스마트계측기

잔류 응력(residual stress)이란?

물체에 작용하는 외력이나 구속이 없으면서 물체 내에 생기고 있는 응력을 말한다.

이를 변형으로 나타낸 것이 잔류 변형이다.

물체 전체에서는 힘의 평형 조건을 만족하도록 정부 잔류 응력이 부합한다.

잔류 응력은 재료의 열처리, 기계가공, 압연, 용접, 주조 및 단조 등에 의해 발생한다.

통상 부하 또는 불균일 가열에 의해 생기는 변형이 탄성역내라면 제하 후에 응력과 변형은 0가되므로 잔류 응력은 생기지 않지만, 이로 인해 재료의 일부 또는 전부가 소성 변형되면 잔류 응력이 발생한다.

피로강도 등의 재료강도뿐만 아니라 부재의 변형에 의한 치수정밀도 등에 큰 영향을 미친다.

일반적으로 당김의 잔류응력은 재료강도를 저하시키고 압축의 잔류응력은 강도를 높인다.

쇼트피닝 등과 같이 재료표면을 가공 경화시킴과 동시에 압축의 잔류응력을 도입시켜 피로강도를 높일 수 있으나 잔류 응력은 유해한 경우가 많으므로 발생하는 잔류 응력을 가능한 작게 하는 것이 기계 제작상 중요한 과제이다.

생긴 잔류 응력을 제거하는 가장 효과적인 방법은 태움이다.

잔류 응력이란?

잔류 응력은 재료 내부에 존재하는 응력입니다.이 응력은 외부부하의 힘이 모두 제거된 후에도 존재합니다.

재료가 가소성 변형을 받은 후 재료가 평형상태로 돌아가려는 결과 잔류응력은 발생합니다.

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잔류응력과 인가응력과의 관계는 잔류응력

인가응력은 외부 부하에 의해 재료 내에 발생합니다.(다수는 변형 게이지로 측정).

잔류 응력은 부하 유무에 관계없이 재료 내에 존재합니다.

부품내의 어느 장소에서 재료가 받는 전응력은 잔류응력과 인가응력의 합이됨니다.

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전체응력=잔류응력+인가응력

잔류응력이 -400MPa의 재료에 +500MPa의 인가부하를 가할 경우 이 재료에 가해지는 전체응력은 2개의 응력의 합, 즉 +100MPa입니다.

따라서 잔류응력의 상태를 파악하는 것은 부품에 실제로 걸리는 부하를 결정하기 위해 중요합니다.

일반적으로 부품 표면의 압축 잔류 응력은 유익합니다.

그것은 피로 강도 및 피로 수명을 늘리고 균열의 전파를 억제하며 응력 부식 균열이나 수소 유기 균열 등의 환경에서 유발되는 균열에 대한 내성을 증가시킵니다.

부품 표면의 당김 잔류 응력은 일반적으로 유해합니다.

그것은 피로 강도나 피로 수명을 줄이고 균열 전파를 증가시켜 환경 유발 균열에 대한 내성을 감소시키기 때문입니다.

압축(-) 잔류응력은 재료를 서로 밀어 붙이고, 한쪽 당김(+) 잔류응력은 재료를 떼어냅니다.

응력의 특성은 재료면에 수직으로 작용하는 수직응력 또는 재료면에 평행하게 작용하는 전단응력이 됩니다.

재료내의 어느 점에서도 합계 6개(수직 3개, 전단 3개)의 독립된 응력이 있습니다.

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응력의 단위

• 응력의 SI(국제) 단위는 메가 파스칼(MPa)입니다.

• 응력의 US(미국) 단위는 제곱인치당 킬로파운드(ksi)입니다.

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6.895MPa=1ksi

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잔류 응력의 원인은?

잔류응력은 인가된 기계적 부하, 열적 부하 또는 상변화에 의해 생기는 가소성 변형 후 재료가 평형되었을 때 발생합니다.

동작 중에 부품에 가해지는 기계적 및 열적 프로세스도 잔류 응력의 상태를 바꿀 가능성이 있습니다.

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기계적: 기계가공 중인 재료의 가소화

열적: 재료의 응고 차이(재료 냉각 시 발생)

상변화: 석출/상전이가 용적변화를 일으킨다(오스테나이트에서 마르텐사이트로 변화할 때 발생)

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잔류 응력이 어떻게 부품에 영향을 미치는가?

어느 단면을 통해서도 전체 잔류 응력의 정미의 합은 항상 제로입니다.

부품의 어느 단면을 통해서도 특징으로 잔류 응력의 분포가 있습니다.

잔류 응력의 분포는 성능에 영향을 미칩니다.

