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2.1 변형과 파괴의 특징

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2.1 변형과 파괴의 특징 - PowerPoint PPT Presentation


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슬립변형의 모형도. 쌍정변형에 대한 원자이동. 순철의 물결침. 순철에 나타난 쌍정. 2.1 변형과 파괴의 특징. a. 소성변형의 모습. 소성변형 : 응력을 제거해도 본래대로 회복되지 않는 변형 . 왜 ? 어떤 특정한 결정면의 상하 블록이 전단응력에 의해서 상호 미끄러지는 것에 의해 생김 . 특정의 결정면을 슬립면 , 방향을 슬립방향이라 함 . 표면을 잘 연마한 시험편에서는 슬립선이 나타남 . 물결침 ( 파상슬립 ) : 몇 개의 슬립계가 활동한 경우의 슬립선 .

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

슬립변형의 모형도

쌍정변형에 대한 원자이동

순철의 물결침

순철에 나타난 쌍정

2.1 변형과 파괴의 특징

a. 소성변형의 모습

  • 소성변형 : 응력을 제거해도 본래대로 회복되지 않는 변형.왜?
  • 어떤 특정한 결정면의 상하 블록이 전단응력에 의해서 상호
  • 미끄러지는 것에 의해 생김.
  • 특정의 결정면을 슬립면, 방향을 슬립방향이라 함.
  • 표면을 잘 연마한 시험편에서는 슬립선이 나타남.
  • 물결침(파상슬립) : 몇 개의 슬립계가 활동한 경우의 슬립선.
  • 쌍정 : 전단응력에 의해서 어떤 격자면에 평행하게 그 면에서의
  • 거리에 비례한 만큼 원자가 변위하는 것에 의해서 생김.
  • 원자배열은 경면대칭이며, 어닐링쌍정과 기계쌍정이 있음.
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b. 파괴형태

(a) 취성파괴: 빠른 속도로 진전하는 균열은

인장응력에 수직인 면에서 생김.

(b) cup and cone 형 파괴: 네킹부에서 비금속 개재물, 석출물 등에 의한 기공 또는 공동이 생김으로 해서 나타남.

(c) double cup 형 파괴: 컵 앤 콘형 파괴의 최종 단계에서 콘부분이 엿모양으로 늘어 나서 파괴한 것.

(d) 순수한 단결정의 전단파괴

(e) chisel point fracture(chisel edge fracture) : 단결정 전단파괴가 두 방형으로 생김.

<각종 파괴의 거시적 형태의 모형도>

취성적인 재료에서는 cup and cone형 파괴의

섬유상 파면의 외주에 그림과 같이 방사상 파면이

존재하는 경우가 있다.

<방사상 파면(radial fracture)의 모식도>

slide3

c. 파괴의 미시적 모습

  • 파면사진법(fractography) : 파면을 관찰하고, 파괴의 모습을 검토, 해석하는 것.
  • 미시파면사진법(microfractography) : 투과형 전자현미경이나주사형 전자현미경으로 파괴기구와 파괴원인에 관한 정보를 얻는 것.

(i) 입내파괴 (transgranular fracture)

가. 연성파괴

  • 소성변형에 의해서 재료중에 존재하는 비금속개재물, 석출물 등의 미세한 입자가
  • 기점이 되어 기공이 형성되어 성장, 합체되어 일어난다.
  • 딤플(dimple)이라 불리는 수많은 작고 움푹 패인 형태로 생성된다.
  • 균일한 인장응력에서 생기는 수직파괴의 경우는 원형의 등축 딤플(equiaxeddimple),
  • 전단과 인장조합 응력하에서는 신장형 딤플(elongated dimple)이 나타난다.

