크리프현상(Creep), 크리프 강도 향상 방안, 크리프 시험, 크립 현상

크리프 현상이란?

 

<기출-금속재료>

21-3-3	3. 크리프에 대하여 설명하고, 크리프 강도 향상 방안에 대하여 설명하시오.
15-1-11	11. 철에 니켈 동 원소를 첨가하여 BCC 조직을 FCC 조직으로 변화시켰을 경우 크리프특성의 변화를 결정 구조 변화와 관련하여 설명하시오，
24-3-4	4. 크리프(Creep)현상을정의하고크리프곡선을그려각단계별특징에대하여설명하고, 응력및온도가크리프에미치는영향에대하여설명하시오.
23-2-5	5. 터빈 시스템의 회전체인 로터(Rotor), 터빈 블레이드(Turbine Blade) 등의 핵심부품에서발생하는 크리프(Creep)현상및고온에서 크리프가중요한이유를설명하시오.
22-2-3	3. 크리프시험에대하여설명하고,크리프시험 곡선을 그리고 단계별로설명하시오.
20-2-5	5. 금속의 크리프 현상과 크리프 과정에 대하여 단계별로 설명하고, 크리프가 중요한 이유를 설명하시오.
18-3-5	5. 크리프(creep)곡선에 대하여 설명하시오.
17-1-12	12.플렌지(Flange)의죔볼트가고온에서사용중에그죔력이감소하는이유를설명하시오.

 

 

1. 개요

 

1) 크리프 정의

 고온에서 탄성한도 내의 하중을 오랜시간 가하면, 변형이 점차 증가가 된다. 
이와 같이 금속재료를 고온에서 오랜시간 외력을 걸어놓았을때 시간의 경과에 따라 서서히 변형이 증가하는 현상을 크리프(creep)현상이라고 하고, 해당 변형이 증대될 때의 한계 응력을 크리프 한도 (creep limit)라고 한다.
시간에 따른 연신율을 크리프율이라고 하는데, 크리프율이 0이 되는 응력의 한도를 크리프 한도라고 하는 것이다. 
(최소 크리프율 = 최소크리프속도 (minimum creep rate)) 

금속이 고온도에 유지되면, 열진동이 커지므로 금속 원자가 쉽게 움직이게 되어 확산이 활발해진다. 
따라서 고온도 영역의 하중상태에 대해서는 시간적인 변화를 고려해야한다. 

재료의 성능시험, 재료의 경화능 시험, 조미니 시험, 크리프 시험, 경도 시험

크리프 곡선

 

2) 고온(high temperature)이 강재에 끼치는 영향

(1) 취성 (청열 취성 등)

청열취성 : 탄소강이 250-350도 부근에서 상온보다 부서지기 쉽게 되는 현상 
(침입형 고용체인 C, N에 의해 고용체 강화가 발생하여 인장 강도는 증가하나 수축률(연신율)은 감소되어 취성의 성질 발생) 

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

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온

(2) 크리프 현상, 혹은 열변형

고온에서 일정 응력이 가해졌을때 시간에 따라 변형이 발생함 

(3) 고온 산화 현상(high temperature oxidation)

금속 표면이 고온 환경에서 산소와 반응하여 산화물을 형성하는 과정 
따라서 내열합금을 논할때, 항상 내식성을 고려함.

특히, 강재 초고강도 특성 확보를 위해 열처리 중 강재 표면에 필연적으로 생기는 표면 고온 산화물(scale)은 강재의 물성을 저하시키는 요인으로 물성 저하의 정도는 강재에 첨가된 합금 성분의 종류와 양에 크게 의존함. 
초고강도강재를 제작하기 위해서는, 핫스탬핑공법 등을 통해 마르텐사이트계 강재를 보통 이용하는데 이때 산화 scale 형성에 따른 물성 저하를 최소화해야한다 
scale 제거를 위해 shot blasting, chemical etching 등과 같은 후처리 작업을 실시하나, 고온에서 형성된 산화 scale의 경우 밀착성과 표면 경도가 높아 scale의 제거가 힘들고, 이는 표면 결함으로 작용할 수 있는 여지가 있음 

