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

 

<기출 정리> 

• 23-3-2 응력변형율 선도에서 탄성영역과 소성영역을 구분하고, 소성변형을 이용한 가공법 5가지를 설명하시오.
• 18-1-7 옵셋(offset) 항복강도에 대하여 설명하시오.
• 17-1-2 소성가공 시 발생하는 금속재료의 변형원리인 슬립, 쌍정, 전위 3가지를 설명하시오.
• 17-1-4 소성가공에 이용되는 성질 중 전성을 설명하시오.
• 17-3-1 풀림한 연강을 인장시험하여 얻어진 응력과 변형률 선도를 그리고 설명하시오.
• 13-1-1 재료의 성질 중 비강도 (specific strength)의 중요성을 강(steel)과 알루미늄 합금을 비교하여 설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 소성가공 정의

 재료는 외력을 받으면 변형 (deformation)된다
가해진 외력을 제거하면 다시 원상태로 회복이 되는데, 이를 탄성 (Elastic)이라 하고, 영구적인 변형이 되어 변형이 남는 성질을 소성(plasticity)이라 한다 

소성가공(plastic working)은 재료의 소성을 이용하여 각종 금형이나 공구로 재료에 외력을 가하여 원하는 형상의 제품을 얻는 가공방법이다 

소성가공이란.. 무엇일까?

 

2) 응력변형률 선도 (Stress-Strain Diagram) 

시험편에 인장력을 작용했을 때 응력과 변형률의 관계 

(1) 연성 재료의 응력-변형률 선도

응력변형률선도, 명확한 항복점과 상항복점, 하항복점 등이 보인다

• 비례한도 : 응력과 변형률이 비례적으로 증가하는 구간 
• 탄성한도 : 재료에 가해진 하중 제거시 변형이 완전히 없어지는 탄성변형의 최대 응력, 이후부터 소성변형 
• 상항복점 : 일반적으로 항복강도를 의미 (항복점, yield strength)
• 인장강도(ult) : 재료의 변형이 끝나는 최대 응력 
• 파괴강도 : 변형이 멈추고 파괴되는 응력 

(2) 연성 재료 중 항복점이 명확하게 나타나지 않는 재료의 응력-변형률 선도 (off-set 항복강도) 

연성재료지만, 명확한 상항복점, 하항복점 등 소성영역이 나타나지 않는 경우가 있다
(대표적으로 알루미늄, 알루미늄 합금) 
따라서 인장강도만 육안으로 관찰할 수 있으며, 이로 인해 옵셋 항복강도 (offset)라는 개념이 사용된다 (내력이라고 표현)
일반적으로 탄성구간의 직선을 0.2% offset해서 S-S커브와 만나는 지점을 항복강도로 가정한다 

알루미늄 합금의 내력을 표시한 그래프

 

(3) 취성 재료의 응력-변형률 선도

취성재료는 항복 없이 바로 파단이 발생하며, 극한강도와 인장강도의 값이 동일하다 
취성재료는 탄성구간을 넘어 소성구간에 진입하면 바로 파괴된다 
(주철, 유리, 콘크리트 등)

 또한, 아래 그림 중 S-S 커브의 아래 면적은 곧 흡수할 수 있는 충격에너지를 의미함
이는 충격하중이 가해지는 제품을 설계할때 취성 재료를 선정하는 것이 얼마나 무모한 것인지를 알려주는 단적인 예  

연성과 취성의 S-S curve 차이, 취성 재료는 0.2% offset을 그릴수조차 없다

 

 

3) 소성가공 종류

단조, 압연, 전조, 압출, 프레스(전단, 굽힘, 드로잉, 딥드로잉), 인발, 압축가공, 제관 등이 있음 

압출가공 (Extrusion), 압출설계, 압출 특징, 정수압압출, 충격압출, 연속압출(Continuous extrusion)

 

열간 프레스 성형, 핫 프레스 포밍 (Hot Press Forming), 핫스탬핑(hot stamping)

프레스가공 (전단, 압축, 굽힘, 드로잉, 파인블랭킹, 프레스 종류, 프레스 이론, 파단면 형상, 프

 

단조 가공 (forging), 단조 종류, 냉간단조, 열간단조, 형단조, 자유단조, 단조개념, 배럴링현상

 

 

2. 소성가공에 대한 고찰 

 

1) 조질압연, 뤼더스 밴드 

연강 등을 인발하거나 딥드로잉, 프레스 등의 소성가공시 표면에 주름 등의 변형잉 생기는데 이를 뤼더스밴드라고 함 

압연 - 조질 압연, 뤼더스밴드, stretcher strain

 

 

2) 슬립, 쌍정, 전위 

탄성한도 이상의 외력을 가하면 슬립, 혹은 쌍정에 의해 변형한다 
온도가 높아질수록 변형이 쉬워짐 (원자의 이동이 활발해짐) 

① 슬립(slip)

