재료거동과 파괴역학의 연구동향
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및 전망
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박 재 학 충북대학교 안전공학과 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이글에서는 재료거동과 파괴역학에 관한 현재의 연구동향을 개괄적으로 살펴보고 최근 주목을 받고 있는 신기술과 관련하여 재료거동과 파괴역학 분야에서 담당할 필요가 있는 연구과제들에 대하여 살펴본다.
파괴역학에 대한 연구가 본격적으로 시작된 것은 제2 차 세계대전 이후이다. 그림 1은 제2차 세계대전 중에 건조되었던 용접선 T2 탱커가 정박 중에 취성파괴에 의 하여 둘로 잘라 진 사진으로 이러한 사고가 파괴역학 연 구의 계기가 되었다. 파괴역학이 시작된 초기부터 활발 한 연구가 이루어져 현재 상용되고 있는 재료에 대해서 는 이론적인 토대가 마련되어 있고 재료거동 데이터도 어느 정도 갖출 수 있게 되었다. 그러나 전자재료, 복합 재료, 세라믹재료, 생체재료 등 사용되는 재료의 범위가 계속 확대되고 있고 신소재도 계속 개발되고 있어 이에 적용할 수 있는 새로운 파괴역학 이론의 정립과 재료거 동에 대한 시험의 필요성이 여전히 대두되고 있다. 따라 서 현재 재료거동 및 파괴역학 연구동향과 앞으로의 전 망에 대하여 살펴본다.
재료거동 분야의 연구동향
▶ 재료거동 측정
상용되는 재료에 대하여 강도, 피로특성, 크리프 특성 과 함께
KˆÇ,
JˆÇ,
J저항곡선 등의 파괴인성 측정이 현 재까지 계속 진행되고 있다. 특히 최근의 파괴인성 측정 과 관련된 과제로는, 복합 모드, 두 재료 사이의 계면, 용접부 또는 열영향부 등에서의 파괴인성 측정이 행해
지고 있고, 압입 또는 소형펀치를 이용한 파괴인성 측 정, 비표준 시험편을 이용한 파괴인성 측정, 수소가스 또는 SCC(Stress Corrosion Cracking) 분위기에서의 파 괴인성 측정, 중성자 조사에 의한 재료거동 변화 등의 연구들이 행해지고 있다. 압전재료(piezoelectric material), 그래핀(graphene), 얇은 박막에서의 파괴특 성에 대한 연구도 행해지고 있고, 또한 응집영역모델 (cohesive zone model)이나 분자동역학을 이용하여 파 괴인성을 예측하려는 연구도 행해지고 있다.
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그림 11943년 재료의 취성과 잘못된 용접으로 둘로 잘라진 T2 탱커 Schenectady(Public Domain, https://
commons.wikimedia.org)
▶ 동적 파괴인성
지진이나 충격력이 구조물에 작용하는 경우의 해석 은 정적 상태의 해석과 달라진다. 재료의 파괴인성도 달 라지고, 동적 하중이 구조물 내의 균열에 미치는 영향도 해석을 하여야 한다. 이에 대한 연구로는 배관 재료, 세 라믹, 복합재료 등에서의 동적파괴인성 측정, 지진 등에 의한 구조물의 동적 파괴해석, 파괴인성에 미치는 동적 변형시효의 영향, SHPB(split Hopkinson pressure bar) 를 이용한 재료의 동적거동 해석, 유한요소해석을 이용 한 고변형률 조건에서의 파손 해석 등이 있다.
▶ 피 로
새로이 사용되는 재료나 용접부의 피로특성을 평가 하는 연구, 랜덤하중에 대한 피로수명 예측에 관한 연구 등이 꾸준히 계속되고 있다. 최근 연구 과제를 몇 가지 살펴보면 자동차, 풍력발전기, 항공기 등 실제 설비에 대한 피로수명 예측, 부식피로에 미치는 숏피닝의 영향, 고온 환경과 용접부의 피로수명 평가, 잔류응력의 피로 에 미치는 영향, 피로 수명 시험 데이터와 유한요소해석 을 이용하여 피로 수명식의 변수들을 역추적하는 연구, 확률적인 피로수명 평가 등이 있다.
▶ 부 식
재료가 새로운 화학물질과 생물학적 물질에 접촉하 는 경우 이에 대한 재료의 부식특성이 알려지지 않은 경 우가 많다. 새로운 기술이 개발되는 단계에서 재료의 부 식특성의 문제점을 파악하여 미리 대처할 필요가 있다.
또한 많은 경우 사용할 수 있는 부식 관련 데이터가 부 족하다. 원자력설비에서 환경피로 문제가 많이 대두되 고 있지만 사용할 수 있는 데이터는 주요한 몇 가지 재 료에 대한 데이터뿐이다. 따라서 더 많은 재료에 대하여 부식 및 환경피로에 대한 시험을 행할 필요가 있다.