XRD를 사용해서 특성 분석을 하는 것은 이 분포입니다.

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잔류 응력의 중요성

잔류 응력이 영향을 주는 것은 아래 항목입니다.

• 저사이클, 고사이클의 피로특성

• 뒤틀림

• 피닝 형성(제어된 뒤틀림)

• 프레칭

• 응력 부식 균열(SCC) 및 수소 유기 균열(HIC)

• 균열의 초생 및 전파(손상 허용도)

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잔류 응력을 측정하고 감시하는 이점

프로세스 파라미터 최적화, 예를 들어 중요한 장소에 있는 부품에 피닝을 실시하는 유효성 측정.

• 정량적인 계량을 실시할 수 있어 사양이나 합격/불합격 결정이 가능합니다.

• 제품 품질을 향상하고 공급자 품질을 입증하며 기술 공급원 승인(ESA)을 가능하게 합니다.

• 안전성을 향상시켜 파국적인 사고를 저감합니다.

• 충분한 압축 잔류 응력이 있음을 보증하여 부품이나 구조물의 수명을 연장합니다.

• 수리한 영역이 원래의 사양에 맞도록 「회복」한 것을 실증합니다.

• 잔류응력의 열화를 추적하여 교환부품 요구사항의 정밀도를 향상합니다.

이것에 의해, 정량적인 근거로 부품 탈부착이 가능하게 됩니다.

• 잔류응력정보를통해다른비파괴기술의검출확률을향상할수있습니다.

• 잔류응력의 분포를 유한요소(FE) 모델에서 또는 파단역학적으로 실증합니다.

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제조 중인 잔류 응력원

잔류 응력은 냉간 가공 기술을 통해 제조 과정에서 생성할 수 있습니다.

예를 들어 쇼트 피닝, 레이저 쇼크 피닝, 초음파 피닝, 단조, 바니싱 마감, 저가소성 바니싱, 압연, 압인, 분할 슬리브 확장 등의 기술이 있습니다.

잔류응력은 연마, 밀링삭, 선삭 등의 기계적 프로세스 및 용접, 주입, 단조, 열처리 등의 열적 프로세스에 의해서도 제조과정에서 생성됩니다.

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잔류 응력 관리

유해한 잔류응력으로 인해 부품의 응력 부식균열, 뒤틀림, 피로균열, 조기고장이 생기고 또한 과잉설계를 일으킬 수 있습니다.

제조과정에서 생긴 유해할 수 있는 잔류응력의 관리를 용이하게 하기 위해 열처리, 제어된 냉각, 국부가열 등의 기술이 적용됩니다.

이외에 쇼트 피닝 처리와 같은 기술을 이용하여 부품 내에 유익한 잔류 응력을 발생시켜 피로 수명을 연장할 수도 있습니다.

이러한 처리 공정을 확실하게 올바르게 수행하려면 잔류 응력의 상태를 파악해야 합니다.

잔류응력 상태가 약간 변화해도 부품의 수명에 중대한 영향을 주는 경우가 종종 있습니다.

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ppm 농도 구하는 방법

농도를 나타내는 단위 중 하나에 ppm(피피엠)이 있습니다.

농도라고 하면 '퍼센트(%)를 떠올리는 분들도 많겠지만 그보다 훨씬 작은 농도를 나타냅니다.

이번에는 ppm이 어떤 단위인지, 그 밖에도 작은 농도를 나타내는 단위로 ppb, ppt, ppq 등이 있는데, 그것의 의미 등에 대해서도 소개토록하겠습니다.

ppm이란?

ppm은 1970년대에 많이 발생하게 된 공해 '광화학 스모그'로 널리 알려지게 되였습니다.

대기 중의 광 화학 옥시던트라고 하는 물질의 농도를 나타내는 데 사용되고 있었기 때문입니다.

퍼센트(%)와 마찬가지로 비율(분율)을 나타내는 단위이므로 ppm을 사용할 때는 반드시 무엇인가 기준이 되는 양이 필요합니다.

단위 기호

[ppm] Parts per million의 머리글자를 딴 것입니다.

ppm의 정의

ppm은 Partsper million의 약자로 한글로 번역하면 '100만분의 1'이라는 뜻입니다.

또 이름을 백만분율이라고도합니다.

1%가 100 분의 1이기 때문에, 1 ppm = 1/10000 %라는 것이랍니다.

농도로서는 상당히 미세한 것을 알 수 있다고 생각합니다.

정의를 다시 식으로 나타내면 다음과 같습니다.

