[피로파괴]금속재료에서 '피로'란 무엇인가?

금속재료에서 '피로'란 무엇인가?

사람은 장시간 운동이나 활동을 할 경우 피로를 느낀다. 금속재료 역시 작은 하중이라도 장시간 반복하여 가하면 손상을 입게 된다. 이러한 피로로 인해 금속재료가 파손되는 것을 '피로파괴(Fatique Fracture)'라 한다. 자동차, 항공기, 터빈엔진, 금형 등 반복되는 하중이나 진동을 받는 장치에서 많이 발생하고 있다. 성수대교 붕괴도 철 구조물의 피로파괴 현상 때문으로 알려져 있다.

<<피로파괴가 발생하는 원인>>

일반적으로 금속은 질긴 성질(인성)이 있어 잘 부러지지 않지만 금속 내에 성질이 다른 불순물이 섞여 있다면 이야기가 달라진다. 예를 들어 금속 내부에 돌이 박혀 있다고 치자. 금속성분은 질기고 잘 늘어나는 성질로 인해 반복적인 충격을 잘 견디겠지만, 돌은 쉽게 깨지고 만다. 이럴 경우 금속과 비금속인 돌과의 경계 지점에서 결함이 생기고 이 결함이 조금씩 퍼져 나가다가 급기야 금속재료가 두부처럼 부스러지는 피로파괴 현상으로 이어진다.

피로파괴의 원인을 제공하는 불순문은 P(인)와 S(황)에 의해 만들어진 것이 많다. 이렇게 만들어진 불순물을 순수한 금속재료에 끼어든 불청객이라 하여 '비금속 개재물'이라 부른다. 그러므로 제강 조업에서는 P와 S를 얼마나 잘 제거하느냐가 양질의 특수강 제품을 만드는 시초가 된다.

<<P와 S의 유해성>>

P와 S는 똑 같이 비금속 개재물을 만드는 주범이지만 만들어지는 과정과 유해성은 조금 다르다. 두가지 다 단독으로는 존재하지 않고 Fe(철)를 좋아하여 'FeS', 'Fe3P' 형태로 존재하는데 하필이면 금속 내부에서도 취약한 결정 사이 경계면에 자리잡게 된다. 이 중 FeS의 경우는 그 특성이 뜨거울 때 결함을 유발시키는데, 보통 고온으로 가열한 후 압연이나 단조를 하게 되면 파괴가 일어난다. Fe3P는 반대로 상온에서 취약한 성질을 가지게 되어 일반적인 충격에 매우 약하다.

그렇다면 S와 P 중에서 더 유해한 것은 무엇일까? P이다. 왜냐하면 P는 제조공정 중에서 문제를 일으키기도 하지만 고객이 소재를 사서 어떤 기계부품을 만들어 사용하는 도중에 문제를 일으키기 때문이다. 특히 C(탄소) 함량이 많고 충격이 심한 환경에 사용하는 공구강의 경우, P는 독약 중의 독약이다. 그래서 공구강은 P를 0.025% 이하로 엄격히 규제하고 있다.

<<P와 S를 제거하는 방법>>

P, S는 보통 원부원료인 스크랩과 합금철에 유입되어 들어온다. 따라서 용해와 정련 과정에서 이것들을 제거하는 기술이 제강 기술의 핵심 중 하나이다. P는 용해 과정 중 '산소'와 '생석회'를 투입하여 제거한다. P는 산소를 무척 좋아하기 때문에 1차로 산소와 결합시켜 비금속 개재물을 만든다. 다음으로 생석회가 이 비금속 개재물을 끌어안고 용탕 위로 떠올라 슬래그화  되어 P가 제거된다. 이때 생석회의 양이 적거나 온도가 너무 높은 경우에는 슬래그로 끌려 올라간 P가 탈출하여 용탕 속으로 다시 들어갈 수 있으므로 주의해야 한다. S는 보통 정련공정에서 제거하는데 P와 마찬가지로 생석회를 투입하여 슬래그화하여 제거한다.