금속 파단면의 파괴 양식과 파면 해석의 과제 해결
각종 제품에 이용되는 금속 재료는 사용 및 주위 환경에 의해 언젠가는 반드시 파손됩니다. 파손의 원인은 금속 재료를 관찰하여 파단면을 정확하게 포착 및 해석(파면 해석)해야 파악할 수 있습니다.
특히 자동차·항공 우주 관련 등 안전성이 중요한 분야에서는 재료 품질이 제품 품질 보증·개선의 기초라고 할 수 있습니다.
여기에서는 금속 재료의 파면을 해석하는 방법과 파괴 양식 및 파단면의 특징에 대해 설명합니다. 그리고 4K 디지털 마이크로스코프를 사용하여 기존 현미경의 파면 해석 과제를 해결한 사례를 소개합니다.
금속 파단면이 알려주는 파손의 원인
철강·동·알루미늄 합금 등의 금속 재료는 가전 제품이나 완구부터 공업 및 인프라 설비·장치까지 다양한 제품에 사용됩니다.
그 중에서도 최근에는 자동차 업계 및 항공 우주 관련 분야를 중심으로 새로운 고기능 재료가 활발하게 연구되고 있습니다. 그 배경에는 에너지 절약화 및 제조·가공의 저비용화를 목적으로 한 소형화·경량화·고강성의 양립 요구 등이 있습니다. 자동차 및 항공기, 선박, 철도 차량, 유인 우주선 등의 경우, 금속 재료의 파손은 인명과 연관된 리스크가 따르기 때문에 강도 계산을 바탕으로 한 엄격한 재료 선정과 안전 설계가 요구됩니다.
금속 재료 선정 시에는 응력에 대한 다양한 재료 시험이 실시됩니다.
대표적인 시험 방법으로 아래와 같은 것이 있습니다.
- 기계적 시험:
- 인장 시험·굽힘 시험·압축 시험·전단 시험·크리프 시험·마모 시험 등
- 경도 시험:
- 압입 경도 시험·동적 경도 시험
- 화학적 시험:
- 부식 시험
이러한 재료 시험 혹은 제품 출하 후의 사용으로 파손된 금속 재료의 파단면을 조직 관찰(파면 해석)하여 파괴 원인 조사·소재 기초 특성 조사를 실시하여 재료를 평가·선정 또는 개선할 필요가 있습니다.
파면 해석의 종류
파면 해석으로 금속 재료가 어떻게 파손되었는지(파면의 양식 또는 파괴 형태) 조직 관찰을 통해 조사하는 것으로써, 재질·제조 방법·형상·사용 상황 등 다양한 각도로 고찰하여 주요 원인을 추정합니다. 파면의 조직 관찰 방법은 여러 가지가 있으며 그 중 금속 재료의 파면을 해석하는 주요 방법은 아래와 같습니다.
매크로 관찰
육안이나 저배율 확대경 또는 실체 현미경 등으로 해석합니다. 파손이 발생한 현장에서 간단하게 실시할 수 있는 방법으로, 파괴의 종류 및 비치 마크 유무 등을 통해 대략적인 원인을 구별할 때 이용됩니다. 단, 매크로 관찰만으로는 어떻게 파손되었는지 자세하게 조사할 수 없습니다.
마이크로 관찰
마이크로 관찰은 광학식 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM) 등을 이용하여 파단면의 조직 관찰로 마이크로적인 특징을 조사합니다. 딤플이나 줄무늬 등 다양한 파단면의 특징을 포착하여 파괴 양식을 자세하게 조사할 수 있습니다.
금속 재료의 파괴 양식
파괴 양식(파괴 형태)은 「연성(소성) 파괴」, 「취성 파괴」, 「피로 파괴」, 「환경 파괴」로 분류됩니다. 각각 매크로 관찰·마이크로 관찰을 통해 파단면의 특징을 관찰하고 파손 원인을 조사할 수 있습니다. 각 파괴 양식의 개요와 파단면의 요지를 설명합니다.
연성 파괴(소성 파괴)
연성(소성) 파괴는 많은 금속 재료에서 볼 수 있는 파괴 양식으로, 파괴에 이르기까지 신장이나 네킹 등의 큰 변형이 나타납니다. 조직 관찰에서는 아래와 같은 특징과 세밀한 파괴 양식을 볼 수 있습니다.
