바우싱거 효과 (Bauschinger effect)

바우싱거효과란?

<기출 - 금속재료>

22-1-1	1. 바우싱거 효과가 일어나는 이유를 설명하시오.
16-4-5	5. 피스톤이나커넥팅로드(연결봉) 등과같이인장과압축을오랜시간에걸쳐연속적으로 되풀이해서 작용을 받다보면 파괴가 일어나는데, 이 파괴의 특성과 수명 연장 방안을 설명하시오.
15-1-9	9. 금속에서 바우싱거 효과 (Bauschinger effect) 에 대하여 설명하시오 ，
24-1-6	6. 바우싱거효과에대하여설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 바우싱거효과(Bauschinger effect) 정의

금속은 소성영역에서 인장, 혹은 압축변형을 한다.
이때, 소성변형이 된 후 영구변형이 된 재료를 같은 방향으로 다시 하중을 가하면 C-B 직선을 따라 변화하며 B점 이후부터는 도중에 하중을 없애지 않고 변형한 것과 같은 곡선을 그린다. 
동일 축 다른 방향으로 하중을 가하면 반대방향으로 응력-변형 선도를 그리게 되고 (C-D'-E') 이때 발생하는 항복점은 D보다 낮게(더 낮은 응력에서) 발생하게 된다. 
즉, 어느 한 방향으로 소성변형을 가한 재료에 반대 방향의 하중을 가하게 되면 같은 방향으로 하중을 가한 경우보다 소성변형에 대한 저항이 감소하게 된다. 즉 가공경화가 감소한다 (최좌측 그래프는 동일 지점 동일 곡선을 유지하는 것을 알 수 있음) 
이를 바우싱거효과 (Bauschinger effect)라고 부른다
혹은 변형연화(Strain Softening), 가공연화(Work Softening)이라고 한다 
비틀림에서 가장 잘 나타나며, 해당 곡선은 소성 히스테리시스(plastic hysteresis)라고 부르고 있다

바우싱거효과는, 물체가 인장과 압축을 반복해서 받다보면 낮은 하중에서도 (항복강도보다 낮은 수준의 응력에서도) 영구적인 변형 혹은 쉽게 파괴될 수 있음을 보여준다

좌측부터 같은 방향으로 도중에 재하중을 가한 경우, 중간은 동일 축 반대 방향, 우측은 비틀림 방향 전환시 발생하는 소성 히스테리시스 곡선

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소성 이론, 응력변형률 선도, 재료의 성질, 슬립, 쌍정, 전위, 비강도

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2) 바우싱거효과의 원인 

① 집적된 전위들에 의한 백스트레스(back stress)

소성이 되며 재료가 변형될때 형성된 전위의 형태가 장애물(결정립의 경계, 혹은 석출물 등)과 상호작용하면서 국부적 응력이 발생하게 되고(변위가 전진하려는 방향과 반대 방향으로 작용), 해당 응력이 반대 방향으로 변형시 슬립을 도와주는 방향으로 형성되어 금속의 변형 저항이 감소함. 즉, 반대 방향 변형시 이러한 백스트레스가 변위를 밀어내며 항복 강도를 감소시킴

결정립상에 있는 전위가 백스트레스의 주된 원인

② 전위 밀도의 감소

슬립 방향이 바뀔 경우 새로운 전위를 발생시키는 전위군에서 반대 방향의 전위가 형성, 서로 상쇄되며 전위 밀도가 감소하게 됨

이에 따라 금속 재료는 상대적으로 낮은 항복 강도에서 쉽게 소성변형이 발생함 

③ 오로완(Orowan) 메커니즘

변위가 석출물 등과 상호작용하여 형성된 장애물을 통과하거나 회피하는 과정에서 발생

오로완 메커니즘은 변형시 입자와 변위간의 상호작용을 설명하는 이론, 변위(dislocation)가 입자 주위에서 발생시키는 두 가지 주요 메커니즘을 설명함 

1) 입자 절단(cutting) : 변위가 입자의 강도를 초과하는 힘을 받을 경우 입자를 관통하거나 절단
2) 입자 우회(bowing) : 변위가 입자를 직접 통과하지 않고 입자 사이를 구부러지며 이동함 

오로완 메커니즘은 미세석출물에 의한 석출강화현상과 관계가 있으며, 석출물의 화학적 조성, 크기 및 분포가 해당 상호작용에 중요한 역할을 하기 때문. 입자의 크기가 증가하면 절단보다 우회 메커니즘이 우세해지고 이는 강도에 영향을 미침 

 

3) 바우싱거 효과의 특징

• 선행 변형의 크기가 증가할 수 록 바우싱거 효과의 강도 또한 증가함
• 전위 밀도(dislocation density)가 높거나 석출물이 많을 수록 효과가 두드러짐
• 고합금강은 석출물 밀도가 높아 바우싱거 효과가 강하게 발생함 
• 마르텐사이트 등과 같은 이질상 구조는 전위 밀도를 증가시켜 효과를 강화함 

2. 참고자료

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온

고속도강(HSS, SKH2,3,51,59...) 열처리, 고속도강, 고속도강 2차 경화 현상, 고속도강 종류

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