취성 이해:정의, 원인, 예 및 공통 재료

취성은 응력이 가해질 때 소성 변형이 거의 또는 전혀 없이 파손되는 경향을 나타내는 재료 특성입니다. 취성 거동은 원자 격자 구조의 전체적인 무결성을 유지하면서 재료의 원자가 서로 미끄러져 지나갈 수 없을 때 발생합니다. 부서지기 쉬운 재료의 균열은 충분히 높은 응력을 받을 때 결정립을 가로질러 또는 결정립 경계를 따라 빠르게 형성되고 전파됩니다. 이 프로세스는 일반적으로 빠릅니다.
접시나 연필촉을 떨어뜨려 깨뜨려 본 적이 있는 사람이라면 부서지기 쉬운 재료에 익숙할 것입니다. 취성 재료의 예로는 유리, 세라믹, 흑연, 탄소 함량이 높은 강철 및 주철과 같이 연성이 낮은 합금이 있습니다.
이 기사에서는 취성의 개념을 검토하고 그 원인을 설명하며 취성 재료의 예를 설명합니다.

취성이란 무엇입니까?

취성은 쉽게 부서지거나 깨지거나 부러지는 재료의 경향입니다. 취성은 금속, 세라믹, 플라스틱, 유리 및 복합 재료에서 발생할 수 있습니다.

재료과학에서 취성이란 무엇입니까?

재료 과학에서 취성은 최소한의 소성 변형으로 재료가 파손되는 성향을 나타내는 특성입니다. 부서지기 쉬운 재료는 부서지기 전에 에너지를 흡수하는 능력이 낮습니다.

화학에서의 취성이란 무엇입니까?

화학에서 취성(brittleness)은 원자 미세 구조로 인해 재료가 변형될 수 없는 상태를 의미합니다. 원자가 많은 슬립 시스템을 갖고 있고 탈구할 기회가 더 많은 일부 미세 구조는 재료를 덜 부서지게 만듭니다. 원자에 슬립 시스템이 거의 없는 것과 같은 다른 것들은 재료를 더 부서지기 쉽게 만듭니다.

취성의 예

취성은 타고난 특성일 수도 있고 외부 요인에 의해 유발될 수도 있습니다. 본질적으로 부서지기 쉬운 재료에는 유리, 벽돌, 달걀 껍질, 흑연 및 마그네슘과 같은 알칼리 금속이 포함됩니다. 본질적으로 부서지기 쉽지는 않지만 저온 작동 온도, 입계 부식, 수소 취성과 같은 특정 요인으로 인해 부서지기 쉬운 재료에는 저탄소강 및 고탄소강과 티타늄이 포함됩니다.

재료의 취성은 언제 발생하나요?

취성은 재료의 집중적인 물리적 특성으로, 재료의 크기나 정도에 영향을 받지 않습니다. 대부분의 세라믹 및 유리와 같은 일부 재료는 원자 구조와 사용 가능한 슬립 시스템 부족으로 인해 본질적으로 부서지기 쉬운 반면, 일반적으로 연성이 있는 일부 재료는 온도가 낮아지면 부서지기 쉽습니다.

일반적으로 연성 재료는 수소나 입자 경계를 따른 부식으로 인해 부서지기 쉽습니다. 수소 취성은 아직 완전히 이해되지 않은 다양한 복잡한 메커니즘을 통해 발생합니다. 일반적인 특징은 수소 원자(H2 가스 분자가 아님)가 금속으로 확산되어 큰 피해를 준다는 것입니다. 해로운 효과는 내부 압력을 높이는 기체 종의 형성, 부서지기 쉬운 고체 화합물의 형성 또는 금속의 균열 전파 속도를 증가시키는 전위 이동 속도의 증가로 인해 발생할 수 있습니다.

입계 부식은 금속이 표면의 약점이 될 수 있는 부분, 즉 입자 사이의 경계에서 부식제에 의해 우선적으로 공격을 받을 때 발생합니다. 입계 부식은 일반적으로 입자 사이에 부서지기 쉬운 부식 생성물이 침착되어 일반적으로 연성인 금속을 대체하고 원하지 않는 부서지기 쉬운 재료를 통해 쉽게 파괴되는 경로를 제공합니다.

취성의 원인은 무엇입니까?