- 파단면의 특징
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- 매크로 관찰:
- 쉐어 립(전단 파괴·최종 파단부)·진한 회백색
- 마이크로 관찰:
- 등축 딤플(인장 파괴)·신장 딤플(전단 파괴)·굴곡이 있는 줄무늬(미끄럼면 파괴)
취성 파괴:
취성 파괴란, 소성 변형이 거의 보이지 않고 고속으로 균열이 전파된 파괴입니다. 균열이 진행될 때 파단면 주변에 소성 변형이 나타납니다. 일반적으로 철강 재료의 대부분은 통상적인 사용에서 취성 파괴가 일어납니다. 그 파단면은 대부분의 경우 「의벽개 파면」으로 구성되며, 대형 조질강이나 섭씨 마이너스 수십 도의 환경에 놓인 일반 구조용강 등에서 나타납니다.
- 파단면의 특징
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- 매크로 관찰:
- 은백색의 반짝거리는 반사, 쉐브론 패턴(산형 무늬: 입내형 급속 파괴), 균열의 진전 방향이 방사형 무늬
- 마이크로 관찰:
- 의벽개 파면·리버 패턴·입상 파면·복잡 파면
피로 파괴
피로 파괴란, 반복 하중을 받아 서서히 균열이 진전되는 파괴로 기계 구조물의 파괴 양식 중 70% 이상이 피로 파괴라고 합니다.
파손된 재료의 외관은 늘어나거나 네킹이 보이지 않기 때문에 취성 파괴와 유사하지만 마이크로 관찰을 실시하면 소성 변형이 뚜렷하게 드러나는 것을 알 수 있습니다.
파단면은 다른 파괴 양식에 비해 평활한 경우가 많고, 매크로적인 특징으로는 「비치 마크(조개껍질 무늬)」가 보입니다. 이 비치 마크의 형태를 통해 파괴가 시작된 부위 및 균열의 진전 방향을 알 수 있습니다.
또한, 마이크로적인 특징으로는 「스트라이에이션」이라는 줄무늬가 대표적입니다. 균열의 진전 방향에 대해 수직을 이루는 줄무늬로, 알루미늄 합금이나 구리 합금 등에 쉽게 발생하며 철계 합금에서는 잘 발생하지 않는다고 합니다.
- 파단면의 특징
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- 매크로 관찰:
- 비치 마크(조개껍질 무늬)·래칫 마크(복수의 응력 집중 부분·피시아이(파괴의 시작점)·균열의 진전 방향이 방사선형 무늬
- 마이크로 관찰:
- 스트라이에이션(응력 사이클과 대응)·스트라이에이션형 무늬(응력 사이클과 대응하지 않음)·2차 크랙·러브 마크 또는 특징이 없는 파면
환경 파괴
환경 파괴란, 부식성 환경에 의해 균열이 진전되어 발생하는 파괴입니다. 따라서 외부 응력이 극히 작은 경우에도 파괴가 발생할 수 있습니다.
대표적인 환경 파괴로는 「수소 취성」과 「응력 부식 균열」이 있습니다.
- 수소 취성
- 「지연 파괴」라고도 하며 철강 재료에서 많이 나타납니다. 재료에 침입한 수소로 취화되는 현상으로 용접이나 전기 도금 등 부재의 제조 공정에서 수소가 침입하는 경우나 사용 환경에서의 부식 반응에 의해 침입하는 경우가 대표적입니다.
- 응력 부식 균열
- 오스테나이트계 스테인리스강을 재료로 사용한 사고에서 많이 발생합니다. 특히 C1-이온이 있는 사용 환경에서 입내형 파괴가 일어나는 경우가 많으며, 스테인리스강이 아닌 천연 구리·황동·알루미늄 합금 등의 경우에는 입계형 파괴가 일어납니다.
- 파단면의 특징
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- 수소 취성
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- 매크로 해석
- 은백색의 반짝거리는 반사
- 마이크로 해석
- 입상 단면·헤어 마크
- 응력 부식 균열
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- 매크로 해석
- 부분적인 반사·녹화 변색
- 마이크로 해석
- 입상 파면·깃털 형상 무늬
- 고온 파괴
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- 매크로 해석
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- 마이크로 해석
- 입상 파면·딤플·수축 기공
파면 해석의 과제와 해결
앞에서 서술한 바와 같이 파단면 관찰에서는 매크로 관찰뿐만 아니라, 마이크로 관찰을 통해 더욱 자세한 파괴 양식을 조사할 수 있고, 파괴의 원인 및 상태를 알 수 있습니다. 대부분의 경우 마이크로 관찰에는 현미경이나 주사 전자 현미경(SEM) 등이 이용되는데, 금속 재료의 파면 해석에는 몇 가지 과제가 있었습니다.