용접부 특히 이종 금속 용접부에서의 SCC 등의 부식 에 대한 연구, 숏피닝, 잔류응력 등이 부식에 미치는 영 향, 유한요소 해석을 이용한 응력부식균열 성장모사, 부 식피로 등에 대한 연구가 최근 행해지고 있다.
파괴역학의 연구동향
▶ 파괴변수 평가
균열의 안전성을 판단하기 위해서는 균열에서 응력 확대계수(stress intensity factor)나 J 적분과 같은 파괴변 수를 구할 수 있어야 한다. 1960년경부터 여러 가지 구 조물에 존재하는 여러 종류의 균열에 대하여 응력확대 계수 등의 파괴변수를 구하는 연구가 활발하게 이루어 져 몇 권의 핸드북으로 정리되었고, 설비에서 발견되는 균열의 해석과정에 대해서는 ASME, API 또는 BS 코드 등에 제시되어 있다.
새로운 재료에 대하여 파괴변수를 구하려는 연구도 많이 있는데, 압전재료, 그래핀, 다공질 재료, 흑연판, 강유전체 재료에서 응력확대계수를 구하는 연구나 박 막이나 여러 조합의 재료의 경계에 존재하는 균열에 대 하여 응력확대계수를 구하는 연구도 수행되고 있다.
구조물에서 발견되는 균열에 대한 해를 핸드북이나 코드에서 찾을 수 없는 경우는 수치적인 해석방법으로 응력확대계수 등의 파괴변수를 구하여야 한다. 해석방 법에는 유한요소법(FEM), 경계요소법(BEM: boundary element method), 경계적분법, 이론해 또는 BEM 해를 유한요소법과 함께 사용하는 교호법(alternating method), 무요소법(meshfree method) 등 여러 가지가 있고, 최근에는 XFEM(eXtended Finite Element Method)이 폭넓게 사용되고 있다. 또한 이들 수치적인 해석방법으로 정적 하중, 피로 및 SCC에 의한 균열성장
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그림 2임의 형태 균열의 해석모델(박재학 등, 대한기계학회 논문집 A, V. 35, 2011)
해석도 수행되고 있다. 그리고 응집영역모델을 이용하 여 균열성장을 시뮬레이션하는 연구가 많이 행해지고 있고, 분자동역학을 파괴특성 추정에 이용하거나 FEM 과 결합하여 균열성장 해석에 이용하는 연구도 행해지 고 있다.
이렇게 많은 해가 제시되어 있고 여러 가지 수치적인 해석방법이 개발되어 있지만 현장에서 발생되는 여러 경우의 균열해석에 적용하기에는 아직 부족하고 또한 사용에 불편한 점이 많다. 따라서 신뢰성이 확보되고 사 용이 편리한 균열해석 방법에 대한 연구는 여전히 필요 한 실정이다.
▶ 확률론적 건전성 평가
구조물의 건전성을 결정론적인 방법으로 해석을 하 는 경우는 재료의 특성, 하중의 크기, 환경조건 등을 보 수적으로 가정하여 해석하게 되는데 이렇게 구한 결과 는 보수성이 너무 커서 적용에 어려움이 발생하는 경우 가 있다. 이러한 보수성을 감소시킬 수 있는 방법이 구 조물의 건전성을 확률적으로 평가하는 것이다. 또한 앞 으로 원자력 설비에 대한 규제요건도 확률적인 해석을 요구하려는 시도가 있다.
배관이나 압력용기에 대해서는 초기 균열이나 사용 중에 발생되는 균열이 피로나 SCC에 의하여 성장하여 누설이나 파단을 발생시키는 확률을 구하는 PRAISE, PRO-LOCA, P-PIE 등의 배관 건전성 해석 프로그램이 개발되어 사용되고 있다. 그러나 가정되는 모델에 따라 파손확률이 달라지는 문제나 균열의 크기, 생성 및 성장 관련 확률분포를 구하기 위하여 필요한 데이터의 부족 문제는 해결해야할 사항이다.
▶ 용접부 평가
구조물에서 가장 많이 문제가 발생되는 부분이 용접 부이다. 모재의 경우 관리가 잘된 환경에서 제작되므로 품질이 일정하지만 용접의 경우 작업하기 어려운 현장 에서 행해지거나 능력이 떨어지는 작업자에 의해 수행 되는 경우도 있으므로 용접부에서의 기계적인 특성의
변화가 심하게 된다. 따라서 용접부의 강도, 파괴, 피로 등 기계적인 특성이나 부식 특성을 평가하는 것이 여전 히 중요한 과제가 되고 있다.