<연성파면의 등축 딤플>

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나. 취성파괴

  • 얕은 딤플을 남기지만 일반적으로 벽개파괴의 전형적인 양식을 띈다.
  • 의사벽개파괴 : 벽개면에 따른 파괴인지 아닌지가 명확하지 않은 파괴

벽개파면

의사벽개파면

(ii) 입계파괴 (transgranular fracture)

  • 결정립계에 편석과 석출물이 많고, 어닐링 취화와 같은 영향을 받아 입계가
  • 약화된 때 또는 고온에서의 크리프파괴, 부식환경하에서 균열이 진행할 때에
  • 생기는 수가 있다.
  • 입계연성파괴 : 입계에 따라서 기공이 형성되고 합체해서 파괴하는 것.
  • - 미시적으로는 연성파괴이지만, 거시적으로는 소성변형량은 적고 취성파괴이다.

<입계연성파면>

<입계취성파면>

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2.2 변형과 파괴의 기구

  • 벽개형 파괴 (cleavage type fracture)
  • => 각 결정구조에 고유의 벽개면에 따라 벽개면에 직각으로 원자가 분리.
  • 전단형 파괴 (shear type fracture)
  • => 결정이 슬립면을 따라서 소성변형을 일으키고 슬립변형에 의해서 분리.

<벽개형 파괴>

<전단형 파괴>

a. 이상적 항복강도

G 의 약 1/10정도로 추정

단면치수가 ㎛정도인 시료인 경우 이상적인

항복강도값을 얻을 수 있으나, 통상치수의 시료를

사용하면 이것의 1/10~1/100정도 이하의 값밖에

얻을 수 없다.

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(i) 전위의 기하학적 모양

- 전위

칼날전위 (edge dislocation) : 결정면이 도끼를 통나무에 끼워 넣은 양상.

비커스 벡터가 전위선의 방향과 직각.

나선전위 (screw dislocation) : 비커스 벡터가 전위선의 평행.

혼합전위 (mixed dislocation) : 칼날전위 + 나선전위

<나선전위>

<칼날전위>

<혼합전위 원자배열>

<혼합전위 모식도>

<비커스 벡터의 정의>

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(ii) 전위운동

① 상승운동 : 원자공공의 흡수 또는 방출에 의해 잉여반평면(extra half plane)의

선단의 원자를 제거하면서 칼날전위의 슬립면에 대한 수직운동을 함.

조그(jog)가 전위선에 따라 차례차례로 이동함으로써 행해짐.

온도가 높을수록 현저함.

② 전단력에 의한 슬립운동 : 전위가 슬립면상을 슬립운동하면 슬립한 영역이

증가하여 결정은 소성변형을 함.

칼날전위의 경우 양자가 하나의 면만을 슬립운동 함.

나전전위의 경우 운동 도중에 다른 면상으로 이동할 수 있음. (교차슬립)

교차슬립(cross slip) : 실용금속에서 가공경화성을 결정.

<전위의 상승운동>

<전위의 교차슬립>

; AB가 A’B’로 이동

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(iii) 전위의 탄성변형 에너지

•변형에너지 –전위가 존재하면 원자배열이 흐트러져 응력장 또는 변형장이 형성.

- 변형장에 축적되어 있는 에너지를 전위의 변형에너지라 함.

- Ec(전위의 중심에 있어서의 에너지) + Ee(중심 외측에서의 에너지)

- Ec는 해석이 곤란하지만 Ee는 가능하고 에너지의 대부분을 차지.

<나선전위의 단위길이에 의한 탄성변형>

- 전단변형 :

- 단위체적당 에너지 :

(응력)(변형)

∴ 탄성에너지 :

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(iv) 전위의 증식

<Frank-Read기구에 의한 전위의 중심>

․Frank-Read 기구

  • 슬립은 입체적으로 연결되어 있고, 각 부분은 슬립면상에 있지만 동일 슬립면은 아니다.
  • 외력이 작용하면 임계전단응력에 제일 먼저 도달한 슬립면상의 전위가 움직이지만
  • 전위선 양단인 A, B는 움직일 수 없다.
  • 외적이 증가하면 AB의 전위선은 (b)→(f)의 과정을 거쳐서 하나의 전위루프를 만들고
  • 처음의 상태인 전위 AB를 남긴다.
  • AB는 이러한 운동을 반복하여 많은 전위루프를 증식하고, 이 루프가 확대하여 결정의
  • 표면으로 나와서 커다란 단을 형성한다.
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b. 이상적 파괴강도

(i) 벽개파괴강도

:미지의 재료상수

→ 이상적 파괴강도는 휘스커와 같은 특별한 재료를

사용하면 얻을 수 있지만 일반적인 금속재료에서는

예측값의 1/10~1/100이나 그 이하의 값으로 나타난다.

