잔류 응력: 종류, 원인, 실무적 활용 완벽 가이드

고체 재료에서 잔류 응력이란, 응력의 원래 원인이 제거된 후에도 재료 내부에 남아 있는 응력을 말합니다. 잔류 응력은 재료에 따라 유용할 수도, 해로울 수도 있습니다. 의도치 않은 잔류 응력은 조기 파손을 유발하지만, 강화 유리처럼 스마트폰 유리에 의도적으로 압축 잔류 응력을 가해 얇으면서도 크랙과 스크래치에 강한 제품을 만들기도 합니다.

이 글에서는 잔류 응력의 정의, 응용, 종류, 원인, 영향, 다이어그램, 제어 방법, 측정법까지 종합적으로 다루겠습니다.

잔류 응력이란?

잔류 응력은 외부 하중이나 열 구배가 없는 상태에서도 재료(주로 용접 부품) 내부에 남아 있는 응력입니다. 잔류 응력은 상당한 소성 변형을 초래해 재료의 뒤틀림이나 휨을 유발할 수 있으며, 파괴 인성과 피로 특성에도 영향을 미칩니다.

잔류 응력은 외부 힘이 없는 금속 물체 내부에 갇혀 있는 '잠긴 응력(locked-in stress)'이라고도 합니다. 이 응력은 금속의 한 영역이 인접 영역에 의해 수축, 팽창, 탄성 변형 해제가 구속될 때 발생합니다. 잔류 응력은 인장성과 압축성을 모두 가질 수 있어 한 부품 내에 공존할 수 있습니다.

잔류 응력의 원인은 무엇인가?

잔류 응력은 물체나 부품이 탄성 한계를 넘어 응력을 받아 소성 변형이 일어날 때 발생합니다. 소성 변형의 주요 원인은 다음과 같습니다.

• 고온에서의 냉각 시 상 변화
• 에나멜링, 전기도금, PVD·CVD 코팅 등 표면 처리
• 가열·냉각 시 불균일한 소성 변형
• 화학적·결정학적 비균질성 (질화, 침탄 경화 등)
• 기계 가공 중 비소성 변형: 압연, 성형(굽힘, 인발), 기계 가공, 기계적 표면 처리(쇼트 피닝, 롤러 버니싱)

잔류 응력의 3대 근본 원인은 다음과 같습니다:

열적 변이 (Thermal Variations)

용접부처럼 고열을 가한 후 냉각할 때 발생합니다. 본체 전체에 걸쳐 냉각 속도 차이가 커 표면과 내부에 국부적인 열 수축 차이가 생기고, 이로 인해 불균일한 응력이 발생합니다.

냉각 시 표면이 빨리 식으면서 중심부의 뜨거운 재료를 압축합니다. 중심부가 식는 데 시간이 걸리는 동안 차가운 외부 재료에 의해 구속되므로, 내부는 인장 잔류 응력을, 외부는 압축 잔류 응력을 갖게 됩니다.

기계적 가공 (Mechanical Processing)

소성 변형에 의한 잔류 응력으로, 제조 공정(굽힘, 인발, 압출, 압연 등)에서 단면 전체에 걸쳐 소성 변형이 불균일하게 일어날 때 발생합니다.

변형 과정에서 한 부분은 탄성 영역에, 다른 부분은 소성 영역에 놓입니다. 하중이 제거되면 탄성 부분은 회복하려 하지만, 인접한 소성 변형 영역에 의해 완전한 회복이 억제되어 잔류 응력이 남습니다.

상 변화 (Phase Transformation)

재료가 상 변화를 겪을 때, 새로 형성된 상과 아직 변하지 않은 주변 상 사이의 부피 차이로 인해 팽창이나 수축이 일어나 잔류 응력이 발생합니다.

잔류 응력의 영향

잔류 응력은 인장성이냐 압축성이냐에 따라 유익할 수도, 해로울 수도 있습니다. 인장 잔류 응력이 충분히 크면 재료의 변형이나 크랙을 유발합니다. 또한 피로 파괴와 응력 부식 균열에는 인장 응력이 필수적입니다. 잔류 응력은 가해진 응력과 대수적으로 더해지기 때문입니다. 표면 인장 잔류 응력과 가해진 인장 응력이 합쳐지면 재료 신뢰성이 떨어집니다. 때로는 잔류 인장 응력만으로도 응력 부식 균열이 발생합니다.