취성의 원인은 모든 재료에 대해 동일하지 않습니다. 아래 목록에서는 일반적인 원인 중 일부를 더 자세히 설명합니다.

1. 비정질 재료(예:유리)에는 조직화된 원자 구조가 없습니다. 원자가 서로 지나갈 수 있는 쉬운 방법은 없습니다. 결정의 원자 수준 결함인 전위는 제자리에 고정되어 비정질 재료를 부서지기 쉽게 만듭니다.
2. 하전된 원자 사이의 강한 이온 결합은 미끄러짐을 방지하고 재료를 부서지기 쉽게 만듭니다. 세라믹 소재의 경우 이런 경우가 많습니다.
3. 낮은 온도는 재료 내 원자의 열 에너지를 감소시키고 미끄러짐과 전위에 대한 저항력을 강화할 수 있습니다.
4. 슬립 시스템이 적거나 원자 전위 가능성이 적은 재료는 슬립 시스템이 많은 재료보다 부서지기 쉽습니다.
5. 재료에 불순물이나 외부 원자가 있으면 부서지기 쉬울 수 있습니다. 이는 수소 취화 및 주철과 같은 일부 합금의 경우입니다.

취성 재료에는 무엇이 있나요?

부서지기 쉬운 재료의 몇 가지 예가 아래에 설명되어 있습니다.

1. 유리

유리는 가장 잘 알려진 깨지기 쉬운 재료 중 하나입니다. 무정형 구조로 인해 부서지기 쉽습니다. 유리의 원자 수준 배열에는 결정질 물질의 조직화된 구조가 부족합니다. 서로 미끄러질 수 있는 조직화된 원자 평면이 없으면 원자를 서로 끌어당기는 경향이 있는 응력을 완화할 수 없습니다. 결국 원자간 결합의 강도를 초과하여 물질을 통해 빠르게 전파되는 균열이 형성되어 갑자기 부서지게 됩니다.

2. 도자기

세라믹이라는 용어는 시멘트, 에나멜, 벽돌, 도자기, 도자기 등 광범위한 재료에 적용됩니다. 결정화된 세라믹의 경우 원자 구조는 주로 하전된 원자 사이의 강한 이온 결합으로 구성됩니다. 이러한 이온 결합은 결정을 형성하여 원자 평면이 서로 미끄러지기 어렵게 만듭니다. 결과적으로 원자가 이탈하기 어려워 재료가 부서지기 쉽습니다.

3. 흑연

흑연은 육각형 밀집형(HCP) 결정 구조를 지닌 부드럽고 부서지기 쉬운 결정 형태의 탄소입니다. 취성은 특정 재료의 결정 구조와 구조가 갖는 슬립 시스템의 수에 기인할 수 있습니다. 슬립 시스템이 적은 결정 구조의 재료는 원자가 전위에 더 강하기 때문에 부서지기 쉽습니다. 흑연의 HCP 구조에는 3개의 슬립 시스템이 있는 반면, 또 다른 탄소 동소체인 다이아몬드의 면심 입방체(FCC) 시스템에는 12개의 슬립 시스템이 있습니다. 또한, 흑연은 동일 평면 내의 원자 사이에는 강한 공유 결합을 가지고 있지만 평면 사이에는 약한 결합을 가지고 있습니다. 이것과 HCP 구조 모두 흑연이 부서지기 쉬운 원인이 됩니다.

4. 가소성이 낮은 합금

주철이나 티타늄처럼 가소성이 낮은 합금도 취성 재료의 예입니다. 결정 구조는 합금의 취성에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 구리와 같은 FCC 구조를 갖는 재료는 티타늄이나 마그네슘과 같은 HCP 구조를 갖는 재료보다 연성이 더 좋습니다. FCC 구조에는 12개의 슬립 시스템이 있는 반면 HCP 구조에는 3개의 슬립 시스템만 있습니다. 3개의 슬립 시스템을 사용하면 구조 내의 원자가 전위에 대한 저항력이 더 강해지기 때문에 HCP 구조가 더 취약해집니다.

취성 식별의 중요성은 무엇입니까?

취성 재료가 설계의 성공적인 구현 및 내구성에 영향을 미칠 수 있으므로 취성 재료를 식별하는 것이 중요합니다. 취성 재료는 강도가 높기 때문에 설계에 종종 선택됩니다. 그러나 취성 재료는 경고가 거의 또는 전혀 없이 파손될 수 있으므로 취성 파손은 치명적일 수 있습니다. 설계 시 취성 재료에 필요한 하중을 견딜 수 있는 보다 연성 재료를 선택하는 것이 좋습니다.

