수율 강도에 대한 이해: 종합 가이드
항복 강도는 중요하지만 종종 간과되는 특성으로, 재료 선택에 있어 중요한 역할을 합니다. 이 글에서는 항복 강도의 기본 사항을 자세히 살펴보고 그 중요성을 살펴봅니다...
완벽하게 가공된 부품이 갑자기 예고 없이 고장 나는 이유가 궁금한 적이 있으신가요? 이 수수께끼는 종종 잔류 응력으로 거슬러 올라갑니다. 잔류 응력은 재료 내부에 존재하는 보이지 않는 힘으로 성능과 수명에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이 글에서는 잔류 응력의 원인, 결과, 측정 및 완화 방법을 살펴보고 엔지니어링 프로젝트에서 이러한 숨겨진 응력을 이해하고 관리할 수 있는 도구를 제공합니다. 구성 요소가 수명 주기 내내 무결성과 안정성을 유지할 수 있도록 보장하는 방법을 알아보세요.
잔류 스트레스에 대한 공식적인 정의부터 시작하겠습니다:
잔류 응력은 제조 공정에서 다양한 요인의 영향과 영향을 의미합니다. 이러한 요인이 제거되어 부품이 영향과 영향을 완전히 잃을 수 없는 경우, 남은 영향과 영향을 잔류 스트레스라고 합니다.
아직도 조금 헷갈리시나요? 간단하게 설명해 드리겠습니다.
예를 들어 한때 마른 체형이었지만 L 사이즈 청바지를 구입한 사람을 생각해 보세요. 1년 후 그 사람은 과체중이 됩니다. 청바지를 다시 입으면 체중은 늘었지만 청바지는 변하지 않았기 때문에 바지가 너무 꽉 끼는 것을 느낄 것입니다.
이때 몸과 바지 사이에 강한 힘이 가해지며, 그 힘이 너무 강하면 바지가 찢어지기 쉽습니다. 이 파괴적인 힘은 잔류 스트레스의 한 예입니다.
에너지 관점에서 보면, 외력에 의해 물체가 소성 변형을 일으키면 내부 변형이 발생하여 약간의 에너지가 축적됩니다. 외력이 제거되면 에너지가 고르지 않게 분산되어 내부 스트레스 배포가 릴리스됩니다.
물체의 취성이 높지 않으면 천천히 변형되지만 취성이 높으면 균열이 생깁니다.
그림 1 잔류 스트레스의 영향
잔류 응력은 기계 제조에서 널리 발생하는 문제이며 거의 모든 공정에서 발생합니다.
그러나 잔류 스트레스의 근본 원인은 크게 세 가지로 분류할 수 있습니다:
잔류 응력의 분류를 보면, 잔류 응력이 느린 변형을 일으키고 물체의 크기를 변경할 수 있음이 분명합니다. 이로 인해 가공된 공작물의 크기가 부적합해지고, 기기의 정밀도가 떨어지며, 주조 또는 단조 공작물에 균열이 생기거나 파손될 수 있습니다.
또한 잔류 스트레스는 다음과 같은 중요한 영향을 미칩니다. 피로 강도, 응력 내식성, 치수 안정성 및 물체의 서비스 수명에 영향을 미칩니다.
냉각 과정에서 부적절한 공정으로 인한 불균일한 냉각으로 인해 잔류 열 응력이 발생하여 주조 파손으로 이어질 수 있습니다.
그림 2 냉각 중 주물 골절
열처리 중 담금질 프로세스는 저온 냉각된 오스테나이트의 마르텐사이트 변형으로 인해 파손되기 쉽습니다.
그림 3 담금질 중 금속 파손
잔류 응력을 측정하는 방법은 기계적 방법, 화학적 방법, X-선 방법의 세 가지로 분류할 수 있습니다.
가장 널리 사용되는 기계적 방법은 드릴링 방법(블라인드 홀 방법이라고도 함)을 사용합니다.
그림 4 드릴링 방법의 개략도
그림 5 드릴링 방법
드릴링 방식은 물체에서 직경의 3배에 해당하는 막대 또는 파이프의 단면을 절단하는 방식입니다. 중앙에 관통 구멍을 뚫은 다음 보어 로드 또는 드릴 비트를 사용하여 내부에서 얇은 금속 층을 제거하며, 각 제거는 단면적의 약 5%입니다.
제거 후 시료의 길이와 지름의 연신율을 측정합니다. 이 값과 시추공 단면 면적 사이의 관계 곡선이 생성되고 곡선 상의 임의 지점의 미분을 계산하여 연신율과 시추공 단면의 변화율을 결정합니다. 그런 다음 적절한 응력 공식을 사용하여 잔류 응력 값을 얻을 수 있습니다.
