금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온도 DBTT)

 

1. 개요

 

1) 취성 정의

 물체가 연상을 갖지 않고 파괴되는 성질 

 

2) 취성의 종류 

• 저온취성 
• 청열취성 (Blue Shortness)
• 적열취성 (Hot Shortness)
• 수소취성
• 재열취성 (용접시)
• 뜨임취성
  • 저온 뜨임 취성
  • 1차 뜨임 취성(고온 취성)
  • 2차 뜨임 취성(고온 취성) 

 

2. 취성의 구분 및 특징

 

1) 청열취성

200~300도 범위에서 저탄소강을 인장시험하면 인장강도는 증가하지만 연성이 저하하는 경우를 청열취성이라 함
탄소강은 200~300도에서는 가공을 피해야하며, 이 온도범위에서 표면에 푸른 산화 피막이 형성되어 청열취성이라고 불림 

• 청열취성은 질소(N) 또는 탄소강 중 탄소의 석출에 기인 
• 표면의 산화피막은 인(P)에 기인

방지대책

• 질소가스, 산소 와 같이 탈탄이나 강재를 경화시키는 가스를 배재시킴
• 취성 발생 범위인 2~300도 구간을 급냉시켜 피함
• 해당 구간에서는 소성가공하지 않는

2~300도에서 연신율이 떨어지는 현상, 청열취성

 

2) 적열취성

황(S)을 많이 함유한 탄소강이 약 950도에서 인성이 저하되는 특성을 말함 
고온으로 가열시 저융점인 황(S)이 액상이 되어 결정립계로 편석됨 

• 900~950도 고온에서 Fe + S → FeS가 되어 취성이 생김 
• FeS는 융점이 낮으므로 (약 1200도) 고온에서 약하고 가공시 파괴의 원인이 됨 

3) 저온취성 

모든 금속은 온도가 낮으면 취성이 발생됨
탄소강은 실온보다 저온으로 강하되면 인장강도, 경도 탄성계수, 항복점, 피로한계 등은 점차 증가하나 연신율, 단면수축율, 충격치 등은 감소하여 취약해짐 

• 탄소강의 경우 -70도 부근에서 충격치가 0에 가까워짐 (취성)
• Mn을 첨가하면 처온 취성을 감소시킴
• 구조물에 예리한 노치와 인장 잔류 응력이 있는 경우 저온 취성은 특히 현저하게 발생함

저온 취성, 노치에서 현저하게 발생함

 

4) 상온취성

인(P)을 많이 함유한 탄소강이 상온에서 인성이 낮아지는 현상을 말함 

• 상온에서 Fe + P → FeP가 되어 취성이 발생 

5) 뜨임취성 (Tember Brittleness)

강은 담금질 후 내부 변형을 제거하고 인성 및 연성을 증대시키기 위해 뜨임을 실시함
그러나 충격값이 연화와 더불어 증가하지 않고 저하하는 경우가 있는데 이 현상을 뜨임취성이라 함

뜨임 취성은 Mn, Cr, Ni, V 등을 함유하고 있는 합금계 용접 금속에서 많이 발생. 
주요 원인은 결정립의 성장과 결정입계에 석출한 합금 성분때문임

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

 

 

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

① 저온 뜨임 취성

• 200 ~ 400도 사이에서 발생
• 주로 Ni-Cr강에서 발생. 해당 구간 회피 필요 

 

② 1차 뜨임 취성 (고온 뜨임 취성)

• 충격치가 500~550도 부근에서 최소가 되는데, 해당 현상을 고온 뜨임 취성이라 함
• 원인은 결정립계에 탄화물 및 질화물의 석출로 인한 석출성 취성 
• Mo첨가시 방지 가능

 

③ 2차 뜨임 취성 (고온 뜨임 취성)

• 525~600도의 뜨임 온도로부터 서냉했을때 발생 

뜨임취성

6) 재열취성, 재열균열

용접이 완료된 구조물의 후열처리 과정에서 균열이 발생하는 현상 
용접 금속의 강도 향상을 위해 첨가되는 V, Nb, Ti 등의 합금 원소가 미세 석출물로 입계 석출하여 (Nb, Ti등은 탄소와 친화력이 높은 원소이다) 결정입내와 결정립계에 비틀림이 발생하여 균열 발생 