취성은 어떻게 결정되나요?

취성은 인장 시험을 완료하고 재료의 연성을 계산하여 결정됩니다. 인장 시험 중에 낮은 연성을 나타내는 재료는 부서지기 쉬운 것으로 간주됩니다. 금속 재료의 인장 시험을 수행하는 표준 시험 방법은 ASTM E8입니다. 플라스틱에 해당하는 절차는 ASTM D638에서 확인할 수 있습니다. 인장 시험은 표준화된 치수로 시험편을 준비한 다음 시험편이 파손될 때까지 지속적으로 증가하는 인장 하중을 가하는 것으로 구성됩니다. 시편이 겪는 응력과 변형률 값이 기록되어 연성을 결정하고 간접적으로는 취성을 결정하는 데 사용됩니다.

취성 공식은 무엇인가요?

취성에 대해 특별히 정해진 공식은 없습니다. 그러나 재료의 취성은 아래에 표시된 두 가지 연성 공식 중 하나를 통해 추론할 수 있습니다.

연성은 시험 시작부터 파단까지 재료가 경험한 총 연신율의 백분율 또는 파단 시 재료가 경험한 단면적의 해당 백분율 감소로 정의됩니다.

측정된 연성이 낮을수록 재료가 더 부서지기 쉬운 것으로 간주됩니다. 신장률 공식은 공학 변형률 공식과 동일합니다.
"연성을 계산하는 방법" 기사를 참조하세요. 연성 주제에 대한 더 자세한 개요를 보려면 

취성 유형에는 어떤 것이 있나요?

취성파괴의 두 가지 유형은 입내파괴와 입내파괴입니다. 아래에 더 자세히 설명되어 있습니다:

1. Transgranular:균열이 재료의 입자 전체에 전파됩니다. 균열은 저항이 가장 적은 경로를 따르며 가장 약한 벽개면을 따르도록 방향을 변경합니다. 결정립 크기가 크면(결립 경계가 적음) 결정립 경계가 균열 확장을 방해하기 때문에 균열이 더 빨리 전파될 수 있습니다. 따라서 큰 입자 크기는 취성 수준을 높이는 데 기여합니다.
2. 입계:균열이 재료의 결정립 경계를 따라 전파됩니다. 이는 수소 취성 및 입계 부식으로 인해 결정립 경계가 부서지기 쉬운 경우 흔히 발생합니다.

취성의 반대말은 무엇인가요?

연성은 취성과 반대되는 것으로 간주됩니다. 연성은 소성 변형되는 재료의 능력을 설명하는 재료 특성입니다. 파괴 역학과 연성 재료와 취성 재료의 역할을 이해하는 것은 안전하고 효과적이며 내구성이 뛰어난 부품과 구조를 설계하는 데 필수적입니다.

취성은 물리적 특성인가요?

예, 취성은 물리적 특성입니다. 응력이 가해질 때 재료의 물리적 구조에 있는 원자가 서로 어떻게 상호 작용하는지를 특성화합니다.

'깨지기 쉬운'과 '깨지기 쉬운'의 차이점은 무엇인가요?

"깨지기 쉬운"과 "깨지기 쉬운"은 종종 동의어로 사용됩니다. 그러나 그 정의에는 차이가 있습니다. "Fragile"은 쉽게 부서지는 물질을 말합니다. "취성"은 쉽게 부서지는 재료를 의미하기도 하지만, 보다 구체적으로는 단단하고 단단하며 부서지기 전에 상당한 소성 변형이 없는 재료를 의미합니다. 재료 과학에서 "취성"은 연성이 부족하여 최소한의 변형으로도 재료가 부서지는 것을 의미하므로 정의가 더 구체적입니다. "깨지기 쉬운"은 더 넓은 의미로 기술적으로 부서지기 쉽지는 않지만 쉽게 손상될 수 있는 물질을 설명할 수 있습니다.

요약

이 기사에서는 취성을 소개하고 그것이 무엇인지 설명하며 다양한 유형의 취성 재료에 대해 논의했습니다. 취성에 대해 자세히 알아보려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.

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딘 맥클레먼츠

Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.

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