다양한 유형의 잔류 응력 이해

고체 재료에서 잔류 응력은 응력의 원래 원인이 제거된 후에도 남아 있는 응력입니다. 잔류 응력은 재료에서 쓸모없고 유용할 수 있습니다. 즉, 바람직하거나 바람직하지 않을 수 있습니다. 재료의 의도하지 않은 잔류 응력으로 인해 재료가 조기에 파손될 수 있으며 강화 유리에 사용하여 스마트폰 안경에 크고 얇은 균열 및 긁힘 방지 기능을 제공할 수 있습니다.

오늘 우리는 정의, 응용, 유형, 원인, 효과, 다이어그램, 제어 및 잔류 응력을 측정하는 방법을 살펴볼 것입니다.

잔류 응력이란 무엇입니까?

잔류 응력은 외부 하중이나 열 구배가 없는 경우에도 재료(용접 부품에서 일반적)에 남아 있는 응력입니다. 잔류 응력은 상당한 소성 변형을 일으켜 재료가 뒤틀리거나 뒤틀릴 수 있습니다. 경우에 따라 골절 및 피로감에 영향을 줄 수 있습니다.

잔류 응력은 물체에 외력이 없는 경우에도 금속 물체 내부의 고정 응력이라고도 합니다. 응력은 금속의 한 영역이 탄성 변형의 수축, 팽창 또는 해제로부터 인접한 영역에 의해 구속되는 결과를 초래할 수 있습니다. 잔류 응력은 인장 또는 압축이 될 수 있으므로 구성 요소 내에서 공존할 수 있습니다.

잔류 응력의 원인은 무엇입니까?

잔류 응력은 물체 또는 구성 요소가 탄성 한계를 초과하여 응력을 받아 소성 변형이 발생할 때 발생합니다. 소성 변형은 다음으로 인한 것일 수 있습니다.

• 고온에서 냉각하는 동안의 상 변형.
• 에나멜, 전기도금 PVD 및 CVD 코팅과 같은 표면 처리
• 가열 및 냉각 중 불균일한 소성 변형.
• 화학적 또는 결정학적 질서의 이질성(질화 또는 표면 경화)
• 압연, 성형 작업(굽힘 또는 드로잉), 기계 가공 및 기계적 표면 처리(쇼트 피닝 및 롤러 버니싱)와 같은 기계적 가공 중 비소성 변형

잔류 응력의 세 가지 원인은 다음과 같습니다.

열 변화:

열 변화는 물체가 온도에서 냉각될 때 발생하며, 접합에 강한 열을 사용하기 때문에 용접 접합에서 종종 발생합니다. 이 때문에 본체 전체의 냉각 속도에 큰 차이가 있어 재료의 표면과 내부에 국부적인 변화가 발생합니다. 이렇게 다른 수준의 열 수축은 물체 내에 불균일한 응력을 생성합니다.

냉각하는 동안 표면은 더 빠른 속도로 냉각되고 가열된 재료는 중앙에서 압축됩니다. 재료의 중앙 부분은 냉각되는 데 시간이 걸리지만 더 차가운 외부 재료에 의해 제한됩니다. 이로 인해 내부 부분에는 잔류 인장 응력이 생기고 재료의 외부 부분에는 잔류 압축 응력이 생깁니다.

기계적 처리:

소성변형으로 인해 발생하는 잔류응력은 기계적 가공에 의해 발생합니다. 굽힘, 인발, 압출, 압연 등의 제조공정을 거치는 재료의 단면을 통해 소성변형이 불균일할 때 발생한다.

변형 과정에서 재료의 한 부분은 탄성이고 다른 부분은 플라스틱입니다. 따라서 하중이 제거되면 재료는 변형의 탄성 부분을 복구하려고 합니다. 그러나 인접한 소성 변형 물질로 인해 완전히 회복되지 않습니다.

상 변환:

상 변형은 잔류 응력이 발생할 수 있는 또 다른 방법입니다. 이것은 물질이 상변태, 즉 새로 형성된 상과 아직 상변태를 겪지 않은 주변 물질 사이의 체적차를 겪을 때 발생합니다. 이 부피 차이로 인해 재료가 팽창하거나 수축하여 잔류 응력이 발생합니다.

잔류 응력의 영향은 무엇입니까?

잔류 응력은 응력이 인장인지 압축인지에 따라 일부 상황에서 유용합니다. 인장 잔류 응력은 재료 왜곡이나 균열을 일으킬 만큼 충분히 클 수 있습니다. 또한 피로 및 응력부식균열에는 인장응력이 필요하다. 이는 잔류 응력이 적용된 응력과 대수적으로 합산되기 때문입니다. 적용된 인장 응력과 결합된 표면 잔류 인장 응력은 재료의 신뢰성을 감소시킬 수 있습니다. 또한 잔류 인장 응력은 때때로 응력 부식 균열을 유발하기에 충분합니다.