<이상적 벽개파괴강도의 추적>

(ii) 전단파괴강도

- 이상적 전단파괴강도의 추정값은 G /10정도로 된다.

G : 전단탄성계수

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파괴인성

력응확대계수 K I

c. 강도를 저하시키는 인자

  • 강도저하의 원인 중 대표적인 것은 전위를 중심으로 하는 격자결함과 균열이다.
  • 이상적 파괴강도를 저하시키는 결함으로 벽개형 파괴의 경우는 응력집중, 전단형
  • 파괴의 경우는 항복강도가 주역할을 한다.
  • 전단형 파괴의 경우 강도뿐만 아니라 연신이 문제로 되고, 이것에 대해서는
  • 석출물, 개재물, 2상(dual phase)입자 등의 총량이 중요한 인자가 된다.
  • - 벽개파괴에 대한 결함은 균열과 전이 이다.

d. 파괴모델

(i) 이미 존재하는 균열에 의한 완전취성체의 파괴모델 (Griffith의 파괴모델)

Griffith 파괴모델은 균열을 갖는 부재의 파괴강도를

취급하는 하나의 방법론이고 이것을 이용해서 균열재의

파괴응력이 균열치수에 어떻게 의존하는가를 밝힌

획기적인 모델이다.

<일방향 인장응력을 받는 무한판중의 균열>

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(ii) 단결정의 벽개파괴 모델

•단결정의 경우 Griffith균열이 미리 존재하지 않고 인장축의 방위에 따라 파괴거동이 크게 변한다.

  • Cottrell : {110}계 슬립을 기초로 한 벽개균열의 발생모델을 제안.
  • 벽개균열의 발생‧성장조건을 에너지론적으로 검토.

<[011]축 인장에 의해 작동한 슬립면>

<슬립전위에 희한 벽개균열 발생모델>

  • Honda : 실리콘 철을 관찰하여 변형쌍정의 교차에 의한 벽개균열 발생모형 제안.

Honda의 관찰에 의하면 슬립전위의 반응에

의한 벽개균열의 발생은 인정되지 않는다.

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(iii) 다결정 단상금속의 벽개파괴 모델

•다결정재의 경우 단상금속에서도 입계가 전위의 운동장해로 되기 때문에 응력집중에서 벽개파괴.

  • Stroh : 집적전위의 응력집중에 의해 슬립밴드의 선단에서 인접결정립중에
  • 미시균열이 발생할 조건을 에너지적으로 검토하였다.

<입계에 집적한 전위에 의한 벽개파괴 발생모델>

가 일정하면 발생한 균열은 필히 성장을 계속하고,

파괴는 균열발생에 의해서 지배된다.

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(iv) 연성파괴 모델

•기공의 발생‧성장‧합체의 각 과정을 모델화하고 재료의 파단연성, 인성, 가공한계 등을 계산.

<기공의 성장을 주과정으로 하는 연성파괴>

<기공의 합체를 주과정으로 하는 연성파괴>

  • McClintock 모델: 기공을 원주공으로 바꾸고, 이 원주공의 성장특성을 무한체
  • 가운데에 존재하는 단일공의 소성해를 이용해서 추정하고
  • 파단연성을 구함.
  • 불순물 체적률이 적은 경우 이외에는 해석값과 실험값은 일치하지 않음.
  • Rice와 Tracey는 기공을 원공으로 한 보다 실제에 가까운 해석을 수행.
  • Thomason 모델: 구멍 상호간에 작용하는 내부연신에 의한 구명의 합체를 중시.
  • 파단연성에 대해서 비교적 좋은 예측값을 주지만, 너무나 단순화된
  • 모델이기 때문에 실제문제에 대한 적용에는 문제가 있음.
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2.3 취성파괴와 연성파괴

