relaxation)이다. 관련현상으로는 크리프 현상과 밀접한 관계가 있고, 근사적으로 크리프의 강도가 큰 것은 재료가 재료와의 크리프 리렉세션 강도도 크다고 생각한다. 이 크리프 리렉세션이 문제되는 구조부재로서는 고온하에 사용되는 가스터빈, 증기터빈,프랜지 체결등을 들수 있다.
b. Jamming
탄성변형율이 아주낮은 값에서 기능을 갖도록 설계된 기기, 가스터빈의 로타나 스테이트에서 과도한 탄성력이 ㅂㄹ생되거나 부재 상호간에 접촉이 생겨서 파손되는 것. 이러한 파손형태을 Jamming에 의한 파손이라 한다.
1.1.1 파괴
a. 연성파괴
파단부 부근에 현저하게 변형을 동반한 파괴를 연성파괴라 한다.파괴 기구적으로 미끄럼 면이 분리 또는 미소공동이 결합하여 생성된다. 단, 이와같은 기구적인 것의 외관상으로 소성변형이 거의 보이지않는 경우가 있는데 이것은 연성파괴라고 하지 않는다.거시적으로 전형적인 연성파괴 형식을 그림 1.2에 나타내었는데, 가변 호 파괴, 전단 파괴, 점상 파괴 등으로 분류된다.미소공동이 합체기구에의한 파괴로는 연성파면에 미시적인 다수의 홈군이 형성되어 지는 딤플을 실험하여 그림 1.3의 a,b에 나타 내었다. 딤플의 입내파괴, 입계파괴 간의 현상은 그 크기는 보이드로 된 핵의 석출물과 개재물간의 처리에 의해 좌우된다. 딤플의 형상은 거시적파면에 대한 응력을 반복작용하여 변형시킴. 파면에 대해 수직바향에 균일인장응력이 작용하는 경우에도 등축딤플 그림 1.4의 a가, 전단응력이 응력이 작용하는 경우에는 신장 딤플인 그림 1.4의 (b),(c)가 형성된다.
큰 딤플의 표며네 나타나는 사행의 마모점이 그림1.5.
b. 취성파괴
파단부 부근에 소성변형을 거의 반대되는 파괴를 취성파괴가 있다. 취성파괴는 연성파괴에 비해 파괴에 소모되는 에너지가 현저히 작다.일반적인 상태의 연성파괴의 재료로는 저온, 결함의 존재,고 변형속도의 조건하에서는 취성파단을 나타낸다.취성파단의 파면은 다음과 같은 특징이 있다.
(i) 광택이 있는 결정상 외견을 나타낸다.
(ii) 파단면은 주응력축에 대하여 수직이다.
(iii) Herring bone pattern 형(2.2.4의 그림 2.40 참조)
전자현미경에 의한 관측으로 미시적 모양이 관찰된다.
(1) Cleavage fact결정입의 벽개면이 파단에 나타나
(2) Cleavage step(그림 1.6)
(3) River pattern
(4) Cleavage tongue : 취성으로 적은 변형을 보임
(5) Walner Line
c.피로파괴
반복되는 하중에 의한 피로파괴라 한다. 부식환경하에서의 피로파괴는 d에..
가. 고사이클 피로파괴 : 수명이 103~104
피로파면의 거시적 특성을보면 다음과 같다.
ㅇ 파면 평판은 소성변혀이 적다.
ㅇ beach mark : 균열진전과정에서 하중의 변화에 의해 형성된다.
ㅇ 경 재료나 표면경화재 등에는 균열발생원이 표면하에 개재물로부터 나타난다.이 경우 파면상의 개재물에는 백색의 원형구조가 나타난다.
또 미시적으로 다음과 같은 특징들이 실험에 의해 나타난다.