이러한 과제를 해결하고 다양한 파괴 양식을 고해상도로 포착하여 더욱 확실한 파면 해석을 실현하는 것이 최첨단 광학 기술과 화상 센서(CMOS), 비전 시스템 기술을 구사한 「4K 디지털 마이크로스코프」입니다.
여기에서는 KEYENCE의 초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 파면 해석의 과제 해결을 소개합니다.
금속 파단면의 헐레이션을 제거
기존의 과제: 현미경의 경우
금속 파단면이 난반사를 일으킴으로써 헐레이션이 발생하여 균열을 관찰하기 어려운 경우가 있었습니다. 선명하게 보이지 않아 균열을 놓치고 해석 오류의 원인이 되기도 했습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는
「헐레이션 제거 기능」으로 불필요한 반사를 억제할 수 있기 때문에 금속 파단면의 미세한 균열도 선명하게 포착할 수 있습니다.
요철이 있는 금속 파단면에서도 전체에 풀 포커스
기존의 과제: 현미경의 경우
금속 재료의 파단면은 대부분 입체적입니다. 파단면에 존재하는 다수의 요철에서 각각의 특징을 관찰하기 때문에 몇 번이나 초점을 조정해야 하여 해석에 긴 시간이 걸렸습니다. 또한, 전체상에 의한 종합적인 관찰이 불가능하다는 점도 과제였습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는
「라이브 심도 합성」 기능으로 금속 파단면의 모든 면에 초점을 맞출 수 있습니다. 초점을 여러 번 조정하는 시간을 단축할 수 있으며, 파단면에 다수 존재하는 복합적인 특징을 관찰하여 평가할 수 있습니다.
각도·그림자의 영향을 받지 않고 미세한 부분을 해석
기존의 과제: 현미경의 경우
금속 파단면의 요철 형상은 초점을 맞추기 어려울 뿐만 아니라, 각도에 따라 그림자가 다르게 나타나 조명 설정의 조건 추출이 어렵고 긴 시간이 걸렸습니다. 또한, 하나의 조명 조건 화상 데이터만으로는 파괴 양식을 설명하기 어려운 경우도 있습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는
버튼을 누르기만 하면 전방위의 조명 데이터를 자동 취득하는 「멀티 라이팅 기능」을 이용하여 조직 관찰에 최적인 화상을 선택할 수 있습니다.
또한, 촬영한 화상의 선택·내보내기 후에도 각 조명 조건의 화상 데이터가 PC에 저장됩니다. 간단한 마우스 조작만으로 조명 조건이 다른 화상을 불러올 수 있습니다.
얇은 무늬의 미세 형상까지 선명하게
기존의 과제: 현미경의 경우
금속 파단면의 파괴 양식에 따라서는 무늬가 얕은 경우가 있습니다. 그 경우, 파면 해석에 긴 시간이 걸리고 콘트라스트가 낮아 제대로 관찰하지 못하는 경우가 있었습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는
전용 설계 고해상도 HR 렌즈와 4K CMOS, 조명을 조합한 새로운 관찰 방법 「Optical Shadow Effect Mode」는 여러 방향의 조명으로 촬영한 변위(콘트라스트)를 해석합니다.
따라서 금속 파단면의 희미하고 미세한 요철도 놓치지 않고 선명하게 관찰할 수 있습니다. 그리고 Optical Shadow Effect Mode 화상에 컬러 정보를 합성하여 요철 정보를 색으로 구분 표시할 수 있습니다.
파면 해석의 고도화와 효율화
이처럼 고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용하면 기존의 현미경이나 SEM으로는 제대로 관찰할 수 없었던 금속 파단면도 간단하게 볼 수 있습니다.
지금까지 금속 재료의 파면 해석에 걸렸던 시간을 크게 단축할 수 있으므로 품질 개선 사이클이나 R&D의 속도가 향상되고, 작업 효율에서 기존의 현미경이나 SEM과 큰 차이를 둘 수 있습니다. 또한, 금속 파단면의 특징을 정확하게 포착한 화상 데이터를 남길 수 있기 때문에 과거의 경향이나 비교에 의한 원활한 재료 선정·개선이 실현됩니다.
그 밖에도 여러 최첨단 기능을 탑재한 「VHX 시리즈」는 R&D에서 시대를 이끌어 가기 위한 고도의 파면 해석 및 조직 관찰의 효율화를 실현하는 강력한 파트너입니다. 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.