a. 취성파괴와 연성파괴의 특징

(i) 취성파괴

  • 구조물, 기계‧기기에 있어서 가장 위험한 파괴이다.
  • 특징 : 파괴에 이르기까지의 소성변형이 적다.
  • 파괴에 요하는 에너지가 적다.
  • 발생한 균열이 급속히 진전된다.
  • 노치취성 : 연성을 나타내는 재료에서도 균열 또는
  • 노치가 존재하면 취성파괴를 일으킨다.
  • 천이현상 : 체심입방금속의 경우 저온에서는 취성벽개파괴를 일으키고,
  • 고온에서는 연성파괴를 일으킨다.
  • - 구조물의 최저 사용온도와 재료의 연성-취성 천이온도가 설계시 변수가 된다.

(ii) 연성파괴

  • 파괴까지의 소성변형이 크고, 일반적으로 안정한 파괴, 과부하에 의한 파괴이다.
  • 구조설계의 입장에서는 그다지 문제되지 않는다.
  • 실용재료의 전형적 파단형태는 컵 앤 콘(cup and cone)형이다.
  • 연성은 재료중의 개재물, 제2상 입자의 크기, 양에 의존할 뿐만 아니라 응력의
  • 3축 상태의 크기에 강하게 의존한다.
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b. 충격흡수에너지

(i) 샤르피 충격시험

  • 연성-취성 천이현상을 나타내는 재료에 대하여
  • 가장 넓게 사용되고 있는 충격시험.
  • 흡수에너지(absorbed energy), 충격치:
  • 시험편의 파단에 필요한 에너지.
  • 인성의 척도로 많이 사용.

<V노치 샤르피 시험편의 파면>

(ii) 충격시험에서의 연성-취성 천이와 파면

  • 천이온도 : 흡수에너지, 파면율이 급격히 변화하는 온도.
  • 에너지 천이온도(FETT) : 흡수에너지가 최대치의 ½이 되는 온도.
  • 파면 천이온도(FATT) : 파면율이 50%로 되는 온도.
  • 천이현상 : 강도가 낮은 철강재료에서는 현저하지만, 강도가 높은 합금강, 티탄합금,면심입방금속인 알루미늄합금, 오스테나이트계 스테인리스강에서는 명료하게 나타나지 않는 경우가 많다.
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c. 연성-취성 천이온도

(i) 천이온도를 지배하는 인자

- 야금학적 인자

- 동종의 조직에서도 결정립의 치수, 탄화물의 양, 크기에

의해서 크게 변동된다.

- 탄소량이 증가함에 따라서 천이온도 상승, 에너지 저하.

- 합금성분에 의해서도 천이온도는 영향을 받는다.

- 탄화물의 미세분산 및 조직의 미세화에 관계가 있다.

- 개재물은 연성파괴에 관계하므로 흡수에너지에 영향을 준다.

- 역학적 인자

  • - 노치와 변형률 속도.
  • - 소성구속의 정도는 노치의 예리함, 시험편 형상과 치수,
  • 인장과 굽힘 등의 부하형식에 따라 다르므로 천이온도에도
  • 이러한 인자들이 영향을 미친다.
  • 변형률 속도의 증대에 의한 천이온도의 상승은 재료에 따라
  • 다르지만 일반적으로 저강도의 강재일수록 영향이 현저하다.
  • - 벽개파괴가 응력지배형의 파괴라는 것과 깊은 관계가 있다.
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(ii) 천이조건의 모델

  • Ludwik : 온도의 저하와 노치의 존재 등에 의해 Y곡선이 B곡선에 비해 현저하게
  • 상승하고, 파괴시의 소성변형률은 감소, 즉 취화하기 때문에 천이현상이
  • 발생한다.
  • 연성파괴와 취성벽개파괴는 기구가 다르다는 사실을 설명할 수 없다.
  • Davidenkov : 취성파괴 외에 연성파괴에 대한 파괴응력곡선 D가 존재한다고
  • Ludwik의 생각을 수정.
  • Orowan : 여러가지 노치비를 갖는 환봉시험편에 대해서 연성파괴가 최대인장응력
  • 또는 전단응력일정의 조건에는 따르지 않는다는 것을 나타내고,
  • 연성파괴에 대해서는 파괴응력곡선은 존재하지 않는다고 추론했다.

