[피로]
소재가 가공되어 부품으로 사용될 때는 가공이력에 따라 신뢰성이 좌우된다. 공작기계, 절삭공구, 금형, 기어, 캠, 축, 스프링과 같은 구조물이나 기계요소들은 정하중뿐만 아니라 급속히 변동되는 동하중도 받게 된다. 반복응력(cycle stress)은 치형(gear teeth)의 경우처럼 반복되는 기계적 하중에 의해서 발생되거나 가열된 공작물과 접촉을 반복하는 금형의 경우와 같이 반복되는 열하중에 의해서도 발생된다. 이러한 반복응력상태하에서는 재료가 정하중을 받을 때 파단되는 응력보다 낮은 수준의 응력에서 파단된다. 이 현상을 피로파괴(fatigue failure)라 하며, 실제 대다수 기계요소들이 파손되는 주원인이 되고 있다.
피로시험(fatigue test)에서는 다양한 형태의 반복하중을 시편에 가하며, 인장 및 압축,비틂의 복합하중을 주로 사용한다. 피로시험은 여러 가지 응력진폭(stress amplitude, S로 표시)에 대해 수행되며, 시편의 완전파단시까지 작용된 하중의 반복횟수(number of cycles, N으로 표시)를 각각 기록한다. 응력진폭은 시편이 받는 최대응력과 최소응력의차를 반으로 나눈 값이다.
다음 그림은 피로시험결과를 나타내며, 이 곡선을 S-N곡선이라고 한다.
이 곡선들은 양진응력(complete reversed stress)상태에 대한 것이다. 양진응력상태란 지우개나 철사를 양쪽 방향으로 굽혔다 폈다하는 경우처럼 시편이 받는 최대응력과 최소응력이 있는 축이 일정한 크기와 방향의 수직력을 받고 있는 경우에 발생한다. 반복횟수가 아무리 많아지더라도 피로파괴를 일으키지 않는 최대응력을 재료의 내구한도(endurance limit) 또는피로한도(fatigue limit)라고 한다.
다음 그림에서 볼 수 있듯이, 금속재료들의 피로한도는 극한인장강도와 일정한 관계를 가진다.
강재의 경우 피로한도는 인장강도의 약 반이다. 많은 금속들은, 특히 강재의 경우, 명확한 피로한도를 가지나, 알루미늄 합금은 S-N 곡선이 계속 아래로 향하는 경향을 가진다. 이와 같이 명확한 피로한도를 갖지 않는 금속들의 경우에는 피로한도를 어떤 특정한 반복횟수(예 : 107)에서의 응력값으로 정한다. 이러한 방법을 사용하여 제품이나 부품의 유효수명을 결정할 수 있다.
[크리프]
크리프(creep)는 소재가 정하중이 가해진 상태로 장기간 방치되면 시간의 경과와 더불어 소재의 변형이 계속되는 현상이다. 금속재료들과 열가소성 플라스틱, 고무와 같은 비금속재료들은 어떤 온도에서도 크리프 현상이 생긴다. 납을 예로 들면, 실온에서도 현저한 크리프변형이 발생된다. 오래된 집의 유리창두께가 위쪽보다 아래쪽이 더 두꺼운 것을 볼 수 있는데, 이는 오랜 세월동안 유리창의 자중에 의한 크리프변형이 생겼기 때문이다.
금속의 경우, 크리프현상이 뚜렷이 나타나기 시작하는 온도는 알루미늄 합금의 약 200℃로부터 내열금속(refractory alloy)의 약 1500℃에 이르기까지 재료에 따라 다르다. 금속재료들의 고온크리프현상은 결정립계(grain-boundary)에서의 미끄럼운동으로 설명되고 있다. 크리프현상은 고온에서 작동되는 기계부품들의 설계 및 해석에 중요하게 고려된다. 이러한 부품들의 예로는, 가스터빈 블레이드와 제트 엔진 및 로켓 모터에서의 고온에 노출된 부품들을 들 수 있다. 고압 증기관이나 핵연료용 부품에서도 역시 크리프가 중요시된다. 열간단조나 열간압출에 사용되는 공구나 금형들도 역시 고온과 높은 응력으로 인하여 크리프변형이 생길 수 있다.
크리프시험(creep test)의 대표적인 방법은 주어진 온도에서 일정한 인장하중을 시편에 가한 후, 즉 시편에 일정한 공칭응력을 작용시킨 후, 시간의 경과에 따라 시편길이의 변화를 측정하는 것이다. 대표적인 크리프곡선(다음 그림) 에서 알 수 있듯이, 크리프곡선은 제1단계(primary stage), 제2단계(secondary stage) 및 제3단계(tertiary stage)로 구성되어 있다.