용접부의 특성에 영향을 많이 주고 있는 것이 잔류응 력이다. 시뮬레이션을 통하여 잔류응력을 예측하려는 시도가 많이 있었지만 작업자나 환경 및 재료의 특성의 작은 변화로 인하여 잔류응력 분포가 심하게 변할 수 있 으므로 잔류응력의 측정과 예측에 대한 연구도 여전히 필요하다. 또한 확률적인 해석을 통하여 잔류응력 크기 의 분포를 추정하는 것도 필요할 것이다.
신기술과 연구과제
새로운 개념의 기술이 제안되었을 경우 그 개념을 실 용화 할 수 있는 지의 여부는 적용할 수 있는 재료가 존 재하는 가에 의하여 결정되는 경우가 많다. 새로이 주목 을 받고 있는 기술에서 재료거동 및 파괴역학 분야에서 다루어야할 몇 가지 연구과제에 대하여 살펴본다.
▶ 화력 및 원자력 발전소
재료거동 및 파괴역학 분야가 가장 많이 사용되는 분 야가 발전소일 것이다. 화력발전의 경우 운전 온도를 높 이면 효율이 향상되고, 운전온도는 사용되는 재료에 따 라 결정되므로 새로운 재료를 개발하고 시험하는 연구 가 계속되고 있다.
원자력 발전소의 경우 높은 위험성으로 인하여 파괴 역학적 해석이 가장 활발하게 행해지고 있는 분야이다.
원자로 압력용기의 중성자 취화 문제나 용접부의 부식
문제, 배관 감육(wall thinning) 문제 등이 관심의 대상
이 되고 있다. 원자력 발전소 설비에서 가장 관리가 어
려운 설비가 증기발생기일 것이다. 높은 열전달을 위해
서는 전열관의 두께를 얇게 할 수 밖에 없는데 응력부식
균열이나 프레팅 등으로 결함이 성장하여 전열관을 관
통하게 되면 방사능이 포함된 1차수가 누설되므로 균열
이 존재하는 전열관을 관막음하게 된다. 관막음을 한 전
열관 수가 많아지면 효율이 감소하므로 증기발생기를
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교체하여야 하는데 예상보다 빨리 교체해야하는 경우 가 많이 발생되고 있다. 따라서 전열관에 다수의 결함이 발생되지 않도록 하는 기술에 대한 연구가 여전히 필요 하다. 또한 최근 원전 설계에서 환경피로에 대한 해석이 요구되고 있으나 아직 설계에 필요한 데이터가 부족한 실정이므로 데이터를 얻기 위한 시험이 필요하다.
▶ 3D 프린팅
최근에 가장 주목을 받는 신기술 중의 한 가지는 3D 프린팅이다. 여러 분야에서 3D 프린팅을 활용하려는 시 도가 늘어나고 있고 기계설비나 구조물의 제작 분야에 서도 활용하려는 많은 시도가 있다. 3D 프린팅을 이용 하여 설비의 시제품이나 주조에 필요한 모형을 신속하 게 제작할 수 있고 하중이 많이 작용되지 않는 부품의 경우 3D 프린팅으로 직접 제작할 수도 있다. 그리고 플 라스틱 3D 프린팅 기술과 함께 금속 3D 프린팅 기술에
대한 연구도 시작되고 있다. 3D 프린팅으로 부품을 제 작할 경우에는 사용 중에 건전성이 확보되어야 하므로 제작방법과 사용재료 등에 대한 연구가 있어야 할 것이 다. 앞으로 3D 프린팅 분야는 재료거동 및 파괴역학 분 야가 많이 사용될 분야 중의 하나가 될 것으로 본다.
▶ 핵융합기술
핵융합을 이용한 발전을 목표로 세계적으로 핵융합 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 핵융합을 위해서는 연료가 되는 삼중수소의 공급이 필요한데 핵융합에서 발생되는 중성자가 핵융합 장치 안쪽에 있는 블랭킷 (blanket)이라는 부분을 때리면 핵융합에 필요한 삼중 수소가 발생될 수 있도록 하고 있다. 국내에서도 흑연 반사재를 사용하는 HCCR(Helium Cooled Ceramic Reflector) TBM(Test Blanket Module)의 설계 및 제조 등의 기술 개발을 통해 국제 공동연구에 참여하고 있다.
TBM 설계를 위해서는 고온, 고압과 유도되는 전자기 장에 의하여 발생되는 하중에 의한 응력과 중성자에 의 한 재료의 특성변화를 고려하여야 하는데 설계조건을 만족하기가 쉽지 않을 것으로 예상된다. 따라서 핵융합 기술의 상용화를 위해서는 사용재료와 구조설계에 대 한 연구가 있어야 할 것이다.
그림 3원자력발전소 APR1400의 원자로냉각시스템 (S-S Lee, et al, 2009, NET, V. 41)
그림 4프랑스에서 건설 중인 토카막 국제핵융합실험로 (www.iter.org에서 인용)
