[개요]
재료를 가공하여 부가가치를 높이려면, 고체나 액체상태의 소재에 힘을 가하여 원하는 제품형상으로 변화시켜야 한다. 적합한 장비를 설계하고, 공구나 금형재료를 선정하며, 원하는 가공작업을 어떤 설비로 수행할 수 있는지를 판단하기 위해서는 소재에 가해야할 하중의 종류와 크기를 알아야 한다. 따라서, 소재가 갖는 하중과 변형 사이의 관계를 규명하는 일은 가공분야에서 필수적이다.
고체상태의 소재에 대하여는 다양한 방법으로 하중을 가하여 소성변형(plastic deformation)을 일으킴으로써 원하는 형상으로 가공할 수 있다. 기계가공에서 칩이 형성되는 것과 각종 성형가공이 이 범주에 속한다. 가공중에 고체상태의 소재는 다양한 응력상태에 놓이게 된다(다음 그림).
즉, 자동차의 펜더(fender)나 선재(wire)를 성형하는 동안 소재는 인장(tension)을 받고, 터빈 디스크를 제조하기 위해 원주형 금속을 단조하면 소재는 압축(compression)을 받는다. 판재의 전단작업에서 펀치로 구멍을 뚫으면 판재의 구 명단면을 따라 전단응력(shear stress)이 작용한다. 플라스틱 병을 성형할 때는 관 형상의 소재에 내압을 걸어 소재가 양축인장을 받도록 한다. 각 경우에서 소재의 변형거동을 이해하고 여러 공정변수의 역할과 제품의 결함을 예측하기 위해서는 소재의 변형과 항복(yielding), 그리고 항복 이후의 변형거동인 소성변형에 대하여 이해하여야 한다.
한편, 소재가 액체상태(fluid)일 때의 거동은 고체상태의 경우와 매우 다르다. 액상의 소재는 중력을 이용하거나, 필요한 경우에는 가압하여 원하는 형상의 틀에 채운 뒤, 응고 후의 제품형상을 얻는다. 금속의 주조, 폴리머의 각종 성형방법, 용접시 용접부에 용가재를 공급하는 것이 이 범주에 속한다. 액상은 유동을 하므로 소재가 채우고자 하는 틀을 쉽게채울 수 있다.
가공제품의 표면은 가공중에 받은 기계적, 물리적, 열적, 화학적 영향들 때문에 내부의모재(substrate)와는 상당히 다른 성질을 가진다. 모재는 일반적으로 제품의 전반적인 기계적 성질들을 결정하지만, 가공표면은 제품의 특성에 다음과 같은 영향을 준다.
① 가공면의 상태에 따라 마찰 및 마멸특성이 결정된다. 이 특성은 후속가공시 공구 및금형과의 접촉상태, 부품으로 사용시 다른 부품과의 접촉상태에 영향을 준다.
② 가공면의 상태에 따라 후속가공이나 제품수명 동안 윤활제의 효율성이 달라진다.
③ 가공면은 제품의 외양과 기하학적 특성을 결정한다. 이들 특성은 도장(painting), 피복(coating), 접합(joining) 등과 같은 후속공정이나 제품의 내부식성에 영향을 준다.
④ 가공면의 결함들, 예를 들어 거칠기, 긁힌 자국, 이음 자국, 열영향부의 존재 등은 균열을 발생시키기 쉽다. 따라서, 이러한 결함들은 제품을 취약하게 하거나 조기 파단되게하므로 제품의 신뢰성에 영향을 준다.
⑤ 가공면 상태는 다른 물체와 접촉해 있을 때, 열 및 전기전도도에 영향을 준다. 예를들면, 거친 표면은 매끈한 표면보다 열이나 전기의 전도가 불량하다.
지금부터는 가공공정과 연관한 소재의 변형거동을 설명하고, 이와 연관된 각종 재료상수를 파악하기 위한 재료시험들을 소개한다. 제품으로 사용되는 동안 잔류응력, 피로, 크리프처럼 제품의 신뢰성에 영향을 주는 기계적 거동과 가공으로 인한 표면특성, 가공중의마찰과 윤활에 대하여도 기술한다.
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