[기계재료] 금속의 취성, 취화

1. 취화 / 취성 개요
1) 정의
  취성 : 재료가 외력에 의해 영구 변형을 하지 않고 파괴되거나 극히 일부만 영구 변형을 하고 파괴되는 성질을 말한다.
  취화 : 금속이나 고분자 재료가 연성을 상실하여 무르고 약해지는 것.
              재료가 깨지기 쉽게 되는 것으로, 결정의 입계에 균열이 생기는 현상이며 가성 취화와 수소 취화가 있다.
2) 특징
- 소성이 결여된 성질.(연성의 반대)
- 파괴의 순간을 예측하기 어렵고 순간적으로 발생함.
3) 취화의 원인
- 불순물
- 온도

2 취성의 종류
1) 냉간취성 / 저온취성(Low temperature brittlrness)
- 강이 천이온도 O℃ 이하에서 급격히 취약해지는 현상.
- 냉취성, 저온취성, 저온매짐이라함.
- 산소, 질소에 영향.AI TI 등 탈산, 질소 포함한 강은 천이온도가 낮음
1. 탄소강은 실온보다 저온으로 강하되면 인장강도, 경도 탄성계수, 항복점, 피로한계 등은 점차 증가하나
    연신율, 단면 수축율, 충격치 등은 감소하여 취약해진다.
2. 탄소강의 경우 -70℃ 부근에서 충격치가 0에 가깝게 되고 이로 인해 취성이 생긴다.
3. 저온취성 파괴의 발생 촉진 요인으로는
1) 온도의 저하
2) 강재의 저온특성
3) 예리한 노치를 가진 것
4) 노치부에 있어서의 소성의 소멸
5) 인장잔류응력의 존재
6) 부하특성의 영향 등
4. 구조물에 예리한 노치와 인장잔류응력이 존재하는 경우 저온취성의 발생 경향은 특히 현저하며 부하특성에 따라서 도 상당히 영향을 받는다.
- '천이온도' 일반적으로 성질이 급변하는 온도를 천이 온도라고 한다.
변태점 등은 그 한 예이며, 통상 충격값이 급변하는 온도, 바꾸어 말하면 저온 취성을 나타내는 온도를 말하는 경우가 많다.
- 예방대책
  • 냉간취성의 강을 담금질+뜨임하여 소르바이트 化 시키면 냉간취성을 감소시킬수 있다.
    저수소계 용접봉 사용 (수소발생 최소화)

2) 상온취성
- 재료내 인(P)이 많이 함유한 탄소강이 상온에서 취성을 갖게되는 성질
    연신율, 충격치, 피로등이 저하되고 깨지는 현상
*인은 결정입자를 조대화시켜 재료를 여리게 만듦.

3) 청열취성 (Blue Shortness)
- 연강이나 탄소강이 200~300℃에서 취성을 갖게되는 성질
   강이 인장강도는 커지나 연신율이 급격하게 저하되어 취성화되는것.
- 청열취성 구간에서 강은 청색 산화 피막을 생성하여서 청열취성이라 불림.
- 산소, 질소 등이 입내에 석출하면서 인장 강도가 향상되고 반대로 인성은 저하되는 특징을 나타낸다.
청열 취성의 주요 요인은 질소이며 산소는 이것을 조장하는 작용을 한다.
또 탄소도 청열 취성을 조장 하는 원소로 다소 영향을 준다.
AI, Ti 등 탈산의 효과와 질화물을 형성하는 원소를 첨가하면 청열취성 은 나타나지 않는다.
Mn, Si 등도 효과가 있다. 취화가 일어나기 시작하는 온도도 질소량이 많으면 저하된다.

1. 탄소강 등에서 탄성계수, 탄성한계, 항복점 등은 온도가 상승에 따라 감소한다.
2. 인장강도는 200~300°C까지는 상승하여 최대가 되고 연신율과 단면수축율은 온도 상승에 따라 감소한다.
3. 인강강도가 최대가 되는 점에서 충격치가 최저값을 나타내며 취약해진다.

4) 적열취성 (Hot Shortness)
- 황(S)을 많이 함유한 탄소강이 950℃ 이상에서 취화되는 현상.
*황은 황화철을 이루어 냉각시 결정입계에 석출되게됨.
FeS, Fe2S3 황화철은 강보다 융점이 낮은데(900도) 일정온도 이상에서 황화철은 결정입계에서 융해되며 강의 결정립이 슬립되도록 함.

1. 고온으로 가열 시 저융점인 황(S)이 액상이 되어 결정립계로 편석 되어 얇은 필름 형태로 존재하며 온도가 내려가면 얇은 판상의 고체로 변한다.
2. 이런 경우 충격을 받으면 입계를 따라 파괴될 수 있으며, 강 중에 황은 Mn과 결합하여 MnS를 만들나 과다 함량 시
FeS 형성 등 철과 공정을 만들며 입계에 망상으로 분포된 상태의 유황은 0.02% 있어도 인장력, 연신율, 충격치가 급감 하며 또한 FeS는 융점이 낮으므로(1,193℃) 고온에서 약하고 가공할 때 파괴의 원인이 된다.

5) 고온취성
- 강의 Cu 함유량이 0.2% 이상일때 고온에서 여리게 되어 취성을 갖게도는 성질

6) 뜨임취성
- 강을 어닐링하거나 900도 전후에서 뜨임하는 과정에서 충격값이 저하되는 현장
  (어닐링 : 재료의 내부 응력 제거 목적의 열처리 종류)
- 상온에서 발생하며 뜨임시 결정입계로 슬립이 발생하면서 발생.
- 결정립 성장(산소, 질소 많아서), 합금성분의 결정입계에서 석출이 원인

7) 수소취화
- 금속이 수소원자를 포함하는 수용액 또는 가스분위기에 있을때 수소가 재료로 확산/침입함으로 발생.
- 연성이 저하되고 취약하게 됨(취화)
- 수소취성균열(hydrogen cracking), 수소유기파괴(hydrogen assisted cracking)이라 불림.