- Striation
- Tire track
- Rub mark
나. 저 사이클 피로(소성피로)
다. 저온 피로
라. 고온 피로
마. 열 피로
바. 진동 피로
사. 프래칭 피로
d. 환경 파손
가. 부식피로
나. 응력부식 크래킹
다. 수소손상
라. 액체금속취화
고체금속이 액체금속과 접촉하면 그 강도와 연성의 감소하는 경우가 있는데 이 같은 현상을 액체금속취화이라 한다. 액체금속취화가 발생하면, a) 파괴까지의 인장연성이 감소하거나 혹은 b) 정규의 항복강도보다 낮은 응력 레벨에서 소성변형이 일어나지 않고 파괴된다
v. erosion
cavitation이나 액체입자의 충돌에 의한 금속표면의 균열이나 쿠레타가 생겨 재료가 불순물이 제거되어 요철이 생기는 현상을 에로젼이라 한다. 에로젼은 부식이 없는 경우에도 발생하는 것으로 알려져 있으나 부식은 에로젼의 프로세스에 영향을 받는다.
vi. 중성자 조사 취화
부식환경중의 현상에는 없으나, 재료의 환경에 열화형태로 중성자 조사취화가 있다. 중성자 조사를 받는 기계적 성질에 영향을 준다. 특히 페라이트계 탄화강과 저탄소강에 영향을 준다.
1.2.3 마모
a. 응착마모
접촉하는 금속과같이 기계적 성질이 유사한 재료사이에서 발생하는 형태로, 발생기구는 다음의 경우로 생각되어진다. 표면 돌출부의 국소적 부분에 접촉하는 고장력 , 내금속간의 응착이 발생한다. 다음으로 금속간의 응착부 근방의 큰 변형이 생긴다. 표면이 망가지면서 마모분이 생긴다. 마찰속도가 증가하면 온도가 상승하고 탄화물이 발생한다.
b. 연삭마모
접촉하는 재료간에 나타나는 마모로서, 마모량은 하중에 비례하고 상대재료의 경도의 반비례한다.
c. 부식마모
표면의 산화 피막이 기계적 특성을 떨어뜨릴 때 생기는 마모를 말한다.
d. 피로마모
운동 접촉하는 두 물체 사이에 생기며 진동 피로현상과 표면 미세 요철이 원인이다.
e. 프레팅 마모
발생원인은 여러 가지가 있으나 응착이 주원인이라 생각되고 있다.
1.3. 부식손상의 종류와 특징
수분이 존재하는 양극/음극이 조합할 때 부식전지 작용에 기초하여 금속이 용출된다. 또는 고온기체 환경 중에 금속이 산화 탄화 파손 현상을 부식이라 한다.
a. 균일 부식
금속표면 전체에 고르게 나타나는 부식으로 전면부식이라고도 한다.
b. 국부부식, 공식, 궁상부식
부식이 금속표면의 국부에 집중되는 경우, 국부부식이라 하며, 그 중에 원형으로 부식이 진행되는 경우 공식이라 한다. 원의 형상이 작고 큼에 따라 전자는 공식, 후자는 궁상부식이라 한다.
c. 입계부식 : 결정 입계에는 전위가 축적시, 불순물의 편석과 화합물의 석출들이 많다. 결정질내 보다 반탄성에 많이 있다. 여기서까지 금속의 결정입계는 근접에 부적 부식이 생기는 경우가 있고, 이 같은 부식을 입계부식이라고 부른다.
d. 선척부식 : 특정의 원소가 선택적 용출을 하는 부식을 선척부식이라 한다. 황동에서 아연의 용출, 알루미늄 청동에서의 알루미늄의 용출, 9% 니켈에서 니켈의 용출, 모넬메탈에서 동까지는 니켈의 용출, 텅스텐의 용출 정도가 여기에 속해있다.
e. 나이프라인 부식 : 나이프라인 부식은 모재와 용접부식의 경계의 앞선에서 일어나는 부식이다. 오스테나이트 스텐레스강, 특히 몰리브덴을 함유한 것에 가장 잘 일어난다. 또한 몰리브덴을 함유한 고니켈합금에서도 일어난다.
f. はく탈부식 : 표면에 평행하게 진행하는 부식을 말한다. 부식 생성물은 보통은 나무의 잎 형상을 한다.
g. 스키마부식 : 금속판의 접합점, 개스킷면에 있는 볼트의 하부의 금속표면의 스끼마 부식이 발생한다. 스키마부식은 또한 접촉부식이라 불리어지기도 한다.
h. 갈바노부식 : 예를 들면 철과 동사이에,황동과 알루미늄사이와 같은 , 두 종류의 금속이 접촉하거나 전해질 속에 위치할 때, 전지가 형성되어 양극 부분을 부식시킨다. 이러한 형태의 부식을 갈바노 부식이라 한다. 부식속도는 서로 접하는 금속간의 전위차의 존재에 의해 생기며, 내금속면의 면적비, 온도, 용해진의 전도도와 같은 인자에 관계된다.
