같은 재료로 만든 도자기라도 어떤 제품은 갑자기 깨지고 어떤 제품은 작은 균열부터 늘어나는 이유는 무엇일까요?

Question

내부 응력과 미세구조, 제조조건의 차이가 파괴 방식에 미치는 영향을 소재공학 관점에서 쉽게 설명해 주시면 좋겠습니다.

성실한 답변 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

같은 재료로 만든 도자기라도 내부의 기공, 미세균열, 결정립 크기와 분포가 다르면 깨지는 방식도 달라질 수 있습니다.

도자기는 금속처럼 크게 늘어나지 못하는 취성재료라 작은 결함에 응력이 집중되 버리면 균열이 매우 빠르게 퍼질 수 있습니다. 소성 온도나 냉각 속도가 달라 내부에 잔류응력이 많이 남아 있으면 겉보기에는 멀쩡해도 충격을 받는 순간 갑자기 파괴되 버리는 것입니다.

반대로 미세균열이 여러 곳에 분산돼 있거나 균열 진행을 방해하는 미세구조가 형성돼 있다면 작은 균열이 먼저 나타난 뒤 점차 커질 수 있습니다. 유약층 또한 도자기 몸체의 열팽창 차이에 있어서도 내부 응력을 만들어 내기 때문에 제조조건에 따라 내구성이 크게 달라질 수 있습니다.

결국에는 도자기의 파괴되는 방식은 재료 이름보다도 내부의 결함과, 미세구조, 소성조건, 냉각 과정에서 만들어진 응력 상태에 의헤 크게 좌우된다고 보시면 되겠습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

같은 재료로 만든 도자기라도 소성 온도와 냉각 속도 내부 기공과 결정 구조에 차이가 생기면 강도와 균열 발생 방식이 달라집니다 도자기 내부에 잔류 응력이 남거나 표면에 미세한 흠집이 있으면 작은 균열이 시작될 수 있으며 균열이 천천히 성장하면 금이 점차 커집니다 반대로 내부 결함이 임계 크기에 도달하거나 외부 충격으로 균열이 급격히 퍼지면 갑자기 깨질 수 있습니다 즉 재료의 미세구조와 제조조건 내부 응력이 차이가 도자기의 파괴 양상을 결정하며 이를 관리하는 것이 제품의 내구성을 높이는 핵심입니다

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

파괴 방식이 갈리는 건 내부에 응력이 어떻게 갇혀 있느냐 때문이에요. 도자기는 굽고 식히는 과정에서 유약과 몸통의 수축률이 달라 내부에 힘이 남아요. 유약이 더 많이 수축하면 표면이 당겨진 상태가 되고, 몸통이 더 수축하면 표면이 눌린 상태가 돼요. 세라믹은 눌리는 힘에는 강하고 당겨지는 힘에 약하니, 표면이 당겨진 채 굳은 제품은 작은 자극에도 균열이 시작돼요.

여기에 균열이 퍼지는 속도를 정하는 게 미세구조예요. 소결이 잘 되어 치밀한 제품은 균열을 막아줄 기공이나 입자 경계가 적어서, 한번 균열이 생기면 멈추지 않고 한 번에 관통해요. 갑자기 쨍 하고 깨지는 쪽이에요. 반대로 기공이 적당히 있거나 결정 입자가 크고 불균일하면 균열이 진행하다 그 경계에서 방향을 꺾거나 멈춰요. 그래서 실금이 생긴 채로 한동안 버티다 서서히 늘어나요. 유약에만 잔금이 퍼지는 크레이징도 몸통까지 균열이 못 넘어간 상태예요.

제조조건이 이 모든 걸 정해요. 냉각을 빠르게 하면 표면과 내부의 수축 시점이 어긋나 큰 잔류응력이 남고, 소성 온도가 낮으면 소결이 덜 돼 기공이 많이 남아요. 유약과 태토의 조성 궁합도 수축률 차이를 정하죠. 강화유리가 표면을 일부러 눌러둬 강해지는 것과 같은 원리로, 도자기도 유약 조성을 조절해 표면에 압축 응력을 걸어 만들면 훨씬 잘 버텨요 :)

Answer 4

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

같은 재료라고 해도 어떤 방식으로 어떤 모양으로 만드냐에 따라 물성은 다양하게 변화하게 됩니다.

이는 재료 내부의 미세구조와 그로 인해 발생하는 응력의 집중 및 분산 방식이 완전히 다르기 때문입니다.

도자기는 흙을 구워 만드는 세라믹 소재 입니다. 겉보기엔 매끄러워 보여도 자세히 보면 수많은 알갱이와 기공으로 이루어져 있습니다. 갑자기 도자기가 깨진다는 것은 취성 파괴 라고 하는데 내부에 기공이 없이 너무 빽빽하게 밀집하여 있는 경우인데 이때는 외부의 미세한 충격에도 순식간에 파괴될 수 있습니다.

실금부터 차차시작되는 도자기의 경우는 큰 알갱이와 작은 알갱이가 섞여 있거나 미공과 알갱이가 적절하게 결합되어 있는 경우 한번에 깨어지지 않고 금이 가다가도 에너지가 분산되면서 미세한 실금형태로 형태를 유지하면서 천천히 파괴되게 됩니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)