<scale 발생 mechanism>
① 금속 표면에 산소 분자 흡착
② 흡착된 산소 분자가 금속 표면에서 분해되어 산소 원자가 금속 표면으로 확산
③ 산소 원자가 금속과 반응하여 산화물을 형성, 이후 산화막이 형성되어 성장
④ 형성된 산화막이 금속 표면을 덮어 산소 공급을 차단

비금속 개재물 (Nonmetallic Inclusion) / 금속화합물

 

숏피닝 (Shot Peening), 숏블라스트, 샌드블라스트, 그리트 블라스트

 

(4) 고온 피로 현상, 열피로 현상 (thermal fatigue)

철강재료는 실온에서 피로한도가 존재하지만, 고온에서는 피로 한도가 모호해짐 
일정 파단 반복 횟수에 대한 피로 강도에서 피로한도는 고온에서 저하함 
고온피로(고온 고사이클 피로, 고온 저사이클 피로)는 고온 산화와, 크리프 현상에 영향을 받아 발생 

또한, 기계가 가열과 냉각의 반복으로 인해 반복 응력과 변형이 발생하여 생기는 열피로현상 또한 발생할 수 있음 

2024.12.10 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 피로파괴(Fatigue failure), 피로, 피로한도, 피로한도 영향 인자, 배스킨 관계식, 피로시험, 저주기/고주기 피로

 

3) 크리프 원리 (mechanism)

크리프 곡선

① 1차 크리프 
기존 전위가 고온 응력 하 이동하며, 전위가 서로 영향을 줘 크리프 속도가 일시적으로 감소 

② 2차 크리프
가공경화와 회복에 의한 연화가 평형을 이루어 크리프 속도가 일정하게 유지됨 

③ 3차 크리프 
원자 공공의 비율이 증가하여 (빈 공간이 많아져) 원자 확산이 빨라지고, 전위 이동이 쉬워져 크리프 속도가 증가함 
원자공공이 결정립계에 모여 공동이 결합하여 미세균열을 형성하고, 결국 파단이 됨

기본적으로 slip에 의한 물체의 소성변형과 동일하다. 
다만, 고온도에서 유지하면 열진동이 커져 금속 원자가 쉽게 움직이게 되어 확산(슬립 등)이 활발해지기 때문에 상온에서 slip이 발생하지 않을 조건이여도 변형이 생기는 것이다

<고온에서 FCC가 BCC보다 크리프 특성이 우수한 이유>
FCC는 원자충전율이 74%이고, BCC(페라이트계)는 원자충전율이 68%이다.
기본적으로 원자가 더 조밀하게 들어있는 FCC가 고온에서도 금속 원자가 상대적으로 움직이기 어렵기 때문에 고온에서 FCC(오스테나이트계 스테인리스 등)이 크리프 특성이 대체적으로 우수하다 

 

좌측은 크리프에 대한 응력에 영향, 우측은 온도의 영향

 

 

2. 크리프 시험

 

1) 크리프 시험의 정의

크리프 시험은 크리프 강도를 측정하거나, 강재의 크리프 특성을 확인하기 위한 시험이다.
일반적으로 일정 응력이 아닌, 일정 하중을 가한 상태에서 실행하며 크리프 시험을 통해 크리프 곡선을 확보한다. 
1) 일정 하중에 의한 초기변형, 2)변형속도가 시간에 따라 감소하는 1차 크리프 영역, 3) 변형속도가 일정한 2차 크리프 영역, 4) 변형속도가 점차 빨라져서 파단에 이르는 3차 크리프 영역으로 구분되는데, 2),3),4)의 변형이 크리프 현상이다. 