․그 후의 연구에 따르면 벽개파괴는 최대인장응력 일정의 조건에 따르고 있으며,

연성파괴의 기준은 3축응력의 함수로 소성변형률이 일정하다는 조건으로 나타낼 수 있으므로

Orowan의 생각이 기본적으로는 옳다는 것이 검증되었다.

slide19

2.5 새로운 강도재료

a. 강한 인성강

  • 강도 : 재료의 변형에 대한 저항
  • 기본적 강화기구 (elementary strengthening mechanism)
  • (1) 결정립의 미세화 강화
  • (2) 가공경화
  • (3) 고용강화 및 규칙화 강화
  • (4) 석출강화 및 분산강화
  • (5) 마르텐사이트 강화

(i) 결정립의 미세화 강화

  • 결정립에 큰 것이 큰 응력집중을 일으키고 이것만큼
  • 응력이 작아져서 결국 항복응력을 감소하게 된다.
  • 단위부피에 존재하는 결정립의 수가 많아지면
  • 전위의 장애물도 많아진다.
  • 따라서 변형에 대한 저항도 상승한다.
  • 많은 전위가 한 입계 등에 집적하지 않기 때문에
  • 국부적인 커다란 응력집중은 일어나기 어렵다.
  • 그러므로, 결정립이 미세한 재료는 강도 뿐만
  • 아니라 인성도 풍부해진다.
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(ii) 가공경화(strain hardening, work hardening)

⇒ 어닐링 과정의 3단계.

⇒ 모든 재료는 가공에 의해 단단해지고

가공도의 증가에 따라 강도 및 경도는

상승하지만, 연성은 일반적으로 저하한다.

제1단계⇒슬립이 용이한 영역.

전위의 운동에 대한 장애물이 형성되지 않으므로

가공경화를 거의 일으키지 않는 단계.

제2단계⇒선형 가공경화 영역.

전위의 움직임이 활발하게 되어 부동전위가 형성되어

강화가 현저히 나타나는 영역.

제3단계⇒가공경화가 감소하는 영역.

교차 슬립을 일으키게 되어 연화현상이 일어나는

동적회복단계.

<금속단결정의 응력-변형률 곡선>

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(iii) 고용강화(solid solution strengthening)

  • 치환형 고용체 : 용매원자와 용질원자의 크기가 거의 같은 경우 용질원자는
  • 용매원자의 결정격자의 격자점에 차지하는 경우.
  • 침입형 고용체 : 용질원자가 용매원자보다 훨씬 작은 경우에 용질원자는
  • 용매격자의 격자간 위치를 차지하는 것.

<치환형 원자의 고용에 의한 격자변형>

⇒ 고용원소 첨가에 의한 경도증가는 용질원자와 용매원자의 크기 차이,

즉 용질원자 첨가로 생기는 격자정수변화에 관계가 있다.

⇒ 용질과 용매의 상대원자가도 고용강화에 영향을 미친다.

결정립의 크기가 같으며, 격자상수가 같고, 전자-원자비가

같은 합금은 초기 항복응력이 같지만 큰 변형에서 유동곡선이

달라진다.

․고용강화는 용질원자와 전위의 탄성상호작용, 탄성계수 상호작용, 전기적 상호작용,

적층결함 상호작용, 단범위규칙도 상호작용, 장범위규칙도 상호작용 등에 기인한다.

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(iv) 석출강화(precipitation strengthening) 및 분산강화(dispersion hardening)

  • 석출강화 : 제2상의 형성에 의해 강화되는 기구.
  • 분산강화 : 제2상 입자로 인하여 생기는 강화.