1 ppm = 원하는 양 / (기준이 되는 양 + 원하는 양) × 10^6

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ppm 농도 구하는 법

ppm은 1/100만을 나타내는 단위이며 실제 농도를 구하는 방법을 예를 들어 가솔린 차량의 배기가스 규제를 생각해 보도록 합시다.

일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 규제치는 각각 다음과 같습니다.

HC: 300 ppm

CO: 1.0% (=10000ppm)

우선 HC의 300ppm이라는 것은 그대로 생각하면 300m^3/10000m^3라는 의미인데, 좀 농도로 알기 어렵지않은가요?

그래서 작은 단위를 베이스로 해 보면 300cm^3/10000cm^3가 됩니다.

여기서 1000cm^3=1L(리터)이니까 300ppm=0.3L/1000L가 됩니다.

알기 쉽게 분모를 1L로 변환해 보면 300ppm=0.3mL/L로 대체할 수 있습니다.

즉, 1L의 체적의 공기 중에 불과 0.3mL의 HC가 포함되는 양이라는 것이됩니다.

얼마나 작은 농도를 나타내는지 이미지가 떠오르지 않으세요.

다음으로 1%의 CO를 생각해 보면 위와 같이 1%=10000ppm이니까 10000ppm=10mL/L이 됩니다.

퍼센트를 굳이 ppm으로 나타낼 필요는 없지만 서로의 단위를 환산하는 이미지를 위해서 굳이 이런 글을 써봤습니다.

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ppm 이외의 작은 농도 단위

ppm은 백만 분율, 즉 1/100만을 나타내는 단위인데 더 작은 농도의 단위로는 다음을 들 수 있습니다.

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ppb: 십억분율. 1/10억을 나타낸다.

1 ppb= 0.0000001 (10^-9)

ppt: 1조분율. 1/1조를 나타낸다.

1 ppt= 0.0000000001 (10^-12)

ppq: 천조분율. 1/1000조를 나타낸다.

1 ppq= 0.00000000001 (10^-15)

ppm조차도 충분히 작은 농도라고 생각하지만 화학에서는 더 작은 농도를 대상으로 할 수 도 있습니다.

우리 몸에 악영향을 미치는 독극물은 바로 소개한 수준의 농도에서도 치사량이 된다 라는 것도 있습니다.

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ppm과 다른 농도의 단위 환산방법

ppm과 mg/l의 환산

최근에는 농도를 나타내는데 ppm이 아닌 mg/L이라는 단위를 사용하는 것이 일반적으로 되고 있습니다.

앞의 'ppm 농도 구하는 법' 항을 읽어보신 분은 아시겠지만 기체의 경우 1ppm=1μL/L를 의미합니다.

또 1000ppm=1mL/L이라고 할 수도 있겠죠.

덧붙여 수처리에 관계된 분들에게는, 기체가 아닌 수중의 불순물의 농도를 나타내는 데 mg/L라고 하는 단위가 사용되고 있지만, 물의 비중은 1.0이기 때문에, 1kg=1L, 1g=1mL입니다.

따라서 아래 식이 이루어지며 ppm과 mg/L은 같은 값으로 할 수 있습니다.

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1mg/L=1μL/L=1ppm

kg의 1/1000의 단위가 L로 기억합시다.

ppm과 ppb 환산

ppm과 ppb는 다음과 같이 환산합니다.

1 ppm = 1000 ppb

1ppb = 0.001ppm(= 10^-3ppm)

ppm과 % 환산

ppm은 '백만 분율'이라고도 하며 1/100만이라는 비율(비율)을 나타내는 단위.

미터(m)나 그램(g) 등 다른 단위처럼 어떤 절대치를 나타내는 단위가 아니다.

기체로 생각하면 1ppm=1μL/L를 의미한다.또 물속에 한해서 말하면, 1 ppm=1 mg/L가 된다.

ppm보다 작은 농도의 단위에 다음이 있다.

ppb: 1/10억.01 ppm

ppt: 1/1조.0.000001 ppm

ppq: 1/1000조.0.0000001ppm

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냉각탑의 냉각톤이란?

냉동톤, 냉각톤, 명칭은 비슷하지만 의미는 다르며 냉동톤은 얼음을 만드는 능력, 냉각톤은 냉각수를 식히는 능력을 나타냅니다.

따라서 냉각탑(쿨링타워)에서 식히는 능력을 나타내는 단위는 냉각톤을 사용합니다.

구별을 명확히 하여 읽음으로써 냉각탑(쿨링타워)에서 사용하는 냉각톤이 무엇인지 이해할 수 있게 될 것입니다.

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냉각탑(쿨링타워)의 냉각톤이란?

냉각탑(쿨링타워)에서는 냉동기 냉동톤에 대응시켜 냉각톤이 사용됩니다.

