기 계 제 작 법

Chap 1 개요 석기시대  청동기시대  철기시대  철강시대 (철 금속과 비철 금속들의 시대, 현재)  새로운 합금의 시대 (미래) 금속이 섞인 것 예) 새로운 제트엔진용 합금 개발 절삭공구용 재료는 가공 속도를 높이도록

Chap 1 개요 ● 재료가 복잡  강도가 높아지고 중량은 적어짐  재료가공 더 어려움 예) 세라믹 ● 새로운 공정 방법의 개발도 급속히 증가 새로운 재료들을 좀더 효율적으로 가공 버리는 부분을 줄임

1. 2 제조와 생산시스템 ● 제조(manufacturing): 원하는 제품이나 부품을 얻기 위해서 행하여지는 모든 공정이나 행위    ● 생산시스템: ▶ 사람, 자금, 장비, 재료, 원료 공급, 시장, 경영과 제조시스템을 포함 ▶ 사업의 모든 면(가공, 판매, 광고, 이윤, 분배)을 포함  

제조공정 분류 ● 주조 ● 소성가공 ● 기계가공(재료 제거) 공정 ● 결합과 조립 ● 표면처리 ● 열처리

검사와 테스트(시험) ● 검사(inspection): 부품과 재료가 원하는 크기와 물리적인 특징을 갖고 있는가를 알아내는 행위(측정)   ● 테스트(test): 제품이 실제상황에서 어떻게 반응을 할 것인가에 대한 모의 실험. 예) 수명 테스트, 파괴테스트, 비파괴테스트, 풍동테스트, 주행테스트, 과부하 테스트 파괴: 자동차 충돌시험 핸드폰 테스트

2장 재료의 성질 ● 엔진에서의 크랭크 샤프트 설계에 대한 예 작용하는 힘, 응력, 재료의 강도, 크기 등을 결정

자동차에 사용되는 재료

금속재료와 비금속재료 ● 금속재료 - 철, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 납, 아연, 금속의 합금, 강, 황동 ▶ 열전도율과 전기전도도 높음 ▶ 연성이 높고, 어떤 것들은 자성을 가짐   ● 비금속재료 - 나무, 벽돌, 유리, 고무, 플라스틱 ▶ 연성이 적고, 밀도가 낮고, 전기와 열전도율이 매우 낮다. ▶ 계속 새로 개발됨 ⇒ 금속을 대체하기도 함 예) 세라믹, 복합 재료, 엔지니어링 플라스틱

물리적인 성질과 기계적인 성질 ● 물리적인 성질: 밀도, 용융점, 광학적인 성질(투명도, 색깔), 열적 성질(비열, 열팽창 계수, 열전도율), 전도도, 자성   ● 기계적인 성질은 시편을 실험실에서 시험을 한 후 결정. ※ 사용환경이 검사환경과 다르므로 주의 사용환경: 극지방, 열대지역 자동차가 팔리는 지역은 다를 수 있음

응력과 변형률 ● 무게 W  막대는 늘어남 ● △L은 L, W에 비례

응력과 변형률 ● 변형률(strain): e=△L/L ● 응력(stress): s=W/A (A: 막대의 단면적)

응력과 변형률 ● 변형률(strain): e=△L/L ● 응력(stress): s=W/A (A: 단면적) s=E e (E: 영률) ● 다른 종류의 하중 ▶ 재료 압축  압축 응력과 압축 변형률 발생 ▶ 전단 응력: 두 힘이 서로 어긋나서 작용 ⇒ 상당 응력을 사용하여 인장시험의 Y, U와 비교 (von Mises stress)

2.2 정적 성질 정적(static): 재료에 인가되는 힘이 일정하거나 또는 거의 일정 ● 인장시험 단축 인장시험 ※ 실제는 다양한 응력상태에 놓이나, 상당응력을 구하고 단축시험결과와 비교

강도성질 하중-변형점의 관계를 그래프 ⇒ 응력-변형률 곡선 ● 인장시험

강도성질

강도성질

강도성질

강도성질 ● 비례한계(proportionality limit, P) - 응력과 변형률이 서로 비례 비례상수 - 영률(Young's modulus, E )   ● 탄성한도(E) ▶ 탄성범위 내에서의 가장 큰 응력 ▶ 탄성에너지(resilience): 탄성한도 내에 있을 때, 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양(하중-변형률 곡선에서 아래 부분에 있는 면적)