⇒ 단일상(α상)이 존재하는 T1의 온도로부터 서냉하면 용해도의

곡선과 만나는 T2의 온도에서 제2상인 β상을 석출하기 시작

하여 상온에서는 α상과 β상의 2상의 혼합상태로 된다.

⇒ 용체화처리(solution treatment) : T1의 온도에서 급랭하면

제2상(β상)이 석출할 수 있는 시간적인 여유가 없으므로

2상으로 되지 않고 과포화상태의 불안정한 단일상이

얻어진다.

<석출강화과정의 설명도>

⇒ 과포화상태는 안정한 상태가 아니므로 용질원자가 불규칙적으로 분포하게 된다. 그런데

이 상태로 상온에서 오랫동안 방치하거나 온도를 조금 높이면 안정한 상태의 2상(α상+β상)

공존상태로 이행하는 준비단계에서 현저한 강화가 일어나는데 이를 석출강화라 한다.

<Al-4.5%Cu 단결정의

여러가지 조건에서의

변형거동>

<Al-Cu합금을 시효했을 때 경도의 변화>

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(v) 마르텐사이트 강화

⇒ 강을 퀜칭하여 오스테나이트를 무확산 전단응력을 일으켜 마르텐사이트로 변태시키는

강의 강화방법중 가장 효과적이고 중요한 것.

⇒ 탄소 0.3%이하의 함량에서는 매우 민감함.

⇒ 퀜칭하여 페라이트로의 빠른 변태는 철의

탄소용해도를 크게 감소시킨다.

<오스포밍의 설명도>

⇒ 마르텐사이트 강화 + 가공경화

⇒ 강을 A3점 이상의 오스테나이트 영역까지

가열한 후 이 강의 재결정 온도 이하 Ms점

이상의 온도범위의 불안정 오스테나이트

영역으로 급랭하여 이 온도에서 소성가공을

행한 후 급랭하는 방법

<탄소함량에 따른 마르텐사이트 경도의 변화>

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⇒ 강을 Al온도 이하 베이나이트 반응온도 이상에서

소성변형시킨 후 Ms이하로 냉각시켜 얻은

마르텐사이트는 가공하지 않았을 때보다 훨씬 큰

강도를 갖게 된다.

⇒ 취성파면을 관찰해 보면 페시트가 적을수록

인성이 좋다(연성-취성 천이온도가 낮다).

․가공열처리는 소성가공과 열처리를 병행한 처리의 총칭이나 오스테나이트를 압연에 의해 가공해서 페라이트로 변태시키는 제어압연 및 제어냉각과 오스테나이트를 압연 후 즉시 냉각시키는 직접퀜칭 또는 오스폼이라는 처리가 보금되어 있다. 이것에 의해 패시트가 적게 되고 강도도 상승한다.

<오스포밍에 의한 강도와 연성의 변화>

  • ․강의 인성 강화 방법
  • (1) 유해불순물의 제거, 합금원소의 조정
  • 가공열처리 (오스포밍)
  • 결정립의 미세화
  • 잔류오스테아니트의 이용
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b. 고강도 고분자재료

⇒ 고분자사슬의 공유결합력을 100% 활용하기 위해서 접어서 작게 되어 있는 분자사슬의

연신을 어떻게 최소화시켜서 부하방향으로 배열시키느냐에 있다.

⇒ 배열방법은 굽히기 쉬운 고분자를 사용해서 굽어서 작게 되어 있는 분자사슬의 연신을

없애는 방법이 있고, 강직한 고분자를 사용해서 분자사슬이 굽어서 작게 되는 것을

미연에 방지하는 방법이 있다.

⇒ (1)은 융액, 용액의 구조

: 분자사슬이 인접한 것끼리 자유로이 결합.

⇒ (2)는 합성섬유제조시의 연신가공 전과 고분자

성형품에 있어서의 구조

: 분자사슬이 촘촘히 접혀서 작게 되어 있음.

