금속은 왜 일정한 하중을 오래 받으면 서서히 변형되나요?

Question

재료공학에서 크리프 현상을 배우는데, 특히 고온에서 일정한 응력을 오래 받으면 재료가 서서히 늘어난다고 해요. 순간적인 힘이 아닌데도 왜 시간이 지나면서 이런 변형이 누적되는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

크리프를 이해하려면 금속이 완벽하게 굳어 있는 게 아니라는 점부터 봐야해요. 온도가 올라가면 원자들이 가끔 옆자리로 뛰어넘을만큼 활발해 지는데, 여기에 약한 힘이 계속 걸려 있으면 원자가 힘이 당기는 방향으로 갈 확률이 아주 조금 더 높아져요. 한 번의 이동은 하찮지만 수조개 원자가 수천시간 동안 그 방향으로 쏠리면 눈에 보이는 늘어남이 되요. 결정 속 어긋난 자리인 전위도 고온에서는 장애물을 기어올라 넘어가서 변형이 멈추지 않고 이어지구요.

찐득한 엿을 생ㄱ가해보면, 차가운 엿은 힘을 줘도 버티지만 따뜻한 엿은 가만히 걸어두기만 해도 자기 무게로 천천히 늘어지잖아요. 금속도 녹는점의 40% 쯤 되는 온도만 넘으면 이런 흐름이 시작돼서, 터빈 날개나 발전소 배관은 순간 강도보다 크리프 수명을 기준으로 설계해요

순간의 힘에 버티는 것과 오랜시간 버티는 건 전혀 다른문제인거죠 :)

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

금속은 일정한 응력을 받으면 원자들이 조금씩 이동하면서 시간이 지남에 따라 영구적인 변형이 누적되는데 이를 크리프라고 합니다 특히 고온에서는 원자의 확산과 결정 내부의 전위 이동이 활발해져 이러한 현상이 더욱 쉽게 일어납니다 처음에는 변형이 빠르지만 시간이 지나면 변형 속도가 일정해지고 매우 오랜 시간이 지나면 급격히 변형되는 단계로 이어질수 있습니다 따라서 터빈 보일러 엔진처럼 고온에서 장시간 사용하는 금속 부품은 크리프를 고려해 설계합니다

Answer 3

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

금속은 겉보기에는 단단하지만 내부의 원자와 결정 결함은 열에너지를 받게 되면 아주 조금씩 움직이게 됩니다. 특히 온도가 높아지면 원자의 확산도 빨라지고 전위라는 결정 결함도 이동하기가 쉬워지는 상태가 됩니다. 그러면 결국 작은 응력 변형이 계속 진행될 수 있게 됩니다.

처음에는 탄성변형처럼 거의 변화가 없어 보이더라도 시간이 지나면서 이런 미세한 움직임이 누적되어 길이가 조금씩 늘어나는 현상을 보입니다. 고온에서는 전위의 이동 뿐 아니라 결정립계가 서로 미끄러지거나 원자가 빈자리 쪽으로 이동하는 현상도 크리프에 영향을 주기도 합니다.

그래서 항복강도보다 낮은 응력이라도 오랜 시간 지속적일 경우에는 결국에는 눈에 보이는 변형이 생길 수 있는 겁니다. 특히 터빈이나 보일러, 발전설비처럼 높은 온도에서 장시간 사용하는 부품은 순간 강도보다 크리프 수명이 훨씬 중요하게 평가됩니다.

재료공학에서 크리프는 큰 힘 한 번보다 작은 힘과 높은 온도가 오랫동안 누적될 때 재료 내부 변화가 얼마나 커지는지를 보여주는 대표적인 현상이라고 보시면 되겠습니다.