열응력 변태응력 발생기구 담금질균열 금속재료기술사 서브노트

#담금질균열 #담금질변형 #열응력 #변태응력 #발생기구 #금속재료기술사 #서브노트

 

---

담금질 공정에서 Ms 까지의 위험구역을 급냉하게 되면 담금질 균열이 발생할 수 있다.

이는 급냉시 나타나는 질량효과, 크기효과, 형상효과 로 인해 재료 외부와 내부의 냉각속도의 차이에 따른 열응력과 변태응력의 상호작용으로 설명되고 있다.

 

열처리의 많은 결함은 냉각작업에서 수반되는 조직 불균형, 부피팽창 등으로 발생되는 응력과 큰 관련이 있다.

부피 변화는 열적팽창과 수축 그리고 오스테나이트에서 마텐사이트로 변태할 때 BCT 구조에 따른 팽창에 기인한다.

 

급랭에 의한 잔류응력의 원인으로 열응력에 의한 것과 변태응력에 의한 것으로 구분하며,

이에, 열응력, 변태응력의 발생기구를 필수적으로 정리해 두어야 하겠다.

 

열응력 및 발생기구

열응력의 경우 강을 급냉하면 표면부가 중심부보다 먼저 냉각되고, 표면은 수축이 되어야 하는데 수축이 억제되어 인장응력이 발생하고 중심부는 이에 대응해 압축응력에 따른 균형을 이룬다.

따라서, 표면-인장, 중심-압축의 열응력이 생긴다.

온도가 좀더 낮아지면 인장과 압축응력이 모두 평행을 이루고, 상온으로 온도가 더 감소하게 되면 마침내 응력은 반전하고 완전히 냉각한 후에는 표면-압축, 중심-인장의 잔류 응력을 남기게 된다.

담금질 속도가 빠르면 표면과 중심부의 온도차가 더 커짐에 따라 상온에서의 응력도 증가하게 되며 퀜칭 변형을 줄이기 위해서는 냉각속도가 느린 유냉이 수냉보다 유리하다.

열응력은
1. 냉각속도보다 냉각이 빠른 부분에 압축응력이 작용하고,
2. 냉각속도보다 냉각이 느린 부분에 인장응력이 발생한다.
3. 열응력은 냉각속도가 빠를수록 커진다.

 

변태응력 및 발생기구

담금질에서 조직변화를 살펴보면 펄라이트가 가열시 오스테나이트로 바뀌고 냉가시 다시 마텐사이트로 변화하면서 1.7%정도의 부피팽창을 동반하면서 치수변화와 잔류응력이 생성되게 된다.

급냉시 변태팽창도 표면에서 먼저 일어나므로 그것에 의해 표면-압축, 중심-인장의 변태응력이 발생되며 이는 열응력과는 반대되는 개념이다.

냉각의 진행에 따라 내부의 변태팽창이 일어나면 응력은 반전하고 변태 완료 후 표면-인장, 중심-압축의 잔류응력이 남게 되는데, 이러한 표면의 인장응력은 균열의 원인이 되므로 바람직하지 않다.

강은 탄소량이 높을수록 더 큰 팽창으로 경화를 일을킬 뿐만 아니라 균열발생 가능성도 높아진다.

탄소가 0.35% 보다 적은 보통 탄소강에서의 열처리는 심한 담금질 조건에서도 균열발생 가능성이 적어 큰 문제가 되지 않지만 필요로 하는 적정 탄소량보다 더 많으면 균열발생 가능성이 많아진다.

열처리시 열응력과 변태응력 두 가지 중 변태응력이 열응력보다 훨씬 크게 되면 표면의 인장 잔류응력에 의해 담금질균열이 발생하게 된다.

담금질 변형과 균열을 억제하기 위해서는 마텐사이트 변태가 일어나기 전에 표면과 중심부의 온도차이를 줄이는 마템퍼링 열처리와 오스템퍼링 열처리와 같은 NOSE 아래에서 등온 열처리를 하는 방법이 있다.

변태응력은
1. 냉각속도보다 냉각이 빠른 부분에서 인장응력이 작용하고
2. 냉각속도보다 냉각이 느린 부분에서 압축응력이 발생한다.
3. 변태응력은 Ms~Mf 사이의 온도에서 냉각속도가 빠를수록 커진다.

 

열응력과 변태응력의 합성에 의해 내부응력이 항복점을 넘으면 변형이 발생되고 인장응력이 강의 인장강도보다 커지면 균열이 발생된다.

 

#담금질균열 #담금질변형 #열응력 #변태응력 #발생기구 #금속재료기술사 #서브노트