⇒ (3)은 인접라멜라 사이를 연결한 구조

⇒ (4)이상구조

: 사슬의 길이가 유한하기 때문에 말단에 의한 빈

구멍의 결함이 있음.

⇒ (5)성형 후의 분자간 다리걸기 반응 구조

: t방향의 약한 결점을 보완.

⇒ (6)흑연구조.

<휘기 쉬운 고분자와 강직한 고분자>

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c. 복합재료

(i) 복합재료의 정의

  • 2종 이상의 재료를 조합성형함으로써 단독소재가 나타낼 수 없는 성질을 발휘하게 한 재료.
  • ⇒ 분산상(dispersed phase)
  • 소재들 사이에 명료한 계면이 있으며, 적어도 화학적으로 다른 두개의 물질을 조합시킨 것.
  • ⇒ 매트릭스상(matrix phase)

<복합재료의 종류>

<여러가지 재료의 비강도의 변천>

<복합재료 조합의 개략>

<여러가지 재료의 비강도와 비탄성률의 비교>

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(ii) 복합재료의 종류

<입자분산형 복합재료와

섬유형 복합재료의 비교>

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(1) 섬유강화형 복합재료

‧유리섬유강화 플라스틱(glassfiber reinforced plastics) : 유리와 같은 재료를 섬유의 형으로

하면, 그 직경이 작게 되고 내부결함의 수가 적게 되는 동시에 결함의 크기가 작기

때문에 강도가 향상한다.

<각종 유리섬유와 그 특성>

<유리섬유의 인장강도와 직경의 관계>

⇒Thomas : 유리섬유의 제작, 시험과정에서

섬유가 외적 원인에 의한 손상을

받지 않으면 강도는 변하지 않는다.

⇒Griffith : 직경이 작게 될수록 결함이 감소

하여 강도가 증가한다.

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<각종 섬유의 특성>

<휘스커의 특성>

‧강화섬유로서 최근 주목받고 있는 것은

휘스커(whisker)이다.

‧휘스커는 그 내부에 함유된 전위가

작으며 대단히 높은 강도를 갖고 있다.

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<매트릭스의 특성>

‧매트릭스는 섬유강화형 복합재료에

이용되고 있으며, 분산상 재료에

비해서 성형성이 좋은 연질재료가

이용된다.

(2) 입자분산형 복합재료

: 분산상이 입자상인 특수한 경우로서, 절편, 즉 플레이크(flake)를 함유한 것.

분산강화 복합재료(dispersion reinforced composite materials):입경이 0.1~0.01μ인 경우

입자강화 복합재료(particle reinforced composite materials):입경이 1~50μ인 경우를

① 비금속입자-비금속매트릭스

  • 매트릭스와 함께 입자의 재질로서 무기재료나 유기재료가 사용.
  • 콘크리트 : 무기재료 입자와 무기재료 매트릭스를 조합한 예.
  • 입자는 불규칙한 모양을 하고 있지만, 최근 구 및 중공구가 얻어져 분산상으로 이용.
  • 구의 재질로서는 유리, 고분자, 탄소 등 여러종류가 있음.
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② 금속입자-비금속매트릭스

  • 금속입자 또는 플레이크를 분산시키면 전열성은 좋게 되고, 열팽창은 작게 되며,
  • 마모가 작게 되는 등의 효과가 있다.
  • - 로케트의 추진제 : 알루미늄 분말을 폴리우레탄 중에 분산시킨 것.

③ 금속입자-금속매트릭스

  • 금속입자가 매트릭스보다 경한 경우 : 텅스텐, 크롬, 몰리브덴 입자를 이용한 경우.
  • ⇒ 내열성이 있는 강인한 재료를 얻을 수 있다.
  • 금속입자가 매트릭스보다 연한 경우 : 납의 입자를 동합금과 철에 분산시킨 경우.
  • ⇒ 기계가공성이 좋게 된다.

