금속 소재에 극한의 온도가 미치는 영향

약 3,500만년전 지구로 충동한 운석은 지구 역사상 자연 상태에서 가장 높은 온도를 발생시켰다고 추측됩니다. 과학자들은 이 외계 물체와의 충돌로 발생한 온도가 2370°C에 이른다고 예측하며, 이 수치는 태양 표면 온도의 절반에 해당하는 것입니다. 

이와 반대로 지표상에서 직접 측정된 자연 상태의 가장 낮은 온도는 1983년 7월 21일에 남극의 소련 보스톡 기지(Soviet Vostok Station)에서 관측된 −89.2°C입니다. 

'절대 영도’에서 견디기

앞에서 언급된 운석 충돌 온도나 극지방 온도는 자연적으로 발생한 온도이지만 산업에서 사용되는 금속의 경우에도 이러한 온도 범위에 도달하는 경우가 있습니다. 이는 심각한 사고를 문제를 초래할 수 있습니다. 제트엔진의 경우 온도가 900°C, 산업용 오븐은 1200°C까지 올라갑니다. 반대로 극저온 분야의 경우 −196°C 또는 −269°C까지의 온도에도 노출될 수 있습니다 이 온도는 이론상 가장 낮은 온도인 '절대 영도' −273°C 보다 약간 높은 온도입니다. 절대 영도는 물질에 열 에너지가 존재하지 않는 상태로 이보다 낮은 온도는 존재하지 않습니다.

따라서 극저온이나 극고온 분야 또는 온도 변동 범위가 심한 분야에서 장비 설계 시 온도가 금속에 미치는 영향을 고려하는 것이 매우 중요합니다. 

금속학에서는 광범위한 온도 범위에 따라 다양한 금속들이 어떤 반응을 보이는지 알아보고, 특정 금속이나 금속 조합으로 부정적 영향을 완화할 수 있는 방법을 연구합니다. 

따라서 극한의 온도에 노출되는 적용 분야의 요구를 충족시키기 위해서는 일반 스틸이나 합금강을 맞춤화할 수 있습니다. 

저온 노출에 수반되는 난관

저온이 유발하는 주된 부정적 효과는 DBTT(연성-취성 전이 온도)라고 하는 온도 밑으로 떨어질 때 소재의 연성 손실(파열 전 발생하는 소성 변형)과 취성 증가입니다.

금속학과 열 표면 처리 분야 전문가이며 프랑사의 Métallo Corner사의 창업자인 Alexandre Fleurentin씨의 설명에 따르면, 연성 소재는 최종적으로 파열되기 전 변형이 일어납니다. 반면 취성 소재는 항복 강도를 초과하는 부하가 가해지면 즉시 파열되는 성질이 있습니다. 

온도가 내려가면 많은 소재는 DBTT에서 연성 상태가 취성 상태로 변합니다. 변형과 비교할 때 비산(Shattering)이 부정적 결과를 초래할 가능성이 높으며, 일반적으로 매우 낮은 온도에서 스틸은 충격에 민감하여 구부림이나 부러질 위험이 있습니다. 

반면 더 낮은 온도에서는 금속의 기계적 인장 강도가 증가되고 파단 신장량은 감소합니다. 기계적 강도를 높게 유지하고 낮은 취성을 달성하기 위해 니켈과 질소 함유량이 높은 오스테나이트 스테인리스 스틸이 사용됩니다.

더욱 복잡한 현상이 발생하는 고온 분야 

극고온 환경에서 다른 부분이 영구적인 상태를 유지하는 반면, 일부에서는 가역 현상이 발생하는 경우가 있습니다. 온도가 정상 상태로 돌아가는 경우에 가역 현상의 역행은 기계적 인장 강도의 일시적인 손실 및 연성 상태를 변화시킵니다.

영구적인 현상의 경우 높은 온도에서 발생하는 노후화 및 열처리 공정으로 인해 오버 템버링(Over-tempering)이 유발되고 피로에 대한 저항성이 감소됩니다. 따라서 온도는 강철의 풀림 또는 담금질 온도 아래로 유지되어야 합니다. 

스테인리스 스틸의 경우 고온으로 인해 보호용 부동화층의 손실 또는 감소로 이어질 수 있어 설계자는 고온 환경에서 습도 및 공기 중 특정 성분과 같은 주변 요소에 주의를 기울이는 것이 중요합니다. "금속 성능에 간접적인 영향을 주는 윤활제도 온도의 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어 고온에서 이황화몰리브덴(MoS2)과 같은 일부 윤활제는 특성이 바뀌고 윤활 능력이 완전히 손실됩니다. 즉, MoS2가 삼황화몰리브덴인 MoS3로 바뀌며 이로 인해 문제가 발생할 수 있습니다." 라고 Fleurentin씨가 설명합니다.

고온에서 활성화되는 크리프 및 응력 이완 현상

크리프 및 응력 이완의 중요하고 유해한 현상 또한 높은 온도에서 활성화될 수 있습니다. 크리프는 기계적 응력이 소재의 항복 강도 수준에 미치지 않더라도 지속적인 기계적 응력이 가해지는 경우, 소재가 영구적으로 변형되는 현상입니다. 응력 이완은 소재의 항복 강도 이하의 부하가 처음부터 가해지는 경우에도 소재에 가해진 탄성에 해당하는 응력 성분이 제거되는 현상으로 탄성 변형의 일부가 소셩 변형으로 변환되어 고정된 변형에 노출되는 경우 발생합니다.

다양한 온도 범위에 따라 변화하는 열 팽창 계수

극한의 온도에 노출되었을 때 발생하는 또 다른 현상은, 물리학 원칙에 따라 온도에 비례하여 물체가 팽창하거나 수축하는 것입니다. 스틸 구조에서 온도가 상승하면 원자는 더 많이 진동하기 시작합니다. 이로 인해 이열 교란으로 원자 간 거리가 벌어져 물체의 팽창으로 이어집니다.

열 상승으로 인해 발생하는 실제적인 팽창은 일반적으로 다양한 물체에서 20°C 온도에서 정의된 CTE(선형 열 팽창 계수)로 설명할 수 있습니다. 이 계수의 특정 온도 범위(0~100°C)에서는 일반적으로 상수입니다. 그러나 Fleurentin씨는 이렇게 설명합니다. "특정 물체의 CTE가 광범위한 극한의 온도 범위에서 항상 상수인 것은 아니며, 일반적으로 100°마다 새로 규정됩니다."

"CTE 자체가 온도에 따라 변화할 수 있다는 사실 이외에 설계자는 사용 시간에 따라 물체의 노후화와 물체 특성의 변화를 고려해야 합니다. 이 두 요인은 모든 유형의 장비 특히 극한의 온도에 노출되는 체결 및 잠금 솔루션에서 매우 중요합니다."