강도성질 ● 소성변형(plastic deformation) 탄성한계 이상으로 늘어났을 때는 하중 제거 시 원위치로 돌아오지 못함 ▶ 대부분의 부품에서 소성변형은 실패  치수가 허용오차한도를 벗어남 ▶ 소성가공은 소성변형을 이용하여 제품의 형태를 만들어냄   ● 항복점(Y) ⇒ 영구(소성) 변형 ▶ 상항복점: 응력의 증가 없이도 변형률이 계속 증가하기 바로 직전의 가장 높은 점 ▶ 하항복점: 비교적 일정한 값을 지속하는 값 (보통 표에 나타남)

강도성질 ● 탄성영역에서 소성영역으로 넘어가는 부분이 명확치 않은 재료 ⇒ 옵셋 항복강도 이용 ● 옵셋 항복강도: 정해진 양 만큼의 영구적이나 허용할 수 있을 정도의 변형률을 일으키는 응력 ▶ 대개 변형률의 옵셋량은 0.2% ▶ 약간의 소성변형이라도 부품의 파괴가 일어날 수 있다면 0.1%나 0.02%.

옵셋 항복강도 ● 정해진 옵셋변형률 값에서 탄성영역의 직선 그래프와 평행하는 직선을 그은 후 그 직선과 응력-변형률 곡선과 만나는 점에서의 응력의 크기 (재현성 있음, 표에 나타나는 값)

강도성질 ● 재료의 최대강도, 인장강도 또는 최대인장강도(U)   ● 네킹(necking): 인장시편막대의 가장 약한 부분은 단면적이 계속 감소 ⇒ 한 부분에서만 단면적이 감소하는 현상

강도성질 ● 파괴강도(F): 파괴가 발생할 때의 응력 ▶ 연성이 큰 소재: F<U, 파괴 전에 네킹 발생 ▶ 취성이 큰 재료: 네킹 전에 파괴 혹은 소성유동 전에 파괴

연성과 취성 ● 연성: 재료가 파괴되지 않고 모양을 변화할 수 있는 능력 ⇒ 인장 시편의 백분 연신율로 주로 나타냄 = △L/L X 100%   ● 재료가 연성이 아주 조금 있거나 거의 없는 재료 – 취성재료 ※ 취성 - 연성과 반대되는 개념 - 강도가 작은 것과 다름 - 취성재료는 단순히 연성이 매우 적은 재료

경도 ● 경도(hardness): 딱딱한 정도 - 정적 또는 동적 하중이 주어졌을 때 생기는 영구 변형(압흔)에 대한 저항 - 종류: 브린넬, 록크웰, 비커스, 마이크로 경도시험   ● 경도와 인장강도와의 관계 무수한 실험결과로 관계를 찾아냄 (재료에 따라 기울기가 다름) ※ 일반 탄소강과 저 합금강: 인장강도(psi)는 브린넬 경도 수치에 500을 곱한 값과 비슷

경도

2.3 동적인 성질 ● 충격시험 재료가 파괴에 저항하는 것을 평가 ● 금속의 피로와 피로한도   ● 금속의 피로와 피로한도    ▶ 응력 반복 ⇒ 응력이 최대인장강도보다 작고 인장 시편에 의하여 결정된 항복강도보다 작더라도 반복이 계속되면 파괴  피로파단(파괴) ▶ 피로파단이 기계적인 파단의 90%정도를 차지

온도효과 ● 저온이나 고온에서 재료 성질 변화: 비행기, 우주선, 가스 터빈, 또는 원자력 발전소 같이 -200°F와 같이 낮은 온도 혹은 2300°F 같이 높은 온도에서 작동하는 구조물을 설계 시 고려   ※ 온도가 올라가면 강도와 경도 감소, 연신량 증가 ⇒ 재료가 약해지고 연성 증가 장미꽃을 드라이아이스, 액체질소에 넣고 얼게 하면 깨진다.