④ 비금속입자-금속매트릭스

  • 분산상으로서는 세라믹재료(시멘트)가 이용.
  • 분산상의 재질 : 산화물, 탄화물
  • 텅스텐 카바이드에 코발트를 매트릭스로서 복합시킨 것은 고경도를 가지므로
  • 인선다이스와 밸브 등에 이용된다.
  • 크롬카바이드를 이용한 경우 내식성 내마모성이 좋아지며, 철에 가까운 열팽창계수를
  • 지니므로 밸브재료로 적절하다.
  • - 티탄카바이드를 사용하면 내열성이 좋아서 고온하의 터빈재료로서 적절하다.
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(iii) 복합재료의 강도계산

- 연속섬유에 의한 일방향 강화재료의 길이방향의 강도

: 복합재료 강도의 복합법칙

- 일방향 강화재료의 섬유와 직각방향으로 하중이 작용할 때의 강도

⇒ 박리응력 : 적층재료에서는 인장에 대해 판두께 방향의 응력.

강도저하계수 :

․보강섬유의 고성능화를 이루기 위해서는 첨단 복합재료로서 탄소섬유, 아라미드섬유(Kevlar),

보론섬유가 사용되고 있다.

․또 충격과 피로 등의 결점을 메우기 위해 하이브리드재료(hubrid materials, 이종섬유

강화재료를 적층한 구조)로서 유리섬유와 탄성섬유, 탄소섬유와 아라미드섬유가

사용되고 있다.

․내열성 모재수지로서는 신규 비정성의 열가소성 폴리이미드(K-폴리머), 폴리에테르 에테르케톤

(PEEK) 등이 연구되고 있다.

․유리섬유강화 플라스틱(GERP)의 유리섬유 대신 알루미나 섬유나 탄화규소섬유, 플라스틱

대신에 알루미늄, 알루미늄합금, 구리 등을 사용한 섬유강화금속(FRM)이 주목되고 있다.

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d. 세라믹재료

  • 질화규소와 탄화규소 같은 비산화물계의 세라믹이 등장.
  • 비산화물계 세라믹은 공유결합에 가까운 결합을 가지므로 본질적으로 강함.

<대표적인 세라믹의 기계적 특성>

  • 탄화규소 : 경도가 높고, 내산화성, 내식성이 뛰어나다.
  • 실온강도는 질화규소보다 약간 떨어지지만, 고온에서 사용하기에 적합하다.
  • 열전도율이 높아 방열을 촉진시키기 위한 기관재료로서의 응용이 주목된다.
  • 질화규소 : 탄화규소 다음으로 단단하고, 내마모성도 뛰어나다.
  • 굽힘강도는 탄화규소보다 높지만, 고온에서는 상당히 저하된다.
  • 높지도 낮지도 않은 열전도율을 필요로 하는 엔진관계 부재에의 적용이 시도된다.
  • 내마모, 경도를 이용하는 상온기계에도 적용이 시도되고 있다.
  • 사이아론 : 일종의 산화물로서 특성은 산화물과 질화물의 중간정도이다.
  • 기계적 성질은 크리프 특성과 내산화성이 좋다.
  • 조성에 따라서 저팽창인 것도 얻어지며 질화규소와 아주 유사한 방향에
  • 적용이 시도된다.
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부분안정화 지르코니아 : 3mol% 정도의 Y2O3또는 그 이외의 물질을 첨가하여 소결한 것.

  • 강도와 인성이 높다.
  • 조직은 비평형상태이므로 200~300℃에서 상전이가 일어나고 열화한다.
  • 알루미나 : 1000℃이하에서는 대단히 균형된 성질을 갖고 있다.
  • 산화물이지만 중요한 세라믹재료이고 열전도율이 낮아서 단열용에 사용된다.

<가능성을 포함한 세라믹의 용도>

․상온에서는 내식, 내마모, 경량이 주목되고, 고온에서는 내열성, 고온고강도, 내식, 내마모성이

주목된다.

․내열합금용의 원소에 비해서 세라믹은 Si, C, N등 주변에 풍부하게 존재하는 원소로 되어 있기

때문에 자원적으로도 의미가 크다.