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8-1 잔류응력의 발생 8 장 잔류응력, 가공온도, 금속유동모양 재료가 외력이나 온도변화를 받고 있지 않는데도, 그 재료내에 남아 있는 응력을 잔류응력이라고 한다. 거시적 잔류응력, 미시적 잔류응력 인장 잔류응력과 압축잔류응력이 균형을 이룸 소성인장을 받은 영역은 압축잔류응력이 생기고 소성압축을 받은 영역은 인장잔류응력이 발생한다.
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냉각시 수축하는 금속 먼저 냉각하는 부분은 수축하게 되므로 길이와 지름이 작아진다. 그러므로 냉각이 안된 고온의 중심부는 저온의 표면부보다 항복강도도 낮으므로 외부냉각에 의해 압축되어 원래보다 길어지고 가늘어지는데, 그림 b 중심부는 일부 항복응력을 초과하여 소성변형되므로 그림 c 처럼 응력이완 이후 중심부가 냉각되어 수축하게 되면 외부보다도 더 수축하게 되므로 잔류응력상태는 역전되어 그림 d 와 같이 표면은 압축 중심부는 인장이 걸린다.
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냉각시 팽창하는 금속 – 마르텐사이트 변태 먼저 냉각하는 부분은 팽창하게 되므로 길이와 지름이 커진다. 그러므로 냉각이 안된 고온의 중심부는 저온의 표면부보다 항복강도도 낮으므로 외부냉각에 의해 인장되어 원래보다 짧아지고 두꺼워지는데, 그림 b 중심부는 일부 항복응력을 초과하여 소성변형되므로 그림 c 처럼 응력이완 이후 중심부가 냉각되어 팽창하게 되면 외부보다도 더 팽창하게 되므로 잔류응력상태는 역전되어 그림 d 와 같이 표면은 인장 중심부는 압축이 걸린다.
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길이방향, 접선방향, 반지름방향 잔류응력
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상변태곡선과 열처리속도에 따른 잔류응력의 발생 퀜칭균열 quenching crack 표면부의 인장잔류응력이 재료의 파괴응력을 초과하면 급냉시 균열이 발생한다.
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열처리 조건에 따른 실제의 잔류응력크기
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8-2 잔류응력의 효과 일반적인 응력효과와 동일 소성변형과 파괴를 유발할 수 있다. 상변태가 촉진될 수 있다. (stress induced transformation) 부식이 촉진될 수 있다. (stress induced corrosion) 기계가공시 뒤틀림이 발생한다. 좌굴 ( 비틀림 ) 의 경향을 증가시킨다.
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8-3 잔류응력의 제거방법 - 응력제거 1) 가열, 2) 기계적 가공 가열에 의한 제거 잔류응력이 항복응력을 초과할 수 없으므로 응력제거온도에서의 항복응력값으로 감소한다. – 온도설정에 주의 소성변형에 의한 제거
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8-4 잔류응력의 측정 Bauer-Heyn 방법 물체의 일부를 제거하면 나머지 부분의 응력변화 이를 활용하여 잔류응력계산 표면부 인장잔류응력의 원기둥에서 표면부를 제거하면 원기둥은 길어지면 이는 표면부에서 중심부에 가해졌던 힘과 동일하다. 그러므로 중심부의 변형률 de 1, 이때의 응력 c 과 힘 Fc=Fs, dA 1 =A 0 -A 1 에서
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8-3 잔류응력의 측정 Bauer-Heyn 방법 두께를 무한히 얇다고 가정하면 아래의 식이 되며 A 와 e 의 관계그래프에서 기울기를 구해 de/dA 를 얻으면 아래의 식으로 잔류응력을 구할 수 있다. 단, 길이방향만 고려하였으므로 반지름방향 가로 방향을 고려하여야 하며 오차가 크다.
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8-4 잔류응력의 측정 Sachs 의 중공방법 원기둥의 잔류응력이 축대칭인 경우 사용 축의 중심에 구멍을 뚫고 이를 넓혀가면서 길이방향의 변형률과 반지름방향 변형률을 측정하여 계산한다. 중공을 팔 때는 과열되지 않도록 주의하고 매번 약 5% 의 단면적을 제거 가장자리 영향을 없애기 위해 길이는 지름의 3 배이상 이어야 한다.