4장 평형선도와 철-탄소 시스템 ● 상(phase): 고체, 액체, 기체

4.3 평형상태도 ● 평형상태도: 어떤 조건에서 평형상태가 얻어지는지 그래프로 나타낸 것 ● 세가지 중요한 변수: 온도, 압력, 조성

온도-조성 선도 ● 대부분의 공정은 대기압에서 실행, 온도와 조성만을 변화 ⇒ 대기압 하에서의 온도-조성 상태도

▶ 강: 철과 탄소의 합금 (탄소: Fe3C의 탄소고용체 형태) - 저탄소강: 0-0.3% - 중탄소강: 0.3-0.6% ● 철과 강 ▶ 철: 순수한 철 ▶ 강: 철과 탄소의 합금 (탄소: Fe3C의 탄소고용체 형태) - 저탄소강: 0-0.3% - 중탄소강: 0.3-0.6% - 고탄소강: 0.6-2.0% - 주철: 2.0%이상   ● 탄소함유량 증가 ⇒ 연성 ↘, 강도 ↗↘, 경도↗↘, 용융점↘, 유동성↗ 고용체: 완전하게 균일한 상을 이룬 고체의 혼합물이다.원자 사이의 틈에 다른 원소의 원자가 끼어들어가 있는 형태의 침입형 고용체와 정연하게 늘어서 있는 고체의 원자를 밀어내고 그 자리로 대신 들어가는 형태의 치환형 고용체가 있다.

4.4. 철-탄소 평형선도 ● 강: 철과 탄소로 이루어진 금속 다양한 상태 존재, 탄소%에 따라 용융점 감소

4.5 강과 단순화된 철-탄소 선도

4.5 강과 단순화된 철-탄소 선도 ● 중요한 전이는 온도가 내려감에 따라 ▶ 1상 오스테나이트 ⇒ 2상 페라이트 및 탄화물 화합물 ▶ 면심입방격자와 체심입방격자의 탄소용해도의 큰 차이에 의하여 발생하는 반응을 잘 제어  열처리로 다양한 성질  

4.5 강과 단순화된 철-탄소 선도 ● 공석 조성 (0.77% 탄소) 강이 x-x'를 따라 냉각 오스테나이트가 1341°F(727°C)까지 냉각될 때, 여러 가지 변화 발생 ▶ 면심 입방 오스테나이트 ⇒ 체심 입방 페라이트 0.02%의 탄소만을 포함 ▶ 방출된 탄소는 세멘타이트를 형성 ⇒ 페라이트 및 세멘타이트의 조밀한 기계적인 화합물 (펄라이트)

4.5 강과 단순화된 철-탄소 선도 ● 냉각이 매우 느리게 일어난다고 가정하여 평형상태가 유지 ● 매우 느리게 가열할 때는 역으로 변환이 발생 ● 합금이 매우 빠르게 냉각될 때 정상적인 상반응이 발생하지 못함 ⇒ 평형상태도가 유용하지 않음

5 장 열처리

개요 ● 공학재료의 물성은 가변 ● 열처리: 금속의 물성을 바꾸기 위해 가열과 냉각을 조절하는 공정 (제품의 형상 변하지 않음)

열처리 작업 ● 재료 강도 향상과 연관 ● 전처리, 절삭성 향상, 성형동력 감소, 추가가공을 위한 연성 회복 목적으로 사용되기도 함 ● 천천히 냉각, 장시간 고온 상태  평형선도 이용 가능 ● 평형에서 벗어나면 상당히 다른 결과 주몽 철기방 분뇨에 철을 담그어 단련  질소가 침투하여 질화법 (사라센(시리아 초원의 유목민) 아랍지역)

강의 열처리 작업 ● 많은 열처리 작업이 탄소강과 저합금강에 적용  단순화된 철-탄소 평형선도 사용

강의 열처리 작업 ● 어닐링: 재료의 강도나 경도를 감소시키고, 잔류 응력을 줄이며, 연성회복, 결정립 크기를 세밀화, 편석을 줄임 ● 완전어닐링 - 아공석강: A3보다 30-60° 이상 가열, 유지, 온도 A1 이하까지 냉각속도를 제어하여 노에서 냉각, 상온에서 공랭  과도한 페라이트를 가진 조대 펄라이트 - 과공석강: A1보다 30-60° 이상 가열 (장시간, 고온, 노중 냉각에 많은 에너지) 고체재료 속에서 조성이 불균일하게 되는 형상으로 야금용어의 하나이다. 합금을 용해하여 형에 주입할 목적으로 고체를 만들 때 성분원소가 국부적으로 집적하여 불균일하게 되는 경우와, 일단 균일하게 분포된 성분원소가 고체로 된 뒤 처리나 가열로 인해 확산이동하여 국부적으로 모여서 불균일하게 되는 경우가 있다.