• 해당 균열은 후열처리 온도인 5~600도에서 발생이 쉬우며, 뜨임 취성과 유사하다 
• 재열취성에 의한 균열을 방지하기 위해 균열 촉진 원소를 배제하고 후열처리시 최고가열온도를 모재의 뜨임 온도 이하로 하며, 용접부 구속을 줄여서 방지한다 

7) 수소 취성, 지연취성, 지연파괴

여러 가지 이유로 수소가 금속에 흡수되면 금속의 격자에 변화가 생기면서 결정이 약해진다. 강철 등의 금속 재료에 수소약화가 일어나면 큰 기계나 구조물이 파괴되는 등 심각한 안전사고의 원인이 되기도 한다.
금속부식과 함께 진행되기도 하는데 부식을 일으키는 전기화학적인 반응이 수소약화의 원인이 되기도 하며, 또한
수소취성은 부식 특히 응력부식(stress corrosion)을 촉진하는 하나의 원인 기구이다.

• 재료 내 유입된 수수언자는 미세공이나 취약부근에 수소원자가 모여 수소 분자를 만들게 되는데, 수소분자가 모인 상태에서 외부 응력을 받게 되면 해당 압력으로 취약부의 미세공이 점점 성장하여 파괴에 이름. 해당 현상을 수소 취성이라 함

(1) 수소취성 주요 원인

• 수분이 많은 환경 : 수분이 많은 환경에서 사용시 수소와 재료가 부식을 일으켜 수소가 침투
• 도금 전처리 과정 : 도금액 중 수소가 금속석출과 함께 석출
• 제강 공정 중 수소 유입

(2) 수소취성 방지 대책

• 도장 : 수분의 접촉 회피
• 베이킹처리 : 수소가 침투된 경우, 약 200도에서 2~4시간 베이킹처리시 탈수소가 가능함
• 음극 방식 : 전해를 이용한 도금 및 탈지시 금극 대신 재료에 양극을 주어 수소이온(H+)의 침투를 방지 
• 용접시 저수소계 용접봉을 사용
• 용접 전 예열처리로 수분 제거
• 용접 후 탈수소 처리 

수소취성

3. 취성에 대한 고찰

 

1) 연성-취성 천이 온도 (DBTT, Ductile-Brittle Transition Temperature) 

금속 재료의 충격치는 온도에 따라 변화함. 
강은 고온에서 충격치가 높으나, 100도 이하에서 점차 감소하여 -30도 이하에서는 극히 낮게 됨 
연성에서 취성으로의 천이는 비교적 좁은 범위에서 발생하는데 그 온도를 연성천이온도라고 함 
충격 흡수 에너지가 급격히 저하되거나, 상승되거나, 파단면의 모양이 연성에서 취성 혹은 취성에서 연성으로 현저한 변화가 발생하는 온도를 말함 

• 온도가 증가할 수록 원자 확산이 수월해짐
• 전위의 슬립이 활발하게 일어남
• 특정 온도 이상으로 가열하게 되면 재료 자체가 연성 특성을 갖는 재료로 변하게 됨 

연성-취성 천이 온도는 불순물이나 전위, 편석 등 결함이 많이 존재할떄 슬립에 대한 저항이 높아 변형이 힘들어지면 해당 온도 또한 증가한다. 즉 연성 구간이 줄어든다는 말로, 더 높은 온도에서도 취성 특성을 가진다는 말

 

2) 응력-변형률 선도 비교 (연성 vs 취성) 

연성, 취성에 미치는 요인으로는
1) 탄소함량 (탄소함량이 많아지면 취성 - 주철, 탄소 함량이 적어지면 연성 - 철)
2) 온도 (저온에서는 취성, 고온에서는 연성)

• 연성재료
  인장력이 작용했을때 변형하여 늘어나는 재료 
  
  
• 취성재료
  파단 전 항복 현상이 전혀 혹은 거의 일어나지 않는 재료
  항복강도가 존재하지 않고, 항복응력이 거의 극한강도(인장강도)와 동일함 

연성재료의 응력변형률곡선 (진응력-변형률 곡선)

 

취성재료의 응력-변형률 선도