크리프를 설계에 고려할 때는 제2단계 크리프를 기준으로 하는 것이 보통이다. 왜냐하면, 제2단계에서는 곡선의 기울기(즉, 크리프속도)가 거의 일정하므로 실험값의 신빙성이높고 해석도 용이하기 때문이다. 크리프에 대한 저항은 일반적으로 재료의 용융온도가 높을수록 커지며, 이는 설계분야에서의 일반적인 지침으로 사용되고 있다. 크리프저항이 요구되는 곳에 흔히 사용되는 재료로는 스테인리스강, 초합금(super alloy), 내열금속 및 합금 등이 있다.
응력이완(stress relaxation)은 크리프와 밀접한 관계가 있다. 응력이완이란 외부하중에의해 어떤 구조물 요소에 발생된 응력이 시간이 경과됨에 따라 이 요소의 치수는 변하지않더라도 점차 소멸되는 현상이다. 이러한 예로는 인장, 압축 또는 비틂하중을 받고 있는 리벳, 볼트, 받침줄(guy wire) 및 이와 유사한 부품을 들 수 있다. 특히, 열가소성 플라스틱재료에 이러한 현상이 흔히 생기며 또한 중요성을 가진다.
[충격]
제품으로 사용되는 동안뿐만 아니라, 제조과정에서도 재료가 충격하중을 받을 수 있다. 이러한 상황은 낙하단조(drop forging)와 같은 고속 금속가공공정에서 주로 발생된다. 충격하중하에서의 충격인성(impact toughness)을 구하는 대표적인 시험방법은 노치가 있는시편을 펜듈럼 해머(pendulum hammer)방식의 충격시험기에 설치한 후 해머를 회전시켜한 번의 충격으로 시편이 파단되도록 하는 것이다.
샤르피(Charpy) 충격시험에서는 시편의 양단을 단순지지하고(다음 그림(a)), 아이조드(Izod) 충격시험에서는 마치 외팔보처럼 시편의 한쪽만 고정시킨다(다음 그림(b)).
시험 전과 시험 후의 펜듈럼의 위치에너지 차에서 펜듈럼의 회전중에 잃은 손실에너지를 빼면 시편의 파단에 소요되는 충격인성을 구할 수 있다.
충격시험은 특히 재료의 연성취성 천이온도(ductile-brittle transition temperature)를 구하는 데도 활용된다. 충격저항이 큰 재료들은 일반적으로 강도와 연성이 높은, 인성이 큰 재료들이다. 표면결함은 충격인성의 저하를 가져오므로 표면결함에 대한 민감도, 즉 노치 민감도(notch sensitivity)도 중요한 고려대상이다.
[잔류 응력]
[1] 잔류응력의 발생
잔류응력(residual stress)이란 비균일변형으로 인해 소재가 변형된 후 외력이 모두 제거된 상태에서도 소재에 남아 있는 응력을 말한다. 비균일변형의 대표적인 예는 보의 굽힘이다. 굽힘모멘트가 작용되는 초기에는 보의 응력분포가 그림 (a)와 같이 선형탄성상태이나, 모멘트가 증가하면 보의 바깥쪽부터 항복하기 시작하여 변형경화재료의 경우에 응력분포는 궁극적으로 그림 (b)와 같이 된다. 굽힘모멘트를 제거하면 보는 탄성적으로 복원된다.
굽힘모멘트가 제거되는 것은 마치 그림 (b)의 상태에서 크기가 같고 방향이 반대인 모멘트를 가하는 것과 같다. 따라서, 그림 (c)에서 면적 oab 와 oac의 중립축에 대한모멘트가 같아야 한다(물론 변형으로 인한 중립축의 위치변화는 무시되었다).
그림 (c)의 두 응력분포의 차이로 인하여 보에는 그림 (d)와 같은 잔류응력이남게 된다. ad 및 oe 구간에서는 압축잔류응력이 남고, do 및 ef 구간에서는 인장잔류응력이 남는다. 이와 같이 외력이 제거된 상태에서 남아 있는 잔류응력은 자체적으로 보의 정적 평형조건들이 만족되도록 분포한다. 이 예에서는 응력이 한 방향으로만 작용되고 있지만, 대부분 가공공정들의 변형상태에서는 잔류응력이 3차원적으로 남게 된다.
잔류응력이 남아 있는 보의 두께 일부분을 절삭하여 제거하면, 보의 평형상태는 깨어진다. 따라서, 보는 내부력의 평형상태를 다시 만족하기 위하여 새로운 곡률반지름을 갖는형태로 변형하게 된다. 이러한 효과의 다른 예로 잔류응력이 남아 있는 표면에 원형 구멍을 뚫는 경우를 들 수 있다. 구멍으로 인한 평형상태의 깨어짐을 보상하기 위하여 구멍은 타원 형상으로 변형된다.
이러한 잔류응력의 변화로 소재에 뒤틀림 (warping)을 초래하며, 몇 가지 간단한 예들이 다음 그림에 있다.
잔류응력의 평형상태는 장기간에 걸쳐 서서히 이루어지는 응력이완현상에 의해서도 깨어질 수 있으며, 이 경우 부품의 형상이나 치수는 이 기간동안 조금씩변형된다. 정밀기계나 측정장비들의 경우에는 이러한 치수변화가 중요하다.