갈바노 부식은 용접,기계성형시 잘 생기며, 금속을 접합시킬 때, 일어난다.
I. 유동부식 : 흐르는 액체에 접하는 금속표면의 부식은 유속이 있는 値속도의 고속이 되면 고체미세입자군이 금속표면에 축적시킨다. 이러한 부식을 유동부식이라 Corrosion 부식이라 부른다.
j. 박테리아 오염에 의한 부식(생물학적부식)
주로 생물의 신진대사가 원인이 되어 나타나는 부식을 생물학적 부식이라 한다.
k. 토양부식
흙속에 있는 금속류에 의해서 일어나는 부식
l. 대기부식
대기중에 녹이 생겨 일어나는 부식
m. 고온부식
고온 환경하에서 일어나는 부식을 총칭하여 말한다. 보일러나 가스터빈에서 주로 발생함.
화연부식(가솔린 기관에서 발생), 금속 나트륨 부식(고속즈식로에서 발생), 탄소부식, 질화부식, 수소침식 등은 이것에 속한다.
n. 고속 산화부식, 가속 산화부식
고온에 놓인 금속이 공기와 접촉시 표면에 스케일을 생성하여 소모하는 현상을 고온 산화 부식이라 한다. 환경온도가 내산화 한계 온도 이상에 있거나, 또 합계온도 이하에 있어도, 산화막 보호성이 손상되지 않게 하기 위한 물리적 혹은 화학적 작용이 작용하는 환경에 노출되는 경우에는 산화 부식은 촉진된다. 이 경우는 가속 산화 부식이라고 한다.
o.바나지우무 부식
중유연소가스 중에 놓인 바지니우무 산화물을 함유한 저융점유회에 의한 부식을 바나지우무이라고 한다. 용윰염/금속계에 놓인 부식에서는 기체/금속계의 경우를 위해 반응 생성물이 금속에 축적되는 것이 적지 않고, 용윰염중에 녹아 있는 것이 많기 때문에, 산화막을 위한 반응 생성물에 의한 방식효과는 기대하기 어렵다. 또, 환경중의 산소를 잘 흡수하는데 금속 산화를 촉진시켜, 어쩌면 공존하는 SOx, Cox 등의 영향에 의해 융용염이 분해되어 부식성 기체를 방출하기도 한다.
p. 유화부식
고온의 유황화합물을 함유하는 환경에 두었을 때, 유화물을 생성해서 금속이 소모하는 현상을 유화부식이라고 한다. SOx, H2S 등의 lcp 환경하에서의 부식, 최후의 연소가스중에 함유되는 Na2So4 와 석탄 보일러에서의 (알칼리) 유산염 화합물 등 융용염에 좋은 부식등이 이것에 속한다.
g.침탄부식
환경중에 함유하는 탄소화합물에서 탄소가 석출하는 금속중에 확산면, 탄화물이 형성하게 된다. 이 경우에 침탄하기에 좋게 금속이 소모하는 경우, 이것을 탄소부식이라고 한다.
r. 소소침식
암모니아, 메탄올 최후의 요소합성, 석유의 개질, 탈유 ed의 석유 화하공장에서는 고온 고압의 수소를 사용한다. 이것은 강 중에 침입하는 고온하에서 강중 불안정한 탄화물과 반응해서 탄화 수소를 생성하는데, 그 가스압에 좋게 입계균열을 발생시키거나 탄소를 촉진시켜서, 강재의 강도와 성질을 현저하게 저하시키ㅣ다. 이 현상을 수소침식이라고 한다.
