1-2. 기계재료 기초 (금속재료의 소성변형)

소성변형 (Plastic Deformation) 은 재료역학 응력-변형률 선도에도 등장하는 내용입니다.

탄성변형(Elastic Deformation)과 달리 재료가 영구변형되는 구간을 소성구간이라고 하고, 이를 소성변형이라 합니다

 

 

<↓응력-변형률선도 : Stress-Strain Curve> 

2019/09/06 - [STUDY/기계공학 -재료역학] - 1. 하중과 변형률, 안전율

1. 하중과 변형률, 안전율

 

■ 소성변형의 원리

슬립(slip)	금속에 인장/압축을 가하면 결정이 미끄러지면서 이동하는 현상. 소성변형이 진행될수록 슬립에 대한 저항이 점점 증가해서, 금속의 강도와 경도도 증가하게 되는데 이를 변형에 의한 가공경화 (=strain hardening) 라고 합니다. 결정면의 연속성을 파괴합니다.   ※ 가공경화는 아래 또나옴
쌍정(twin)	변형 전후의 격자배열이, 어떤 면을 경계로 대칭되는 상태를 의미합니다.
전위(dislocation)	금속에 외력 작용시 불완전하거나 결함이 있는 곳에서부터 이동이 생기는 현상입니다.  (원래 금속 결정격자는 규칙적으로 배열되어있는 것이 정상)

 

 

■ 금속의 재결정이란? (Recrystallization)

재결정은 정말 많이 보게되는 단어입니다.

1. 정의 : 가공경화된 금속을 가열하게 되면 내부응력이 제거되어 회복이 됩니다. 계속 가열하다보면 점차 내부응력이 없는 새로운 결정핵이 생기는데, 이게 성장해서 새로운 결정 (연화된 조직) 으로 변합니다. 이때의 새로운 결정을 재결정이라고 합니다.

 → 이 때 재결정이 연화된 조직이기 때문에, 재결정은 금속의 연성을 증가, 강도를 저하시킵니다.

 

2. 재결정온도 (★중요) : 1시간 안에 95%이상 재결정이 생기도록 가열하는 온도

  - 대표적으로 텅스텐 (W)의 재결정온도는 1000℃ 

 

3. 재결정의 특징

  - 위에서도 말했듯이 재결정이 연화된 조직이므로, 금속의 연성증가, 강도저하

 - 가공도가 크면 재결정온도 낮고, 가공도가 작으면 재결정온도 높다.

    * 가공도가 크면 → 새로운 결정핵이 생기기쉬움 → 재결정이 낮은온도에서도 쉽게 생김

    * 가공도가 작으면 → 새로운 결정핵이 생기기 어려움 → 높은 온도에서 재결정이 생김

 

 

■ 냉간가공, 열간가공

● 냉간가공과 열간가공을 구분하는 기준은? (★중요) : 재결정온도 

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● 냉간가공이란? (Cold Working) : 재결정온도 이하에서 가공하는 것 (★)

  1. 치수정밀도가 높고, 가공표면이 매끈하다.

  2. 기계적 성질을 개선

  3. 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도는 증가 // 연신율, 단면수축률, 인성은 감소

 

** 아래는 제가 그냥 스토리텔링해서 외우는 방법입니다. (그냥 개인적으로 상상하면서 외우는방법임) 

    → 철을 하나도 가열안하고 지금 우리 앞에 두고 그대로 가공한다고 상상해보겠습니다. 얘는 열을 가한게 아니니까 팽창도 안한 상태겠죠. (=치수정밀도가 높다, 단면수축률 낮은상태) 또한 열을 가한게 아니니까 강도, 경도, 항복점 등의 '강도'와 관련있는 성질들은 증가하면 했지 줄어들진 않을겁니다. (=연신율, 인성등은 늘어날 일이 없음) 

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● 열간가공이란? (Hot Working) : 재결정온도 이상에서 가공하는 것 (★)

  1. 재질의 균일화 (그러나 치수, 형상등의 균일성은 냉간가공이 더 우수)

  2. 가공도가 크다. (가공이 쉽다), 거친 가공에 적합 (거친 형태, 표면으로 가공이 된다)

 

   *재결정은 내부응력이 없는 새로운 연화된 결정핵이라고 위에 적혀있습니다. 즉 재결정온도 이상에서 가공한다는 것은 내부응력이 상당히 감소한 상태(=재질의 균일화)이므로 가공이 용이합니다. (=가공도가 크다)

 

  3. 정밀가공이 어렵다.

  4. 연신율, 단면수축률, 충격값 등이 개선된다. 

 

** 재결정은 내부응력이 없는 새로운 연화된 결정핵이라고 위에 적혀있습니다. 즉 재결정온도 이상에서 가공한다는 것은 내부응력이 상당히 감소한 상태(=재질의 균일화)이므로 가공이 용이합니다. (=가공도가 크다)

** 비약적으로 재결정온도가 높다고 상상해보면, 금속이 뜨거워져서 물렁물렁하고 팽창한상태이므로 가공하기 좋고, 대신 정밀가공이 어렵다는걸 상상해볼 수 있습니다. 또한 온도가 높으면 금속이 산화되기가 쉬워서 이 또한 정밀가공을 어렵게 합니다.

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■ 가공경화 (Strain Hardening, = 변형경화)

1. 정의 : 재결정온도 이하 (=냉간가공)에서 가공할수록 재료가 단단해지는 현상 (강도 및 경도증가)

  - 위에 '소성변형의 원리' 파트에서 '슬립(slip)' 쪽을 다시 한번 봅시다

 

2. 특징

  - (재료가 단단해지니까) 강도 및 경도증가  // 연신율, 인성, 단면수축률 감소

  - 없애기 위해서는 풀림처리를 하거나, 재결정온도 이상에서 가공 (★) 한다 

  - 가공경화의 예시 : 철사를 반복해서 굽히다보면 어느순간 그 부분이 부러짐

 

 

■ 시효경화 (Age Hardening)

1. 정의 : 재료가 가공경화 직후부터 차차 기계적 성질이 변하다가, 나중에 되서는 일정한 값을 나타내는 현상

 

2. 예시 : 담금질 한 후에 오래 방치하거나 적당히 뜨임을 하면 경도가 증가함 

 

3. 시효경화를 일으키기 쉬운 재료 : 황동, 강철 두랄루민 (황강두 로 암기. 뭔가 강도이름같지 않나요 -.-;) 

 

 

※ 석출경화 : 온도의 영향 또는 시간의 경과로 인해 하나의 고체 속에 다른 고체가 별개의 상으로 석출되면서 그 모재가 단단해지는 현상을 의미합니다. 여기서 시효경화는 석출경화에 의한 것, 즉 시간의 경과로 인해 모재가 단단해지는 석출경화를 시효경화로 본다고 합니다.   

 

 

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