화학적 방법에는 두 가지 개념이 있습니다.
한 가지 개념은 시료를 적절한 용액에 담그고 부식 시작부터 균열이 나타날 때까지의 시간을 측정한 다음 그 시간을 기준으로 잔류 응력을 측정하는 것입니다. 사용되는 용액에는 주석 청동의 경우 수은 및 수은 함유 염, 강철의 경우 약염기 및 질산염이 포함될 수 있습니다.
화학적 방법의 두 번째 개념은 시료를 적절한 용액에 담그고 정기적으로 무게를 측정하는 것입니다. 이 과정을 통해 시간 대비 무게 감소 곡선을 생성한 다음 표준 곡선과 비교하여 잔류 응력을 결정할 수 있습니다. 곡선의 위치가 높을수록 잔류 응력이 더 큽니다.
그림 7 화학적 방법의 계량 곡선
X-선 방법은 X-선을 이용해 금속 부품을 투과하는 방식이며, 라우 방법은 X-선의 간섭으로 인한 반점의 모양 변화를 분석해 잔류 응력을 정성적으로 파악할 수 있습니다.
그림 8 X-레이 방법의 원리
잔류 응력이 없는 경우 간섭 패턴은 점 모양으로 나타납니다. 반면에 잔류 응력이 있으면 간섭 패턴이 길어지고 "별" 모양과 비슷해집니다.
(a) 잔류 응력 없음 (b) 잔류 응력이 존재함
그림 9 라우 방법의 측정 결과
디바이 방법은 디바이 다이어그램에서 회절선의 위치, 폭, 강도를 분석하여 잔류 응력을 정량화할 수 있습니다.
(a) 전송 방법 (b) 백 리플렉션 메서드
그림 10 디바이 방법의 개략도
기계적 및 화학적 방법은 테스트 대상 물체의 국소 샘플을 채취해야 하고 돌이킬 수 없는 손상을 초래하므로 파괴적인 테스트 방법으로 간주됩니다. 이와는 대조적으로 X-레이 방법은 물체의 무결성을 보존하는 비파괴 검사 방법입니다.
기계적 방법은 특히 바 또는 튜브 형태의 물체에 적합하며 잔류 응력의 크기와 분포를 정확하게 결정할 수 있습니다. 반면, 와이어 및 시트 유형의 물체에 적합한 화학적 방법은 정성적 판단만 가능하며 정량적 판단이 어렵습니다.
X-선 방법은 비파괴적이지만 명확하고 선명한 회절선을 생성하는 재료에만 적용할 수 있습니다. 또한 투사 능력이 제한적이기 때문에 물체 표면에 가까운 잔류 응력만 감지하는 데 제한적으로 사용할 수 있습니다.
잔류 스트레스와 관련된 잠재적 위험 때문에 이를 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 마련하는 것이 중요합니다. 일반적으로 사용되는 제거 방법에는 열처리, 정하중 가압, 진동 응력 완화, 기계적 처리 등 네 가지가 있습니다.
열처리는 잔류 응력의 열적 이완 효과를 활용하여 이를 줄이거나 제거하는 방법입니다. 이 방법에는 일반적으로 어닐링 또는 템퍼링 프로세스.
그림 11 열처리의 어닐링 처리
정하중 가압은 전체 또는 부분 또는 미세한 규모로 소성 변형을 통해 공작물의 잔류 응력을 수정하는 것을 포함합니다.
예를 들어, 용접 후 대형 압력 용기는 내부에서 압력이 가해져 내부에 소량의 소성 변형이 발생하는 "부풀어 오름"을 겪을 수 있습니다. 용접 조인트 용접 잔류 응력이 감소합니다.
그림 12 부풀린 후 대형 오일 탱크
진동 응력 완화(VSR)는 엔지니어링 소재의 내부 잔류 응력을 제거하기 위해 일반적으로 사용되는 방법입니다.
이 방법에서는 공작물에 진동을 가하고 잔류 내부 응력과 추가 진동 응력의 합이 재료의 응력을 초과하면 항복 강도를 사용하면 소량의 소성 변형이 발생하여 재료의 내부 응력을 완화하고 감소시킵니다.
그림 13 균주 정량화 가능 VSR 시스템
기계적 처리에는 물체 표면의 작은 소성 변형을 통해 잔류 응력을 줄이는 것이 포함됩니다. 이는 부품끼리 충돌, 표면 롤링, 표면 드로잉, 표면 크기 조정, 금형에서의 미세 프레스 등의 방법을 통해 달성할 수 있습니다.
예를 들어 다림질은 잔여 스트레스를 효과적으로 제거하는 과정의 한 예입니다.
그림 14 철로 단조
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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