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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