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고온 재료와 크리프

크리프 곡선의 3단계, 멱법칙 크리프와 확산 크리프, 변형 기구 지도, 라슨-밀러 파라미터, Ni기 초내열합금과 단결정 블레이드, 열차폐 코팅, 고온 산화와 보호 피막을 3지선다 문제로 확인할 수 있습니다.

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고온 재료와 크리프 핵심 정리

융점의 약 0.4배를 넘는 고온에서는 일정한 하중에서도 시간이 지남에 따라 변형이 진행되는 크리프가 수명을 결정합니다. 크리프 곡선은 천이·정상·가속의 3단계로 이루어지며, 설계에는 정상 크리프 속도를 사용합니다. 높은 응력에서는 전위의 상승 운동을 수반하는 멱법칙 크리프, 낮은 응력에서는 확산에 의한 확산 크리프가 주가 되며, 그 영역은 변형 기구 지도로 정리할 수 있습니다. 수명 추정에는 온도와 시간을 하나로 묶은 라슨-밀러 파라미터를 사용합니다.

제트 엔진의 터빈 블레이드에는 규칙상 γ'을 다량 석출시킨 Ni기 초내열합금이 사용되며, 결정립계를 없앤 단결정 블레이드로 크리프 강도를 높이고 있습니다. 표면은 열전도율이 낮은 지르코니아 열차폐 코팅으로 덮어 금속의 온도를 낮춥니다. 고온 산화에서는 피막 내부의 확산이 성장을 지배하는 포물선 법칙이나 필링-베드워스 비가 보호성의 기준이 되며, Cr₂O₃나 Al₂O₃의 치밀한 피막이 합금을 보호합니다.

고온 재료와 크리프 문제 목록(15문제)
  1. 일정한 하중과 온도에서 측정한 크리프 곡선(변형률과 시간의 관계)의 세 단계에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  2. 어떤 내열 합금의 정상 크리프 속도는 멱법칙 ε̇ = Aσⁿexp(−Q/RT)를 따르며, 응력 지수는 n = 5이다. 온도를 바꾸지 않고 응력을 20% 올리면 정상 크리프 속도는 대략 몇 배가 되는가?
  3. 정상 크리프 속도가 ε̇ = Aσⁿexp(−Q/RT)를 따르고, 활성화 에너지가 Q = 300 kJ/mol인 합금이 있다. 응력을 바꾸지 않고 온도를 1000 K에서 1050 K로 올리면 정상 크리프 속도는 대략 몇 배가 되는가? R = 8.314 J/(mol·K)로 한다.
  4. 어떤 세립의 다결정 금속을 융점(절대 온도)의 약 0.5배의 온도에서 낮은 응력으로 크리프 시험하였다. 정상 크리프 속도는 응력에 거의 비례하고(응력 지수 n ≈ 1), 결정립 크기의 세제곱에 거의 반비례하였다. 주로 작용하고 있는 크리프 기구로 가장 적절한 것은 무엇인가?
  5. 애시비 등의 변형 기구 지도(세로축에 강성률로 규격화한 응력 σ/G, 가로축에 상동 온도 T/Tm을 잡은 그림)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가? Tm은 융점(절대 온도)으로 한다.
  6. 상온에서는 결정립을 미세하게 하면 강도가 올라가지만(홀-페치 관계), 고온에서 장시간 하중을 받는 부품에는 조대한 결정립이나 단결정이 사용되는 경우가 많다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?
  7. 어떤 내열 합금은 어떤 응력에서 1000 K, 1000 h에 크리프 파단되었다. 라슨-밀러 파라미터 P = T(C + log₁₀t_r)(T는 절대 온도, t_r은 파단 시간으로 단위는 h, C = 20)이 같은 응력에서는 일정하다고 하면, 같은 응력에서 10⁵ h의 파단 수명을 얻기 위한 온도에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  8. Ni기 초내열합금의 고온 강도를 담당하는 γ'상에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  9. 제트 엔진의 터빈 블레이드에 일방향 응고에 의한 주상정이나 단결정의 Ni기 초내열합금이 사용되는 이유로 옳은 것은 무엇인가?
  10. 단결정 Ni기 초내열합금에 레늄(Re) 등의 무거운 원소를 몇 % 첨가하는 주된 목적으로 옳은 것은 무엇인가?
  11. 어떤 합금을 고온의 공기 중에서 산화시켰더니, 치밀한 산화 피막 속의 확산이 속도를 결정하는 산화의 포물선 법칙 x² = k_p t를 따랐으며, 100 h에서 피막의 두께가 2.0 µm가 되었다. 같은 온도에서 900 h 산화시켰을 때의 피막 두께에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  12. 금속 산화 피막의 필링-베드워스 비(PBR, 산화물의 부피와 그것을 만드는 데 쓰인 금속의 부피의 비)를 PBR = (M_ox ρ_M)/(n M_M ρ_ox)로 구한다(M은 몰 질량, ρ는 밀도, n은 산화물의 화학식 하나에 포함된 금속 원자의 수). 마그네슘(24.31 g/mol, 1.74 g/cm³)과 MgO(40.30 g/mol, 3.58 g/cm³, n = 1)에 대해 PBR과 피막의 성질의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
  13. 1000℃를 넘는 고온의 공기 중에서 사용하는 내열 합금의 보호 피막에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  14. 가스 터빈의 블레이드에 입히는 열차폐 코팅(TBC)의 구성에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  15. 열차폐 코팅의 톱 코트(두께 250 µm, 열전도율 1.2 W/(m·K))를 1.0 MW/m²의 열유속이 두께 방향으로 균일하게 통과하고 있다. 정상 상태의 1차원 열전도로 볼 때, 톱 코트의 앞면과 뒷면의 온도차에 가장 가까운 것은 무엇인가?

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