[기계재료] 응력부식 균열

1. 응력부식 균열(SCC: Stress corrosion cracking)

인장응력하에 있는 금속재료가 재료와 부식환경이 특징적인 조합하에서 취성적으로 파괴되는 현상을 말한다. 이 때는 금속 또는 합금의 대부분의 표면은 거의 손상을 받지 않으며, 단지 매우 가느다란 균열이 금속표면을 통과하게 된다. 응력부식균열에는 입계균열(intergranula corrosion breaking)과 입내균열(transgranula corrosion breaking)이 있다.

2. 응력부식 균열의 특징과 조건

응력부식 균열은 재료응력, 환경요인+(온도), 재료특성이라는 조합에 의해 발생되는 부식으로, 한 가지 요인으로써 그 생성기구를 설명할 수 없다. 어떤 부재의 재료와  특정 PH를 갖는 조건,해수조건 혹은 독극물에 영향받는 등의 환경의 조건 내부응력을 받는 배관, 조임응력등을 받는 패스너등에서 발견되는 특별한 부식의 종류이다.

부식은 다음과 같은 4단계의 중요한 발생단계를 거친다.
첫 번째, 응력상태에 의한 재료 표면 크랙의 형성을 갖는다
두 번째, 발생된 균열의 성장을 겪는다.
세 번째, 성장된 미세 크랙들이 하나의 큰 크랙으로 결합하여 성장한다.
네 번째, 커진 크랙의 전파와 재료의 파괴로 이어진다.

3. 응력부식균열의 발생과정과 특징
3.1 응력확대계수 K1(Stress intensity factor)

응력확대 계수 = 형상계수 * 응력 *(원주율*균열길이)1/2
균열 선단에서 주어진 점의 변형력과 변형도를 나타내는 변수로써, 단위는 Mpa*√M 으로 표기된다.
응력확대계수는 K1, K2, K3 3분류의 계수로 나타낼 수 있지만, 가장 실용적이고 보수적인 접근방법으로는 K1 값으로 사용한다.

다시 한번 정리하자면 파괴역학에서 사용되는 개념으로 균열이 성장하기 쉬운 정도를 정량하여 표시한 값이며, 재료에 포함된 균열의 크기등으로 균열이 있을때 얼만큼의 응력을 버틸수 있을지에 대해 정량화한 값이고, 이 값이 클 수록 파괴에 대한 저항능력이 크다고 볼 수 있다.

3.2 응력부식균열의 발생과정

Stress corrosion cracking
재료의 파괴인성 관점에서 바라본 응력부식파괴의 과정은 크게 3가지 영역으로 나뉠수 있다.
결론으로써 파괴가 일어나기 까지 크랙의 길이가 성장하게 되어, 응력확대계수가 커지며, 이 확대계수가 임계지점과 같아지면 재료의 파괴거동이 시작된다.

Stage 1
초기 응력부식 상태를 갖기 전의 값 상태이다, 파괴역학에서 알려져 있는 응력확대 계수 값 K1 상태가 매우 낮은 상태로 이해하면 되며 아직 이 상태에서는 응력부식균열 상태에 필요한 조건들이 성장과 발달하기 전인 기초 초기상태의 상태이다.

Stage 2
응력 부식조건이 형성되는 단계이다, Stage 1에서 형성된 미세 크랙들은 외부환경이나 온도조건 혹은 내/외부 응력조건들에 의해서 성장하게 된다. 재료 내부의 미세균열이 성장함에 따라서 응력확대계수값인 K1(SCC) 값 역시 증가하게 된다.

Stage 3
내부 크랙이 성장함에 따라서 응력확대 계수는 증가하지만, 재료의 파괴 임계점(K1C)을 넘을 경우 재료의 파괴거동이 발생한다.

4. 응력부식균열의 예시
응력부식균열은 위에서 말한 것처럼 3가지 조건의 상호작용인 결과에 의해서 발생한다.
이 중, 사용처의 재료환경의 변화와 (인장)응력조건을 변화하기는 쉽지 않기에 가장 쉽게 응력부식균열을 예방하기 위해서는 사용재료를 변화시키는 것이 좋은 방법으로 생각된다.

재료의 부식환경을 잘 파악하고 부식환경조건에서 부식현상을 일어나지 않도록 하는 재료를 선택하는 방법이 있고, 하중에 의한 재료의 내부응력을 더 잘 저항할 수 있는 소재, 민감하지 않은 소재들을 사용하여, 균열의 형성을 막는 것이 이 응력부식균열을 방지하는 솔루션이라고 생각한다.

예를 들어, 탄소강재에서 퀜칭 열처리 후 내부응력을 완화하기 위한 높은 온도에서의 템퍼링을 처리함으로써, 조직의 내부응력을 완화할 수 있다. 또한 다양한 PH 환경에 저항할 수 있는 소재를 사용하는 것이 응력부식균열을 예방하는데 도움이 될 것이다.

나사산의 경우, 산의 탭을 가능하다면 라운딩처리를 하거나 쇼트피닝같은 표면처리가 응력부식을 예방하는데 도움이 될 것이다.