일반적으로 표면 압축 잔류 응력은 가해진 인장 응력의 영향을 상쇄합니다. 실제로 표면 압축 응력은 피로 강도와 응력 부식 균열 저항성을 향상시킵니다.

앞서 언급했듯 잔류 응력은 용도에 따라 긍정적이거나 부정적입니다. 레이저 피닝처럼 설계 단계에서 의도적으로 압축 잔류 응력을 도입하면 긍정적 효과를 얻습니다. 레이저 피닝은 재료 표면에 압축 잔류 응력을 부여해 취성 표면을 강화하거나 얇은 단면을 강하게 만듭니다.

반면 잔류 응력은 부정적 효과도 줍니다. 응력이 제조사에게 보이지 않는 경우가 많으나, 현저한 변형을 일으키면 드러납니다. 구조적 무결성이 손상될 수 있는데, 예를 들어 두꺼운 벽 용접 구조물은 응력 제거 처리를 하지 않은 경우 취성 파단에 더 취약합니다.

잔류 응력의 종류

잔류 응력의 주요 분류는 다음과 같습니다:

인장 잔류 응력

피로 강도를 저하시키고 피로 파괴를 유발합니다. 주로 과도한 연삭 등 가공 공정의 부작용으로 크랙 성장을 촉진합니다. 끼워맞춤, 굽힘, 비틀림 등에서도 발생하며, 주물 부품의 비틀림 잔류 응력은 표면 크랙을 유발할 수 있습니다. 또한 응력 부식 균열은 인장 잔류 응력이 있는 곳에서 발생합니다.

압축 잔류 응력

피로 강도와 응력 부식 균열 저항성을 높입니다. 쇼트 피닝, 레이저 피닝, 저소성 버니싱, 오토프레타지 등의 공정으로 의도적으로 유도할 수 있습니다. 이 공정들은 재료를 변형경화시키거나 냉간 가공합니다. 압축 잔류 응력을 유도하는 주된 목적은 인장 응력의 유해한 영향을 상쇄하기 위함입니다. 응력 제거 어닐링 같은 열처리 공정도 인장 잔류 응력을 줄이는 데 쓰입니다.

잔류 응력은 규모에 따라 세 가지 유형으로도 분류됩니다:

제1종 잔류 응력 (거시적 잔류 응력)

결정립 수준에서 발생하는 거시적 잔류 응력으로, 잔류 응력 평형의 변화가 거시적 치수 변화를 초래합니다. 불균일한 변형 분포를 유발하는 처리나 공정이 제1종 잔류 응력을 만듭니다.

제2종 잔류 응력 (미시적 잔류 응력)

단일 결정립 내부에서 발생하는 미시적 잔류 응력입니다. 결정립마다 크기가 다를 수 있습니다. 마르텐사이트 변태가 이 응력을 만드는 대표적 사례입니다. 변태 과정에서 오스테나이트의 불완전한 변태가 일어나는데, 마르텐사이트의 부피가 오스테나이트보다 커서 다양한 잔류 응력이 발생합니다.

제3종 잔류 응력 (서브미시적 잔류 응력)

결정립 내 몇 개의 원자 거리에 걸쳐 발생하는 서브미시적 잔류 응력입니다. 공공(vacancy), 전위(dislocation) 등 결정 결함에 의해 형성됩니다.

영상으로 잔류 응력 더 알아보기:

잔류 응력 측정 방법

잔류 응력 측정 기법은 크게 파괴적, 반파괴적, 비파괴적 세 가지로 나뉘며, 필요한 정보에 따라 선택합니다.

각 측정 기법을 자세히 알아보겠습니다!

파괴적 측정법

시험체를 파괴해 측정하는 방식으로, 주로 연구개발 목적으로 수행됩니다. 비파괴 검사보다 비용이 저렴합니다.