잔류응력을 유발시키는 또다른 원인으로는 금속의 가공시나 가공 후에 금속상(phase)들사이의 밀도차를 유발하는(예로서, 강의 경우 페라이트와 마르텐사이트 사이의 밀도차) 상변화(phase change)가 있다. 금속의 상변화는 미소한 체적변화를 가져오게 되고, 그 결과로 잔류응력이 남게 된다. 이러한 현상은 온간가공 및 열간가공에서 뿐만 아니라 냉간가공 후 열처리에서도 중요하다.
잔류응력은 물체 내의 온도구배(temperature gradient)에 의해서도 유발될 수 있다. 예를 들면, 주물이나 용접부가 냉각될 때, 기차바퀴가 제동될 때, 연삭작업의 경우에 이러한현상이 생길 수 있다. 온도구배에 의한 팽창과 수축은 비균일 소성변형과 유사하다.
[2] 잔류응력의 영향과 제거
부품의 표면에 인장잔류응력이 남는 것은 일반적으로 바람직하지 않게 여겨지고 있다.왜냐하면 표면의 인장잔류응력은 부품의 피로수명과 파괴강도를 저하시키기 때문이다. 인장잔류응력이 남아 있는 경우(외부하중에 의해)에는 부가되는 인장응력을 많이 견디지 못한다. 이러한 사실은 특히 재료가 비교적 취성일 때, 즉 소성변형이 거의 또는 전혀 수반되지 않은 상태에서 파단될 때 명백하다.
가공된 제품에 존재하는 인장잔류응력은 장기간에 걸친 응력부식균열을 발생시킬 수도있다. 반대로 표면의 압축잔류응력은 일반적으로 바람직하다. 실제로, 제품의 피로수명을향상시키기 위하여 숏 피닝(shot peening)이나 표면압연(surface rolling) 등의 방법을 통해 제품의 표면에 압축잔류응력이 생기게 하고 있다.
응력제거 풀림처리 (stress-relief annealing)를 하거나 소성변형을 추가시키는 방법 등을 통해 잔류응력을 제거하거나 감소시킬 수 있다. 또한, 충분한 시간이 허용된다면, 실온에서도 역시 응력이완작용을 통해 잔류응력을 감소시킬 수 있다. 이때 물론 부품의 온도를 상승시킴으로써 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있다. 응력제거 풀림처리는 일반적으로 부품의 뒤틀림을 동반하게 된다. 따라서, 잔류응력 제거시 발생할 수 있는 부품의 치수변화를 보상하기 위한 기계가공여유를 준다.
소성변형을 추가하여 잔류응력의 일부 또는 전부를 제거하는 과정은 다음과 같이 설명된다. 즉, 어떤 소재에 다음 그림 (a)와 같이 바깥쪽에는 인장잔류응력, 내측에는 압축잔류응력이 존재한다고 하자. 물론 이들 응력은 탄성영역에 속하며 평형상태에 있다. 이 소재는 다음 그림 (d)와 같은 탄성-완전소성체라고 가정하자.
응력-변형률선도상에 표시한 인장 및 압축잔류응력의 크기는 둘다 항복응력 Y보다 작다. 이 소재에 균일한 인장을 가하면, 응력-변형률 선도상의 점 σc 및 σt는 화살표방향으로 곡선상을 움직이게 된다. 이 두 응력점이 도달할 수 있는 응력의 최대크기는 인장항복응력 Y이다. 충분히 큰 인장하중이 가해지면, 소재의 응력분포는 상기 그림 (c)에 보인것과 같이 균일하게 된다. 이 상태에 도달한 후 하중이 제거되면, 응력이 탄성적으로 복원되고 잔류응력은 생기지 않는다. 실제로 매우 작은 양의 인장변형을 통해서도 잔류응력을해소시킬 수 있다. 왜냐하면, 금속의 경우 탄성영역에서의 응력-변형률곡선은 매우 가파르기 때문에 작은 변형률로도 소재의 응력을 항복응력까지 올릴 수 있기 때문이다.
소성변형을 추가하여 잔류응력을 제거하거나 해소시키는 경우에는 소재의 응력상태가 균일하게 되도록 충분한 변형이 가해져야 한다. 변형경화성 재료의 경우에는 압축응력 σc'이 인장응력 σt'보다 항상 작기 때문에 균일한 응력상태에 결코 도달될 수 없으므로 다소나마 잔류응력이 남게 된다.
'전공 기본 > 기계재료' 카테고리의 다른 글
| 재료의 가공특성 (9) - 액상재료의 유동특성 (0) | 2022.09.27 |
|---|---|
| 재료의 가공특성 (8) - 일과 열 (0) | 2022.09.22 |
| 재료의 가공특성 (6) - 재료시험 (2) (0) | 2022.09.14 |
| 재료의 가공특성 (6) - 재료시험 (1) (0) | 2022.09.14 |
| 재료의 가공특성 (5) - 변형에 따른 불안정성 (0) | 2022.09.12 |
댓글