크리프(Creep), 크리프 시험(creep test), 크리프 한도, 크리프 곡선

반응형

소성 이론, 응력변형률 선도, 재료의 성질, 슬립, 쌍정, 전위, 비강도

일정 하중이 아닌, 일정 응력 (단면적 감소에 따른 하중 조절시) 조건하에 시험시 3차 크리프의 과정은 발생하지 않는데, 이는 3차 크리프 과정에서는 미소 균열이 발생하여 실질적인 단면적 감소가 급속히 발생하기 때문임

 

3. 고찰

 

1) 크리프 강도를 향상시키는 방법

① 합금원소를 첨가 (아래에서 설명)

고용강화를 통해 크리프 저항성을 향상

특정 원소 투입으로 산화물 피막 형성 (Al, Cr, Si 등)

고온에서 안정한 석출물을 균질하게 분포시키면 전위와의 상호작용으로 크리프 저항이 증가함 

② 결정립이 큰(grain size ↑) 단결정 재료 사용 

크리프는 결정립계를 따라 발생하므로, 결정립 크기를 증가시키면 결정립계 면적이 감소하여 크리프 강도가 향상함

하지만 결정립이 커지면 다른 기계적 특성에 영향을 주기 때문에 균형잡힌 접근 필요

또한 단결정 혹은 방향성 응고 소재를 사용하여 입계의 영향을 최소화(내열합금 참조) 

결정립계(grain boundary)와 결정립(grains)

③ 내열 합금의 적용

2024.11.11 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 내열합금

④ BCC 대신 FCC 사용 (고온영역) 

FCC는 원자충전율이 74%이고, BCC(페라이트계)는 원자충전율이 68%이다.
기본적으로 원자가 더 조밀하게 들어있는 FCC가 고온에서도 금속 원자가 상대적으로 움직이기 어렵기 때문에 고온에서 FCC(오스테나이트계 스테인리스 등)이 크리프 특성이 대체적으로 우수하다 

 

 

 

2) 내크리프성을 고려한 강재의 선정 (크리프 강도의 향상)

일반적으로 Si, Ni, Cr, Mo, W, V 등의 합금원소를 첨가하면 강의 내크리프성을 상승시키는 효과가 있음 
Si는 Cr과 동시에 내열강 표면에 치밀한 산화물 피막을 형성하여 내산화성을 부여
Ni은 Fe보다 안정적이고, 산화되기 어려워 내식성에는 효과를 발휘하지 못하지만, 강의 오스테나이트를 안정화하여 (Ni은 오스테나이트 안정화원소) 고온 강도를 높이는 작용을 한다 

(1) 저온영역 (~400도)

저합금강을 사용 혹은 저합금강 + Si, Cr, Mo 첨가한 합금강 사용 

Cr-Mo강은 페라이트, 혹은 소르바이트 조직에서 오스테나이트 조직의 강보다 크리프 강도 측면에서 우수함 

Si-Cr강은 페라이트 조직에 사용됨 (1000도에서 담금질 - 700도 풀림 - Cr탄화물 등의 편석이 없는 소르바이트 조직을 확보하여 크리프 촉진과 내식성 저하를 예방할 수 있음) 

 

(2) 중고온영역 (400도~)

400도 이상부터는 페라이트 계열(저합금강 포함)은 현저하게 크리프 강도가 감소하며 오스테나이트강이 크리프 강도 측면에서 우수 

18Cr-8Ni(300계열 오스테나이트계 스테인리스), 혹은 여기에 Si, Mo, W(탄화물 형성 원소) 등을 첨가한 재료가 사용됨 

오스테나이트계열의 내열강은 600도 이상의 고온에서 장시간 노출시 산화물, 질화물이 석출되어 크리프성이 저하됨 

따라서 해당 내열강은 사용 온도 + 50도의 영역에서 풀림처리하고 (700-800도) 이후 시효시켜 크리프강도나 피로강도를 향상시켜야함 

 

 

4. 참고자료

철강재료의 선정요령, 선정 방법

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

 

 

재료의 성능시험, 재료의 경화능 시험, 조미니 시험, 크리프 시험, 경도 시험

 

주철의 종류, 주철 명칭 KC규격, 합금성분의 성질, 주철형성과정, 주철의 성장, 주철의 수축

 

부식의 종류, 부식의 원리, 스테인리스강부식, 틈부식, 알루미늄 부식, 주철 부식, 주철의 내식성