재료 가공 및 제조 과정에서 잔류 응력은 일반적인 현상으로 재료의 성능과 수명에 중요한 영향을 미칩니다. 잔류응력의 원인과 공간분포특성, 재료특성에 미치는 영향을 이해하고 제품의 품질을 향상시키며 안전사고를 예방하는 것은 매우 중요합니다.
I. 잔류응력의 원인
잔류 응력은 재료 가공이 종료된 것을 말하며, 공작물은 여전히 내부 응력을 유지합니다. 이러한 스트레스는 주로 다음과 같은 측면에서 발생합니다.
1. 불균일한 소성 변형
공작물에 복잡한 하중(예: 냉간 압연, 인발, 압출 및 표면 숏 피닝, 압연 등)이 가해질 때 단면의 불균일한 힘으로 인해{1}} 큰 힘이 가해지는 곳에서는 소성 변형이 발생하고 작은 힘이 가해지는 곳에서는 여전히 탄성 변형이 발생할 수 있습니다. 하중을 내리면 이러한 고르지 않은 소성 변형으로 인해 공작물 내에 잔류 응력이 발생할 수 있습니다. 구체적으로, 늘어난 영역은 언로드 후 압축 응력을 받는 반면, 인접한 영역은 인장 응력을 받습니다. 고르지 못한 소성 변형으로 인한 잔류 응력은 가공 공정에서 흔히 발생하는 응력 형태입니다.
2. 불균일한 온도장의 열 효과
열 처리에서 가열 및 냉각 공정은 일반적으로 급속 가열 및 냉각뿐만 아니라 국부적인 가열 및 냉각을 포함하여 매우 복잡합니다. 열은 표면을 통해서만 전달될 수 있으므로 가열 및 냉각 중에 온도 불균일로 인해 공작물에 열팽창 차이가 발생하고 이로 인해 일시적인 열 응력이 발생합니다. 이러한 일시적인 열응력 값이 재료의 고온 항복 한계를 초과하면 특정 영역에서 소성 변형이 발생합니다. 가열 공정이 끝나면 가공물이 상온으로 냉각되었음에도 불구하고 가열 과정에서 불균일한 소성 변형으로 인해 가공물 내부에 잔류응력이 발생하게 됩니다. 고르지 못한 온도장으로 인한 잔류 응력은 특히 열처리 공정에서 흔히 발생합니다.
3. 상전이 효과
재료 가공 중 야금 조직의 변화(예: 담금질 중 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변형)는 재료의 내부 비체적 변화로 이어지며, 이는 차례로 상전이 응력을 생성합니다. 이 상전이 응력은 가공 후에도 공작물 내부에 남아 잔류 응력을 형성합니다.
둘째, 잔류응력 특성의 공간적 분포
잔류 응력의 공간적 분포는 원인과 특정 가공 조건에 따라 달라집니다. 일반적으로 잔류응력은 매크로 잔류응력, 마이크로 잔류응력, 울트라-미시 잔류응력의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
1. 매크로 잔류응력
거시적 잔류 응력은 공작물 전체 또는 평형을 달성하기 위한 잔류 응력의 거시적 범위에 있습니다. 이 응력의 분포는 일반적으로 더 균일하며 공작물의 전반적인 성능에 더 큰 영향을 미칩니다. 이 과정에서 고르지 않은 소성 변형이나 열 효과의 고르지 않은 온도 장으로 인해 공작물은 거시적 인장 또는 압축 잔류 응력을 생성합니다.
2. 미세잔류응력
미세한 잔류 응력은 공작물 내 몇 개의 입자 내에서 평형에 도달하는 잔류 응력입니다. 이 응력의 분포는 일반적으로 입자의 모양, 크기 및 방향과 기타 요인에 따라 더 복잡합니다. 소성 변형 중에 입자 상호 작용과 입자 경계의 존재로 인해 미세한 인장 또는 압축 잔류 응력이 생성됩니다. 이러한 응력은 피로 강도 및 균열 확장률과 같은 재료의 국부적 특성에 중요한 영향을 미칩니다.
3. 초-미세 잔류 응력
초-미세 잔류 응력은 공작물에 있는 수많은 원자 표면, 잔류 응력의 평형 근처에 있는 원자 기둥입니다. 이 응력의 분포는 더 복잡하며 재료의 미세 구조, 결함 및 기타 요인과 관련이 있습니다. 상 변환 중에 격자 왜곡 및 결함으로 인해 초미세 인장 또는 압축 잔류 응력이 생성됩니다. 이러한 응력은 재료의 물리적, 화학적 특성에 영향을 미칩니다.
잔류응력의 공간적 분포 특성은 원인에 따라 달라질 뿐만 아니라 공정의 특정 조건과도 밀접하게 관련되어 있습니다. 예를 들어, 용접 공정 중에 용접 이음매와 그 주변 영역은 급속한 가열 및 냉각을 겪게 되어 이러한 영역에 복잡한 잔류 응력 분포가 발생합니다. 이러한 응력 분포의 불균일성은 용접의 강도와 인성에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다.
셋째, 잔류응력이 재료특성에 미치는 영향
잔류 응력은 재료의 기계적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 항복 강도 측면에서 재료 내에 잔류 인장 응력이 있으면 재료의 항복 강도가 감소하여 재료가 소성 변형되기 쉽습니다. 반대로 잔류 압축 응력은 재료의 항복 강도를 어느 정도 증가시킵니다. 인장 강도의 경우 잔류 응력이 있으면 인장 과정에서 재료의 응력 분포가 변경되어 인장 강도에 영향을 미칩니다. 또한 잔류 응력은 재료의 가소성, 인성, 경도 및 기타 지표에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 잔류 인장 응력은 재료의 신장을 증가시키는 반면, 잔류 압축 응력은 재료의 신장을 감소시킵니다. 경도 측면에서 잔류 인장 응력은 경도 측정을 감소시키는 반면, 잔류 압축 응력은 경도 측정을 증가시킵니다.
재료의 피로 수명에 대한 잔류 응력의 영향은 훨씬 더 중요합니다. 교번 하중의 영향으로 잔류 인장 응력이 가해진 하중과 중첩되어 균열의 출현과 확장이 가속화되어 재료의 피로 수명이 크게 단축됩니다. 따라서 기계부품의 설계 및 제조 시 과도한 잔류응력으로 인한 피로파괴를 방지하기 위해서는 잔류응력의 영향을 충분히 고려해야 합니다.
2. 물리적 특성에 미치는 영향
잔류 응력은 재료의 물리적 특성에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 열팽창 계수 측면에서 잔류 응력은 재료의 내부 격자 구조를 변경하여 열팽창 특성에 영향을 미칩니다. 재료에 잔류 응력이 존재하면 열팽창 계수가 변경될 수 있으며, 이는 온도에 민감한 일부 응용 분야(예: 항공우주의 열 제어 시스템)에서 부품의 적합성에 문제를 일으킬 수 있습니다. 또한 잔류 응력은 재료의 열 및 전기 전도성에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 잔류 응력은 재료 내의 원자 배열을 왜곡하여 포논과 전자의 산란 가능성을 증가시켜 재료의 열 및 전기 전도도를 감소시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 방열과 전기전도도가 중요한 전자소자에서는 이러한 잔류응력의 영향으로 소자의 열효율이 감소하고 저항이 증가하여 소자의 성능과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
