취성이란? – 정의 및 의미

취성이란?

취성은 응력을 받을 때 부서지는 재료의 특성을 설명하지만 파열되기 전에 약간 변형되는 경향이 있습니다. 취성 재료는 변형이 적고 하중의 충격 및 진동에 대한 저항력이 낮고 압축 강도가 높으며 인장 강도가 낮은 것이 특징입니다. 무기 비금속 재료의 대부분은 취성 재료입니다.

응력을 받았을 때 탄성 변형이 거의 없고 소성 변형이 크지 않으면 재료가 부서지기 쉽습니다. 취성 재료는 강도가 높은 재료라도 파괴 전에 비교적 적은 에너지를 흡수합니다. 부서지는 것은 종종 날카로운 찰칵 소리를 동반합니다.

재료과학에서 사용하는 경우 일반적으로 파손 전 소성변형이 거의 없거나 전혀 없을 때 파손되는 재료에 적용됩니다. 한 가지 증거는 소성 변형이 발생하지 않았기 때문에 정확히 맞아야 하는 부러진 반쪽을 일치시키는 것입니다.

금속 및 폴리머가 임계 온도 이하로 냉각되면 연성에서 취성으로의 전이 온도(DBTT) 또는 유리 전이 온도(Tg)가 각각 취성이 됩니다. 이러한 급격한 변화는 특히 신체에 힘이 작용할 때 치명적입니다. 균열 전파는 분자 입자 또는 입자 경계를 통해 발생하는 적용된 힘에 수직인 것으로 나타납니다.

이 경우 온도는 재료의 분자 구조를 제어하여 탄성을 유지하지 못하여 재료 고장으로 이어집니다. 기본적으로 모든 재료는 한계를 초과하면 결국 실패하지만 모양 및 기하학적 크기가 변경되기 전에 실패하는 경우 재료가 취성 상태가 됩니다.

취성 재료 파손은 두 가지 조건이 있을 때 발생합니다.

▷ 재료 표면에 작용하는 응력
▷ 재료의 녹는점 이하의 주변 온도

 

 

다양한 재료에서의 취성

1. 폴리머
폴리머의 기계적 특성은 실온 근처의 온도 변화에 민감할 수 있습니다. 예를 들어, 폴리(메틸 메타크릴레이트)는 4˚C의 온도에서 극도로 부서지기 쉽지만 온도가 증가하면 연성이 증가합니다.
비정질 폴리머는 다른 온도에서 다르게 행동할 수 있는 폴리머입니다. 그것들은 저온에서는 유리(유리질 영역), 중간 온도에서는 고무질 고체(가죽질 또는 유리 전이 영역), 고온에서는 점성 액체(고무질 흐름 및 점성 흐름 영역)처럼 거동할 수 있습니다.
이러한 거동을 점탄성 거동이라고 합니다. 유리질 영역에서 비정질 폴리머는 단단하고 부서지기 쉽습니다. 온도가 증가함에 따라 폴리머는 덜 부서집니다.

2. 금속
일부 금속은 슬립 시스템으로 인해 취성 특성을 보입니다. 금속의 슬립 시스템이 많을수록 이러한 슬립 시스템의 많은 부분을 따라 소성 변형이 발생할 수 있기 때문에 금속이 덜 취성입니다. 반대로 슬립 시스템이 적으면 소성 변형이 줄어들고 금속이 더 부서지기 쉽습니다. 예를 들어, HCP(육각형 밀집 포장) 금속은 활성 슬립 시스템이 거의 없고 일반적으로 부서지기 쉽습니다.

3. 도자기
세라믹은 일반적으로 전위 운동이나 미끄러짐의 어려움으로 인해 부서지기 쉽습니다. 결정질 세라믹에는 전위가 이동할 수 있는 슬립 시스템이 거의 없으므로 변형이 어렵고 세라믹이 더 부서지기 쉽습니다.
세라믹 재료는 일반적으로 이온 결합을 나타냅니다. 이온의 전하와 유사한 전하를 띤 이온의 반발로 인해 슬립은 더욱 제한됩니다.

 

재료가 취성으로 어떻게 변할까?

강화
재료가 강도의 한계에 도달하면 일반적으로 변형 또는 파괴 옵션이 있습니다. 자연적으로 가단성이 있는 금속은 소성 변형의 메커니즘을 방해하여 더 강하게 만들 수 있지만, 이를 극단으로 치면 파단 가능성이 더 높아지고 재료가 부서지기 쉽습니다. 따라서 재료 인성을 개선하는 것은 균형을 유지하는 작업입니다.

유리와 같이 자연적으로 부서지기 쉬운 재료는 효과적으로 강화하기가 어렵지 않습니다. 대부분의 그러한 기술은 두 가지 메커니즘 중 하나를 포함합니다. 전파하는 균열의 끝을 편향시키거나 흡수하는 것 또는 예측 가능한 특정 소스의 균열이 강제로 닫히도록 주의 깊게 제어된 잔류 응력을 생성하는 것입니다.

첫 번째 원리는 두 장의 유리가 폴리비닐 부티랄의 중간층에 의해 분리되는 접합 유리에 사용됩니다. 폴리비닐 부티랄은 점탄성 폴리머로서 성장하는 균열을 흡수합니다. 두 번째 방법은 강화 유리와 프리스트레스 콘크리트에 사용됩니다.

유리 강화 시연은 Prince Rupert's Drop에서 제공합니다. 취성 폴리머는 금속 입자를 사용하여 샘플에 응력이 가해질 때 열광을 시작함으로써 강화될 수 있습니다. 좋은 예는 고충격 폴리스티렌 또는 HIPS입니다. 가장 부서지기 쉬운 구조용 세라믹은 탄화규소와 변형 강화 지르코니아입니다.

예를 들어 취성 유리 섬유가 폴리에스테르 수지와 같은 연성 매트릭스에 내장된 복합 재료에는 다른 철학이 사용됩니다. 변형되면 유리-기질 계면에 균열이 형성되지만 너무 많이 형성되어 많은 에너지가 흡수되어 재료가 단단해집니다. 동일한 원리가 금속 매트릭스 복합 재료를 만드는 데 사용됩니다.

압력의 영향
일반적으로 재료의 취성 강도는 압력에 의해 증가할 수 있습니다. 이것은 지각의 대략 10km(6.2mi) 깊이에 있는 취성-연성 전이대에서 발생하며, 이 영역에서 암석은 부서지기 쉽고 연성 변형이 더 잘 됩니다.