크리프(재료역학측면)
1 크리프 개요
1) 크리프(Creep) 의 정의
- 소재에 일정한 하중이 가해진 상태에서 시간의 경과함에 따라 소재의 변형이 계속되는거나 심화되는 현상.
- 재료가 고온(일정온도)에 장시간 노출되어 일정한 하중을 받는 경우, 항복점 이하의 응력에서도 시간경과에 따라 변화 또는 파괴되는 현상.
- 일정한 응력하에서의 변형률의 증가로 정의할 수 있음.
2) 크리프의 특징
- 재료가 0.4~0.5Tm(Tm : 융점) 이상의 온도에서 하중을 받으면 원자의 확산 효과에 의해 전위나 공공의 이동이 증가하기 때문에 재료의 강도는 일반적으로 온도만이 아니라 시간에도 의존한다. → 이 온도 역을 크리프역이라고 함
- 노치가 있는 재료의 경우 크리프 강도는 변화한다.
* 노치 선단에 응력집중이 생기면 크리프 변형이 촉진되어 크리프 경향이 저하 된다(노치약화)
* 노치 선단에 소성구속(가공경화)은 크리프 변형을 억제해 크리프 강도를 상승시킨다(노치강화)
- 맞대기 용접 비드 덧붙이를 삭제하면 노치효과가 없어지므로 크리프 강도는 개선되나, 용접금속의 크리프 강도는 모재에 비해 약하므로 개선의 정도는 미미하다.
2 크리프 선도
1) 크리프 거동(크리프 선도)
2) 구간별 정의
① I 지점 : 천이크리프 ▶ 변형속도가 시간이 지나면서 감소
② II지점 : 정상크리프 ▶ 변형속도가 일정하거나 최소로 변형
* 결정이 미세할수록, 온도가 높을수록, 응력이 높을수록 변형속도가 크다
③ III지점 : 가속프리프 ▶ 변형속도가 차차 증가하여 결과적으로 파괴됨(크리프 파단)
3) 크리프의 속도
- 관련 공식
* C : 상수
* m, b : 크리프지수
* Q : 활성화에너지
* d : 결정립의 크기
* K : 볼츠만상수
* T : 절대온도
3 크리프의 활용 및 관리
1) 강재의 크리프
- 탄소강 : 250℃ 이상에서 나타남, 350~400℃ 이상에서 급격히 증가함.
2) 크리프의 관리
① 용접에서의 크리프 강도 고려사항
- 응력집중을 받는 노치등 용접부의 형상개선
- 합금원소 첨가에 의한 결정립 미세화
- 가능한 모재에 가까운 크리프 연성을 가지는 용접부가 얻어지는 용접방법 재료 적용
--> 용접부에서는 크리프 강도보다 크리프 연성이 중요
② 크리프 강도에 미치는 원소
- C : 타소강이나 저합금강은 비교적 낮은 온도하에서 크리프강도를 증가시키나 500℃ 이상에서는 효과가 없다.
- Cr : 내열강에서는 반드시 첨가되며 크리프 강도, 내식성을 증대시키는 효과 있음.
- Mo : 소량의 첨가로 크리프 강도를 현저히 증가. Cr-Mo에서 0.5%이내로 첨가
- V : 탄화물 생성원소로 크리프 강도를 개선함, Cr-Mo에서 0.25%이내로 첨가