일반적으로 표면 잔류 압축 응력은 적용된 인장 응력의 영향을 줄입니다. 실제로 표면 압축응력은 피로강도 향상과 응력부식균열 저항성 향상에 기여한다.

앞에서 언급한 것처럼 잔류 응력은 응용 분야에 따라 양수 또는 음수입니다. 레이저 피닝으로 달성할 수 있는 일부 애플리케이션의 설계에서 잔류 응력이 구현될 때 긍정적인 효과를 얻을 수 있습니다. 레이저 피닝은 재료 표면에 압축 잔류 응력을 부여합니다. 이는 부서지기 쉬운 표면을 강화하거나 얇은 부분을 강화합니다.

일반적으로 잔류 응력은 부정적인 영향을 줄 수도 있습니다. 응력은 제조업체에게 보이지 않는 경우가 많지만 심각한 왜곡을 초래하는 경우에만 해당됩니다. 구조적 무결성은 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어 용접된 두꺼운 벽 구조는 응력이 완화된 구조보다 취성 파괴가 더 쉽습니다.

잔류응력의 종류

다음은 다양한 유형의 잔류 응력입니다.

인장 잔류 응력:

인장 잔류 응력은 피로 강도를 감소시키고 피로 파괴를 초래합니다. 그들은 일반적으로 균열 성장을 일으키는 공격적인 연마를 초래하는 생산의 부작용입니다. 또한 수축, 피팅, 굽힘 또는 비틀림이 발생할 수 있습니다. 비틀림은 부품 표면에 균열을 일으킬 수 있는 잔류 응력으로 주조 부품에 항상 남아 있습니다. 또한 응력부식균열은 인장잔류응력이 있는 곳에서 발생하는 현상이다.

압축 잔류 응력:

압축 잔류 응력은 피로 강도와 응력 부식 균열에 대한 저항을 모두 증가시킵니다. 쇼트 피닝, 레이저 피닝, 저가소성 버니싱 및 자동 프레타지와 같은 공정에 의해 의도적으로 형성될 수 있습니다. 재료 변형은 재료를 경화시키거나 냉간 가공합니다. 대부분 압축 잔류 응력 유도의 중요성은 인장 응력의 해로운 영향의 균형을 맞추는 것입니다. 응력 제거 어닐링으로 알려진 열처리 공정도 잔류 인장 응력을 줄이는 데 사용됩니다.

잔류 응력은 세 가지 유형으로 분류할 수도 있습니다.

유형 1 잔류 응력:

이러한 유형의 잔류 응력은 종종 곡물에서 발생하는 거시적 잔류 응력으로 알려져 있습니다. 이것은 잔류 응력의 평형이 변경되어 거시적 치수가 변경되기 때문입니다. 변형의 불균일한 분포를 유발하는 처리 또는 프로세스는 유형 1 잔류 응력을 생성합니다.

유형 2 잔류 응력:

Type-2 잔류응력은 하나의 입자에서 발생하는 미세잔류응력이다. 그들은 다른 곡물의 다른 크기를 가질 수 있습니다. 마르텐사이트 변태는 이 잔류 응력을 생성하는 데 가장 좋습니다. 변태 과정에서 오스테나이트의 불완전 변태가 얻어진다. 그러나 마르텐사이트의 체적은 오스테나이트보다 크기 때문에 다양한 형태의 잔류 응력이 발생합니다.

유형 3 잔류 응력:

Type-3 잔류 응력은 입자의 몇 원자 거리 내에서 발생하는 초미세 잔류 응력입니다. 그들의 형성은 공석, 전위 등과 같은 결정질 결함에 의해 발생합니다.

잔류 응력에 대해 자세히 알아보려면 아래 동영상을 시청하십시오.

잔류 응력을 측정하는 방법은 무엇입니까?

잔류 응력을 측정하는 데 사용할 수 있는 다양한 기술이 있으며, 크게 파괴, 반파괴, 비파괴로 분류됩니다. 필요한 정보에 따라 자주 사용됩니다.

이러한 잔류 응력 측정 기술을 이해하도록 합시다!

파괴적:

잔류응력의 파괴적 측정 기법은 측정 대상물이나 재료를 파괴하여 수행합니다. 일반적으로 연구 및 개발 목적으로 수행됩니다. 그리고 비파괴 검사와 비교할 때 잔류 응력을 측정하고 감지하는 더 저렴한 방법입니다.

파괴 테스트는 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다.

• 윤곽 방법

등고선 방법은 물체를 둘로 자르고 절단에 의해 생성된 자유 평면을 향한 표면 높이 맵을 측정하여 잔류 응력을 결정합니다. 잔류응력분포에 의한 변형량을 구하는 방법으로, 시편의 탄성유한요소모델을 통해 잔류응력의 양을 알 수 있는 방법이다. 결과는 측정 평면에 수직인 잔류 응력의 2차원 맵입니다.

