[CAE] 크리프(Creep)란 무엇인가?

크리프 또는 점탄성(visco-elasticity)은 하중을 지속해서 받을 때 시간에 의존하는 소성 변형이다. 크리프 양은 시간과 온도, 작용 하중의 함수이다. 대표적인 예로 실온에서 대부분 플라스틱은 어떤 하중 조건에서 상당한 양의 크리프를 나타낸다. 그러나 금속은 대부분 사용 온도가 용융점의 35%에서 70%에 도달할 때까지 크리프 양이 그다지 크지 않다.

 

점탄성 재료의 응력 상태는 다음 식으로 표현할 수 있다.

$$ \sigma = E \varepsilon + \eta {{d \varepsilon} \over {dt}} $$

여기서 $ \eta $는 재료의 점성 계수이고, $ {{d \varepsilon} / {dt}} $는 변형률 속도이다. 이 두 항은 작용 하중과 사용 온도의 함수이기 때문에 실험적으로 구해야 한다. 

 

그림. 크리프 파괴 단계

 

FEA로 점탄성 해석을 수행할 수 있지만, 재료 물성에 대한 정보를 얻기 위해서는 상세한 재료 시험이 필요하다.

그림과 같은 크리프 파괴의 4단계는 다음과 같이 설명할 수 있다.

 

● 순간적인 신장: 하중의 작용에 따라 전형적인 변형이 발생한다.

● 1차 크리프(primary creep): 하중으로 재료가 변형률 경화되어 크리프 속도가 감소한다.

● 2차 크리프(secondary creep): 일정한 속도로 재료가 늘어나며 최소 크리프 속도라고 한다.

● 3차 크리프(tertiary creep): 네킹과 기공 생성으로 신장이 증가하면서 파괴에 도달한다.

 

2차 단계는 시간 관점에서 실제 크리프 과정을 대부분 차지하기 때문에 엔지니어에게 중요한 관심 영역이다. 크리프 강도(Creep strength)는 시간당 최소 10⁻⁵ %의 최소 크리프 속도를 발생시키는 응력으로 정의한다.

 

겉보기(또는 유효) 탄성계수는 실제 탄성계수보다 약간 낮은 값이다. 이 계수는 크리프 효과를 바로잡기 위하여 물체의 예상 응력 수준에 기초한 경험적인 표로부터 선택한다.