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8-4 잔류응력의 측정 Treuting-Read 방법
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8-4 잔류응력의 측정 전위법 쉽게 측정하는 근사법 1) 압연판 곡률 반경 R 과 전위 , 굽혀진 길이, 벌어진 길이 L, 두께 t 에 대해서 2) 봉재의 경우는
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8-4 잔류응력의 측정 전위법 쉽게 측정하는 근사법 3) 두께가 얇은 관에서 A 그림처럼 세로변을 자르면 B 와 같이 길이방향을 자르면 원주방향 잔류응력
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8-4 잔류응력의 측정 – X 선측정법 원자간 거리의 변화를 측정 특정 격자면의 원자간격으로 변형률을 측정 표면잔류응력만 측정 – x 선 투과깊이 0.03mm 내외 자유표면은 응력이 존재하지 않으므로 x 선 측정법은 1 축 또는 2 축 잔류응력만 측정한다 X 선 조사면적이 작으므로 수 mm 내의 잔류응력만 측정한다.
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8-4 잔류응력의 측정 – X 선측정법 표면에 작용하는 주응력상태를 타원체로 표시하고 방향코사인을 적용하면 x 선 으로는 표면잔류응력만 측정하므로 III 는 0 이므로 =90 o 이므로 수직변형률을 정의하고 주변형률을 주응력으로 표현하는 식을 대입하면
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8-4 잔류응력의 측정 – X 선측정법 위의 두식에서 여기에서 d 0 = 응력이 없는 조건의 격자면간거리 d 1 = 응력이 있는 시편의 표면과 수직인 격자면간 거리 d = 응력이 있는 시편에서 시편의 각 , 로 정의되는 방향의 격자면간 거리
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8-5 잔류응력의 측정 – X 선측정법 방향의 응력을 결정하기 위하여 X 선 측정을 2 번 한다. 한번은 면에 수직인 d 1 을 구하고 한번은 방향의 d 를 구한다. 일반적으로 =45 도로 하여 d 값을 구한다. 측정하고자 하는 방향에 따라 격자면간거리를 2,3,4 번 측정한다. x 선 측정에서 Bragg 법칙에 따라 2 를 직접 측정하므로 식을 변환하여 2 대 sin 2 또는 d 대 sin 2 선도를 그리면 기울기는 편미분항을 나타낸다.
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특정한 재료의 특정한 격자회절면을 고려하면 편미분항 외에는 상수 K 로 취급할 수 있으므로 여기서 기울기 M 이 음수이면 인장응력이고 양수이면 압축응력이 된다.
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8-6 가공온도의 선택 냉간가공 가열비용없이 변형가능한 경우 가공경화 성질이 필요한 경우 박판 / 작은 열용량 으로 인하여 열간가공이 안되는 경우 가공에너지 크며, 변형량 한계 중간어닐링 사용 열간가공 가공초기단계적용 가공에너지 감소, 변형량 한계극복됨 주조조직 재편성, 편석, 기공 제거, 등축미세조직 형성 고온에서의 금속반응 - 산화, 취성발생, 탈탄 불균일한 미세조직 - 표면이 더 변형량이 크며 미세한 조직이 된다. 적열취성 - 저융점재료 ( 혹은 편석에 의해 ) 가 극히 소량의 입계막을 형성 열간변형에서 조각조각으로 깨어지는 현상
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8-7 열간가공시 표면반응 표면산화 – 두꺼운 산화층 손실 (2~9%), 거친 표면형성, 가공중 윤활제역할 열간가공시 가열시간을 최소화하는 것이 필요 산화속도 : 알루미늄 < 구리, 철 < 몰리브덴 ( 이종 금속으로 싸서 열간가공 ) 수소, 황의 영향 - 수소취성, 입계침투 강의 bruning 현상과 적열취성 표면층의 합금원소의 고갈 - 탈탄, 탈황, 탈아연 등 산화피막의 제거 – 기계적 제거, 고압물분사, 산수용액의 피클링
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8-8 열전달 원자나 분자의 운동에너지증감으로 온도 증감 전도, 대류, 복사의 형태로 열전달 주조후 냉각 전 열간가공을 통한 가열에너지 절약 열처리로에서 복사열에 의한 재료표면의 가열, 전도에 의한 중심부 가열 열전도가 느리면, 내외부 온도차가 커짐 – 잔류응력발생, 균열가능성 열응력에 의한 균열 - 가열금 또는 clinking 온도경사를 작게 하는 것이 필요 가열속도 증가방법 복사 : 열원의 온도를 높인다. 대류 : 매질을 강제순환시킨다. 전도 : 열원과의 접촉을 조절 - 액체금속, 용융염 사용 ( 표면반응 억제 )
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8-9 금속유동모양 유동모양의 조사 경도분포측정으로 변형량을 측정 가공후 단면을 에칭하여 미세조직 분석 가공전 절단하여 절단면에 망을 그린후 겹쳐서 가공한 후 절단면을 분석 이종금속을 삽입하여 가공후 모양변화를 분석 고온의 금속과 유사한 Plasticine 을 이용하여 분석
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