• 슬리팅 방식

슬리팅 방법은 물체를 절단하는 평면에 수직인 잔류 응력의 두께를 통해 측정하는 데 사용되는 기술입니다. 여기에는 공작물의 두께를 통해 깊이가 증가하는 얇은 슬릿을 절단하는 작업이 포함됩니다. 측정된 결과 변형은 슬릿 깊이에 의해 달성됩니다. 그리고 잔류 응력은 측정된 변형을 사용하여 역 문제를 해결하여 결정되는 두께 관통 위치에 의해 계산됩니다.

반파괴:

반파괴 잔류 응력 측정 기술은 파괴 유형과 유사합니다. 이는 잔류 응력을 결정하기 위해 변형 해제 원리를 사용하기 때문입니다. 하지만 파괴보다는 소량의 재료만 제거했다. 이를 통해 구조가 무결성을 더 잘 유지할 수 있습니다.

반파괴 검사도 두 가지 방법으로 수행됩니다.

• 심공 드릴링

깊은 드릴링은 재료의 두께를 통해 구멍을 뚫고 구멍의 직경을 측정하여 이루어집니다. 구멍 주위에 원형 슬롯을 절단하여 구멍 주위에서 재료의 코어를 제거한 다음 구멍 직경을 다시 측정합니다. 잔류 응력은 기하학적 변화에 의해 여기에서 발견됩니다.

• 중앙 구멍 드릴링

센터 홀 드릴링 기술은 물체에 작은 구멍을 뚫어 수행됩니다. 따라서 잔류 응력을 포함하는 재료가 제거되면 나머지 재료는 새로운 평형 상태에 도달합니다. 이것으로 구멍 주변의 변형이 연관됩니다. 스트레인 게이지 또는 광학 방법은 분석 중 구멍 주변의 변형을 측정하는 데 사용됩니다. 재료의 원래 잔류 응력은 측정된 변형에서 계산됩니다.

비파괴:

비파괴는 재료의 잔류 응력을 측정하고 테스트하는 또 다른 방법입니다. 잔류 응력과 결정 격자 간격의 재료 변화 간의 관계 효과를 측정하는 것이 포함됩니다.

비파괴적인 방법은 세 가지 방법으로 달성할 수 있습니다.

• 중성자 회절

중성자는 물질의 결정 격자 간격을 측정하는 데 사용됩니다. 물체에 존재하는 중성자는 입사 중성자와 비슷한 에너지를 가지고 있습니다. 이를 통해 격자 간격에서 잔류 응력을 결정할 수 있습니다.

• 싱크로트론 X선 회절

싱크로트론은 전자기 복사를 가속하여 재료 격자 간격을 아는 실제 두께를 허용하는 데 사용됩니다. 중성자 회절에 대한 유사한 접근 방식이 잔류 응력을 계산하는 데 사용됩니다.

• X선 회절

X선은 물체 표면을 수백 미크론 정도만 투과하기 때문에 이 방법으로 표면 잔류 응력을 측정할 수 있습니다.

잔류 응력 제어 방법

잔류 응력을 제어하는 ​​것은 응용 프로그램에 일종의 응력을 요구하는 데 도움이 되기 때문에 재료에 일반적입니다. 재료가 피로 또는 응력 부식 균열 조건에 노출되거나 잔류 응력이 구성요소 변형 또는 균열을 일으킬 만큼 충분히 큰 경우

잔류 응력 제어는 쇼트 피닝, 가벼운 냉간 압연 및 스트레칭과 같은 기계적 처리로 달성할 수 있습니다. 구성 요소 표면에 압축 잔류 응력을 유도하기 위해 소량의 압축이 사용됩니다. 응력 제거 열처리, 열처리 공정의 제어 및 합금 선택은 잔류 응력을 제어하는 ​​다른 방법입니다.

금속은 온도가 증가함에 따라 항복강도가 감소하기 때문에 금속의 항복강도가 잔류응력의 크기와 같거나 작은 온도로 가열함으로써 금속을 응력완화시킬 수 있다. 이런 일이 발생하면 금속이 미세한 소성 변형을 겪을 수 있으며, 이로 인해 잔류 응력의 적어도 일부가 해제됩니다. 응력 제거 후 물체에 남아 있는 최대 잔류 응력은 응력 제거 온도에서 재료의 항복 강도와 같습니다.

잔류 응력은 감소된 냉각 속도를 사용하여 온도 변화를 낮추어 감소시킬 수 있으므로 구성 요소의 단면 전체에 걸쳐 상 변형이 보다 균일하게 발생할 수 있습니다. 글쎄, 이것은 구성 요소 처리 관점을 기반으로 할 것입니다. 이 경우 원하는 상 변형이 계속 발생하면서 더 느린 냉각 속도의 합금을 선택할 수 있습니다.

결론

잔류 응력이 재료에 위치하거나 부정적인 것으로 나타났습니다. 그것들은 발생하고 재료의 수명을 감소시킬 수 있으며 또한 특정 잔류 응력을 얻기 위해 의도적으로 물체에 구현할 수 있습니다. 이 기사에서 우리는 정의, 유형, 원인, 영향, 제어 및 잔류 응력을 측정하는 방법을 보았습니다.

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