강의 열처리 작업 - 재료가 최대한 물러질 필요 없고, 비용 절감이 중요한 경우 ● 노멀라이징: - 재료가 최대한 물러질 필요 없고, 비용 절감이 중요한 경우 - A1(Acm)보다 60° 높은 온도 가열, 유지, 노에서 제거하여 공랭 - 완전어닐링은 균일한 조직, 노멀라이징에서는 위치에 따라 물성 다름 ● 재결정 - 가공경화된 재료의 연성 회복

강의 열처리 작업

강의 열처리 작업 - 큰 강주물, 용접구조물, 냉간가공 제품의 잔류응력을 감소시키기 위해 수행 ● 응력완화 목적의 어닐링 - 큰 강주물, 용접구조물, 냉간가공 제품의 잔류응력을 감소시키기 위해 수행 A1 이하의 온도로 가열, 일정시간 유지, 서냉 ● 구상화 - 고탄소강을 중절삭이나 냉간가공할 때 - 모든 시멘타이트가 작은 구형으로 페라이트 내에 퍼져 있는 구조

비철금속의 열처리 ● 대부분 비철금속은 중요한 상변화 없음 ● 균일하고 균질한 구조를 만들거나, 응력을 풀어주거나, 재결정을 만듬

5.5 강의 강화열처리

마르텐사이트

노 (furnace)

8장 비파괴 검사법과 시험법(Nondestructive Inspection and Test)

8.1 파괴 시험법과 비파괴 시험법 ● 파괴 시험법(destructive test) 표본에 고의적으로 고장을 유발하는 시험조건을 가함 ⇒ 제품이 고장을 일으키는 조건 결정 (언제 망가지는가)   ● 비파괴 시험법 ▶ 제조 중, 제조 후, 사용 중 제품에 대해 수행 가능 ▶ 내부나 혹은 표면의 흠 발견, 치수 측정, 재료의 물리적이나 기계적인 성질 평가

8.2 육안검사(Visual Inspection) ● 가장 간단

8.3 액체침투법 (Liquid Penetrant Inspection) ● 금속이나 비기공성 재료의 표면 결함을 탐지 ▶ 세척, 시험 전에 건조 ▶ 침투액을 공작물의 표면에 가함 ⇒ 표면의 틈으로 침투 ▶ 남아있는 침투액 제거 ▶ 표면을 현상액으로 코팅 (자외선을 받으면 빛을 발하는 형광물질이 침투액에 첨가되어 결함을 볼 수 있음)

8.4 자기탐상법 (Magnetic Particle Inspection) ● 강자성물질(주철,강,니켈,그리고 코발트 합금 등)이 자화되면 ▶ 재료의 결함 근처에서 자기장을 왜곡 ▶ 크랙과 개재물과 같은 결함에 의하여 시편 표면 위의 자성입자가 자성이상을 만듦

8.5 초음파 검사법 (Ultrasonic Inspection) ● 고주파진동(100,000Hz에서 2,500백만Hz)을 물질에 가하고 관찰 ▶ 초음파는 경계면 상에서 일부 반사, 일부 투과 ▶ 신호를 받아서 해석 ⇒ - 재료 내의 결함을 탐지 - 한쪽 면으로부터의 두께를 측정

8.6 방사선 투과법 (Radiography) ● 의학용 X선과 동일한 원리와 기법

8.7 와전류 시험법 (Eddy-Current Testing) ● 유도 와전류: 교류를 통과시킨 코일에 의해 생성되는 교류자기장이 전기 전도 물질에 적은 양의 전류를 유도. ⇒ 반대되는 자기장을 생성하여 코일에 의한 자기장의 세기를 감소시킴 ⇒ 와전류 진로가 크랙 주변에서 변경되어 주변에 유도된 자기장의 특성을 변화

8.7 와전류 시험법 (Eddy-Current Testing)

8.8 음향방사 검사법 (Acoustic Emission Monitoring) ● 응력을 받거나, 변형 혹은 파괴상태에 있는 재료는 1MHz정도 까지의 음향파(sound wave) 방출 ● 크랙의 시작이나 전파, 층상재료의 갈라짐 등을 탐지 예) 공구파단 감지

8.9 잠재결함과 임계결함 (Dormant vs. Critical Flaws) ● 잠재결함: 결함이 충분하게 작다면 제품의 전 수명동안 크기와 형상이 변하지 않음  무방함 ● 임계결함: 크기가 큰 결함은 성장, 전파되어 파괴 야기  문제 ※ 한계값: 이하에서는 잠재, 이상에서는 임계결함