냉각톤은 냉각 능력을 나타내는 것입니다.

냉각탑(쿨링타워)의 종류에 따라 정의가 다르기 때문에 다음에 소개합니다.

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터보식 냉동기용 냉각탑(쿨링타워)

냉각톤은 13L/min의 물을 표준 조건 하에서 5℃ 냉각하기 위한 열량입니다.

(표준 조건: 입구 온도=37.0℃, 출구 온도=32.0℃, 순환 수량=13L/min)

터보식 냉동기용 냉각탑(쿨링타워)에서는, 1냉각톤=4.53kW입니다.

1 냉각 톤=13L/min x 60 x(37℃-32℃) x 4.186kJ/kg ÷ 3,600s/h 4 4.535kJ/s (4.535kW)

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흡수식 냉동기용 냉각탑(쿨링타워)

냉각톤은 17L/min의 물을 표준 조건 하에서 5.5℃ 냉각하기 위한 열량입니다.

(표준 조건: 입구 온도=37.5℃, 출구 온도=32.0℃, 순환 수량=17L/min)

흡수식 냉동기용 냉각탑(쿨링 타워)에서는, 1냉각 톤=6.523kW입니다.

1 냉각 톤=17L/min x 60 x(37.5 ℃-32.0 ℃) x 4.186kJ/kg ÷ 3,600s/h 66.523kJ/s(6.523kW)

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냉동기 '냉동톤'이란?

냉동기의 능력을 나타내는 것입니다.

'냉동톤'의 정의는 다음과 같습니다.

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우리나라 냉동톤 (1 RT)

우리나라의 경우 표준 냉동능력을 나타내는 단위로 섭씨 0도의 물 1톤을 24시간에 0도의 얼음으로 만드는 능력을 1 냉동톤(1 RT)이라 한다.(1 RT = 79,680 kcal/ 24 hr = 3,320 kcal/hr)

1 RT 란 하루에 한톤의 물을 얼리기 위해 제거해 주어야 하는 열의 량을 말합니다.

이것을 계산해보면 1 kg 의 물을 0도씨에서 어름으로 바꾸는데 필요한 열량은 79.7 kcal 로 알려져있습니다.

따라서 시간으로 바꾸면 79.7 x 1000 Kcal/ton/24 = 3200 kcal 입니다.

이것을 바로 전기로 바꾸면 1 kw h= 860 kcal 이므로 3.72 kwh 이며 1RT 는 3.72 kw 로 환산 됩니다.

즉 1,000RT 는 3,720 kw 입니다.

그런데 실제로 필요한 전기는 이보다 월등 적어서 보통우리는 1마력이 1RT 로 보면 거의 맞아들어갈 정도입니다.

이것은 냉동기의 성적계수가 대략 4 전후로 크며 전기의 발열량보다 훨씬 많은 열을 옮길수 있기 때문입니다.

우리가 에너지 절감을 위해서 전기로 열을 발생 하기보다는 히트펌프로 열을 옮기는것이 경제적임을 알수 있게 하는 대목입니다.

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일본냉동톤(JRT)

냉동톤이란 0℃의 물 1톤(1,000kg)을 24시간에 0℃의 얼음으로 만들기 위한 열량입니다.

즉 물(0℃)을 얼음(0℃)으로 만들기 위해 스스로 제거하는 응고열이 상당합니다.

응고열은 물 1kg당 333.5kJ/kg이므로 24시간에 333.5kJ/kgx1,000kg=333.5kJ의 열을 제거하게 됩니다.

이를 시간당 열량으로 환산하면

1냉동톤(JRT)=333.5kJ/24h/3600h/s≒3860kJ/s=3.860kW입니다.

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미국 냉동톤(USRT)

일본 냉동 톤에서의 물 1톤(1,000kg)에 대해, 물 2,000파운드(1파운드=0.453kg)으로 요구한 것이 미국 냉동 톤입니다.

1 냉동톤(USRt)=(2000lb×0.4536kg/lb×333.5kJ/kg)÷24h×3600h/s 33.497kJ/s=3.497kW

일본에서는 미국 냉동톤(USRt)이 일반적으로 이용되고 있습니다.

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kW는 순간 순간의 전력(물 흐름의 크기)이고 kWh는 거기에 시간을 곱해 사용한(발전한) 전력의 양을 나타낸다는 것입니다.

kW와 kWh의 차이를 알 수 없게 된다면 kW는 '수도꼭지에서 흐르는 물의 크기', kWh는 '수도꼭지에서 흘러나온 물의 총량'이라고 생각하면 좋을 것 같습니다.

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