강재의 열적 특성과 부식

강재는 역학적 성질이 매우 우수하지만 단점도 있습니다. 강재에 열에 약해서 고온이 되면 역학적 성능이 떨어지고 대기 중에서 쉽게 부식됩니다. 따라서 강재를 구조 재료로 쓰려면 이 약점에 잘 대처해야 합니다.

강재의 열적 특성

강재는 상온에서 역학적 성능이 매우 우수하지만 온도가 올라가면 이 성능이 유지되지 않습니다. 그래프를 보면 상온 상태를 기준으로 각각의 역학적 특성이 온도에 따라 어떻게 변화하는지 보여주고 있습니다.

강성과 항복강도는 온도가 올라감에 따라 감소하는 경향을 나타내고 500℃를 넘어서면 급격하게 감소하는 경향을 보입니다.

 

인장강도는 강성이나 항복강도와는 다르게 변화합니다. 온도가 200∼400℃ 정도인 청열상태(강재의 표면이 파랗게 변한다고 해서 청열상태라고 합니다.)에서는 상온보다 높은 인장강도를 보입니다. 이 청열상태에서 강재를 가공처리하는 것은 어리석은 일이겠죠? 

500℃를 넘어서면 급격히 낮아지다가 1,000℃ 정도가 되면 0이 됩니다. 따라서 강재를 가공할 때는 청열상태에서 무리하게 가공하기보다는 인장응력이 0에 가까운 고온 상태에서 압연(열간압연)하는 방식으로 강재 제품을 생산합니다. 

그래프를 보고 알 수 있는 것처럼 인장강도나 강성, 항복강도는 강재의 온도가 500℃를 넘어섰을 때 급격하게 저하되는 특성을 보입니다. 따라서 화재가 발생했을 때 강재의 온도가 올라가지 않도록 내화피복을 해야만 합니다. 내화 피복은 정해진 시간 동안 한계온도인 538℃를 초과하지 않도록 제어하는 방식입니다. 

 

강재의 부식

강재는 대기중에서 쉽게 부식됩니다. 강재가 습기와 만나면 쉽게 이온화되는데 물방울 중심부가 전자를 잃어서 음극이 되고 물방울 주변으로 양극이 형성되어 용해 산화가 촉진됩니다. 전자를 잃은 철이온(Fe²+)이 수산화이온(OH-)과 만나서 수산화제1철(Fe(OH)₂)이 생성되고, 수산화제1철이 습기(H2O)와 함께 공기중의 산소(O₂)와 만나 산화되면 수산화제2철(Fe(OH)₃)이 생성되는데, 이것이 빨간 녹의 주성분이 됩니다.

강재를 녹슬지 않게 하려면 니켈이나 크롬 등을 첨가해서 부식에 강한 합금강으로 만들거나 부식되지 않도록 표면을 덮어야 합니다. 대표적인 합금강이 스테인레스강(Stainless steel)인데 이름에서 알 수 있듯이 크롬 산화물이 표면의 부식(Stain; 얼룩)을 막아서 녹이 덜((less) 생깁니다. 마감재로 쓰이는 내후성강(Weathering steel)도 구리, 크롬, 니켈 등의 합금원소를 첨가해서 만듭니다.

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