재료에 인장력을 가하면, 결정 내 어느 부분이 일정한 면을 따라서 슬립을 일으키고 어느 방향으로 이동함 
슬립선을 따라 슬립방향으로 층상이동하면서 슬립띠, 슬립선이 생김. 이런 변형 현상을 슬립변형이라 함 

• 재료에 응력을 가하면 두개의 결정면이 전단응력에 의해 서로 미끄러져 생기는 영구변형 
• 소성변형시 결정체의 원자면을 따라 미끄러지는 현상
• 슬립면 : 슬립이 일어나는 원자면
• 슬립방향 : 슬립이 일어나는 방향, 슬립면과 슬립방향을 슬립계 (slip system)이라 함 

전위의 이동ㄴ에 따른 슬립변형, HRD

② 쌍정 (Twin)

재료 내 원자 결정배열이 대칭을 이루고 있는 것 
한쪽의 결저이 회전을 일으킨것과 같은 위치에 이동하여, 다른 쪽의 회전을 일으키지 않은 결정과 겨울면에서 양쪽의 원자가 서로 대칭적인 위치에 배열된 부분 (쌍정면) 
슬립과 더불어 소성변형을 일으키는 주된 변형기구, 하나의 결정이 쌍정면(twinplane)을 따라 대칭성의 각도를 이루는 두개의 crystal로 구분되며 입계의 일종으로 구분됨 
기계적 쌍정과 어닐링 쌍정이 있음 

• 기계적 쌍정(deformation twin) : 기계적인 외력, 결정의 변형에 의해 발생, 저온가공혹은 충격시험에서 잘 나타남 
• 어닐링 쌍정(풀림쌍정, annealing twin) : 냉간가공 후의 풀림처리시 재결정조직에서 발생, 가공한 금속을 고온으로 가열할때 결정립계의 이동에 따라서 형성도미 

슬립과 쌍정, HRD

 

 

③ 전위 (Dislocation) 

일정한 결정구조를 갖는 물질 내에서 전단응력에 의해 원자의 배열이 어긋난 결함, 그 선을 전위선이라 하며 주변 원자에 격자 뒤틀림을 유발함 
결정 내 결함이 존재하는 부위, 외력에 의해 좀더 쉽게 슬비이나 쌍정이 가능함 
칼날전위, 나사전위, 혼합전위가 있음 

• 칼날전위 : 버거스 벡터 방향과 전위선 방향이 수직
• 나선전위(나사전위) : 버거스 벡터 방향과 전위선 방향이 수평
• 혼합전위 : 칼날전위와 나선 전위의 혼합 

3) 소성가공에 이용되는 재료의 성질 

대부분 물질들은 전성이 있으면 연성도 있기 때문에 혼용되어 사용되지만 (연성, 전성) 다른 개념이긴 함 
연성은 인장응력, 전성은 압축응력 
납이나 주석은 전성은 좋지만 연성은 상당히 나쁨 

대부분의 금속은 온도가 높아질수록 전성이나 연성이 좋아짐 (열간 가공의 원리) 

재결정 (recrystallization), 재결정온도, 냉간가공, 열간가공

① 가단성, 전성 (malleability)

금속을 단련시 압축에 의하여 재료가 영구변형되는 성질 (소성변형이 얼마나 잘 되는지) 

물질이 압축 응력 하에서 변형되는 특성, 망치로 두드리거나 롤러로 밀어서 얇게 펴지는 특성 

Au > Ag > Al > Cu > Sn > Pt > Pb > Zn > Fe > Ni

② 연성 (ductility)

금속재료가 항복점을 지나 파단에 이르기까지 길이 방향으로 늘어나는 성질 

대부분 재료는 연신율이 10 ~ 60%, 단면감소율은 20 ~ 90% 

Au > Pt > Ag > Fe > Cu > Al > Nu 

연신율 e = (l'-lo)/lo (l' = 파단시 재료 길이, lo=재료의 원래 길이) 
단면감소율 r = Ao - A' / Ao (Ao = 재료의 원래 단면적, A' = 파단시 재료의 단면적 

③ 가소성 (plasticity)

재료에 하중을 가할때 고체상태에서도 유동하는 성질, 연성과 전성이 크면 가소성도 커짐

 

4) 소성가공에 있어 비강도(specific strength)의 개념 

비강도(specific strength)란 재료의 강도를 밀도로 나눈 값을 의미 
재료의 강도를 비중량으로 나눈 값으로 튼튼한 재료가 요구되는 분야에서 그 척도를 나타내기 위한 값이다 

• 알루미늄의 비중은 2.7이고, 철은 7.8 
• 따라서 동일 강도 기준으로 알루미늄 비강도가 약 3배 높은 것을 알 수 있음 
• 최근 자동차산업은 경량화를 위해 달려가고, 이를 위해 고장력강, 알루미늄 재료의 적극적인 사용중 
• 또한, 전기차시대로 접근하면서 증가한 배터리 무게를 상쇄하기 위해 경량화가 더욱 필요함

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

알루미늄 합금(Al-Cu, Al-Si), 알루미늄 합금 열처리, 시효경화 열처리, 시효(aging)