파괴적 시험은 두 가지 방식으로 수행됩니다:

• 윤곽법 (Contour Method)

시험체를 둘로 자른 뒤, 절단면에 나타난 표면 높이 맵을 측정해 자유면으로 방출된 변형을 분석합니다. 탄성 유한요소 모델을 이용해 잔류 응력 분포를 역산출하며, 측정 면에 수직한 2차원 잔류 응력 맵을 얻습니다.

• 슬리팅법 (Slitting Method)

시험체 두께 방향으로 얇은 슬릿을 점진적으로 깊게 자르며, 슬릿 깊이에 따른 변형을 측정합니다. 관측된 변형으로부터 역문제를 풀어 두께 방향 위치별 잔류 응력을 계산합니다.

반파괴적 측정법

파괴적 측정과 유사하게 변형 해방 원리를 이용하지만, 소량의 재료만 제거해 구조물의 무결성을 더 잘 유지합니다.

반파괴적 시험도 두 가지 방식이 있습니다:

• 딥홀 드릴링 (Deep Hole Drilling)

시험체 두께만큼 구멍을 뚫고 직경을 측정한 뒤, 구멍 주위에 원형 슬롯을 깎아 코어를 제거하고 다시 구멍 직경을 측정합니다. 기하학적 변화로부터 잔류 응력을 구합니다.

• 센터 홀 드릴링 (Centre Hole Drilling)

작은 구멍을 뚫어 잔류 응력이 있던 재료를 제거하면 나머지 재료가 새로운 평형 상태에 도달합니다. 이때 구멍 주변의 변형을 스트레인 게이지나 광학법으로 측정해 원래 잔류 응력을 역산출합니다.

비파괴적 측정법

결정 격자 간격 변화와 잔류 응력의 관계를 이용해 측정합니다.

비파괴적 방법은 세 가지 방식이 있습니다:

• 중성자 회절 (Neutron Diffraction)

중성자를 이용해 재료의 결정 격자 간격을 측정합니다. 입사 중성자와 시료 내 중성자의 에너지가 비교 가능해 격자 간격으로부터 잔류 응력을 결정합니다.

• 싱크로트론 X선 회절 (Synchrotron X-ray Diffraction)

싱크로트론으로 전자기파를 가속해 실제 두께에서 재료의 격자 간격을 파악합니다. 중성자 회절과 유사한 방식으로 잔류 응력을 계산합니다.

• X선 회절 (X-ray Diffraction)

X선이 시료 표면 수 마이크론만 투과하므로 표면 잔류 응력 측정에 적합합니다.

잔류 응력 제어 방법

재료가 피로나 응력 부식 균열 조건에 노출되거나, 잔류 응력이 변형·파단을 일으킬 만큼 클 때 잔류 응력 제어가 필요합니다.

쇼트 피닝, 경미한 냉간 압연, 스트레칭 등 기계적 처리로 부품 표면에 압축 잔류 응력을 유도할 수 있습니다. 응력 제거 열처리, 열처리 공정 제어, 합금 선택도 잔류 응력 제어 방법입니다.

금속의 항복 강도는 온도가 오르면 감소하므로, 잔류 응력 크기와 같거나 작아지는 온도까지 가열하면 미시적 소성 변형이 일어나 잔류 응력의 일부가 해방됩니다. 응력 제거 후 남은 최대 잔류 응력은 응력 제거 온도에서의 재료 항복 강도와 같아집니다.

냉각 속도를 낮춰 온도 구배를 완화하면 상 변화가 단면 전체에서 더 균일하게 일어나 잔류 응력을 줄일 수 있습니다. 이는 부품 가공 관점에서 접근하는 것으로, 원하는 상 변화를 유지하면서 냉각 속도가 느린 합금을 선택하는 방식입니다.

결론

잔류 응력은 재료에 긍정적이거나 부정적일 수 있습니다. 재료 수명을 단축시킬 수도 있지만, 의도적으로 도입해 원하는 특성을 얻기도 합니다. 이 글에서 잔류 응력의 정의, 종류, 원인, 영향, 제어, 측정법을 종합적으로 다루었습니다.

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