강재를 고온 오압수소중에 폭로 시켜도 곧 수소침식을 받게 되어, 기간경과된 후에 해로움을 발생한다. 이 기간을 잠복기간이라고 부른다. 시제 공장에서 발생했던 수소침식의 사례를 수집하여, 탄소가,d 몰리브덴강, 크롬-몰리브덴 강 등에 대해서 수소침식이 발생되는 한계의 수소 분압과 온도의 조합을 표시한 것이 Nelson선도로 대표하는 수소침식도가에 있다.
s. 질화침식
고온하에서 환경중의 질소화합물에서 생기는 질소가 강내로 침입하는 것, 예를 들면, Cr, Al, Ti, Si등의 합금요소와 안정한 연질화물을 형성한다. 그 결과, 강은 성질을 잃어, 열팽창율이 다른 화합물이 형성되기 위해 온도변화를 수반하여 열응력이 생긴다.
t. 수증기 산화
수증기 중에서 산화되는 현상을 말한다. 스테인리스강도 수증기 중에서 산화가 일어난다.
u. 유산로점부식
보일러 같은 경우에 유황을 함유한 재료를 연소시킬 때 연소중에 유황이 산화되어 아황산가스로 변화되고 다음으로 일부가 무수아황산으로 되고 이것들이 이슬점보다 낮은 재료표면에 응결 접착됨으로써 부식되는 현상
1.4 종류 판별법
1.4.1 수소취화와 수소침식
(i) 수소 취화는 상온에서 일어난다. 수소침식은 고온에서 일어난다.
(ii) 수소 취화는 가역현상이고 수소침식은 미가역적 현상이다.
1.4.2 부식피로와 응력부식
1.4.3 부식피로와 기계적 피로
(i) 부식피로의 경우, 통상적으로 파면위에 균열의 내부에 부식손상 생성물이 존재 여부로 판별한다.
(ii) 양극용해형의 부식피로에 있어서 기계적 피로의 경우와 다르지 않다. 주기점이 인접하면 이차균열이 관찰된다.
(iii) 부식피로에서는 복수적 기점에서부터 발생한 복수의 균열이 평행하게 동시에 성장한다. 기계적 피로의 경우는 하나의 균열로부터 성장해 나가는 경향이 있다.
1.4.4 응력부식파괴와 부식피로
1.4.5 양극 용해형 파괴와 수소취화 파괴
양극용해질파괴의 경우는 부재의 표면에는 부식생성물이 남아있다. 양극용해형의 경우 입자형으로 있는 경우가 많고, 파면위에는 부식생성물의 양은 균열의 시작점 근처에서 최대이고 최대파괴영역에서 최소이다.
성수대교 붕괴사고 원인분석을 위한 피로강도 평가
성수대교 붕괴사고를 초래한 수직재를 대상으로 실제 용접상태를 구현한 실물크기의
모형에 대하여 피로시험을 수행하여, 붕괴사고의 원인을 분석하였다.
이 과제는 서울지방검찰청의 위탁으로 수행되어 재판에서 증거자료로 활용된 바 있다.
영종대교 트러스 격점부 피로강도 평가
현재 건설중인 영종대교에는 용접부의 품질이 피로강도에 민감한 SWS520QT재가 적용된다.
이 재료는 국내의 교량 아직 적용된 바 없고 피로강도 자료도 전무하므로 이 연구에서 기본 접합부에
대한 피로시험을 수행하여 그 안전성과 용접시 방을 확립하였으며, 대형 구조모형으로 취약한
격점부에 대한 피로시험을 수행하 여 격점부의 상세 설계안을 도출하였다.
철도차량용 대차 및 차체 피로안전성 평가
국내에서 생산되는 철도차량용 대차 및 차체에 대하여 실제와 유사한 하중조건을 구현할 수 있는
시험시스템을 개발하여, 피로시험을 실시하여 설계의 적합성과 피로안전성을 평가하였다.
지금까지 총 10여건의 평가실적이 있다.
항공기 부품의 내하력 및 손상허용시험 평가
항공기 주요 구성부재인 동체 및 날개의 내하력을 평가하기 위하여 실물에 대한 정하중 시험을
실시한 바 있다. 현재 국내에서 개발중인 고등훈련기 KTX-2의 주 요 부품에 대한 손상허용시험
평가가 진행 중이다.
방산구조물 피로성능평가
국내에서 개발한 한국형 전차 및 신자주포 등의 대형 주행차량 주요 부재에 대한
정/충격/피로하중에 대한 안전성 평가를 수행한 바 있다.
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