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소성변형
소성변형(plastic deformation, 塑性變形)은 고체 재료의 가소성(可塑性)을 이용해서 누르거나 두들겨서 모양을 바꾸는 일이다. 탄성변형은 가해진 외부의 힘이 제거됨에 따라 즉시 회복되어 원래 모습으로 돌아가지만 소성변형은 변형되어 회복이 되지 않고 잔류한다. 영구변형(永久變形), 잔류변형(殘留變形)이라고도 한다.[1][2]
목차
개요[편집]
소성변형은 외력에 의해 생긴 비틀림이 외력을 제거하여도 전혀 회복되지 않을 때 변형을 말한다. 이에 대해 모든 비틀림이 완전히 회복되는 경우를 탄성변형이라 한다. 일반적으로 고체는 외력의 작용을 받으면 변형이 생기는데 외력이 작은 동안에는 외력을 제거하면 물체는 원래의 형태로 되돌아가 변형은 사라진다. 그러나 대부분의 고체는 적당한 조건하에 놓이면 커다란 외력 작용으로 파괴되는 일 없이 연속적으로 변형하고, 외력을 제거해도 물체는 이미 원형으로 되돌아가지 않고 영구 변형이 생긴다. 고체가 나타내는 이러한 변형을 소성 변형이라 한다. 그리고 소성변형을 하는 물체를 소성체라 한다. 일반적으로 고체에 작용하는 외력의 크기를 점차 증가하여 가면 물체 내의 응력도 점차 증가하게 되는데 드디어 어떤 값에 도달하면 응력은 거의 증가하지 않고 영구 변형이 급격히 증가하기 시작한다. 이 응력의 한계값을 항복값(항복점)이라 한다. 항복점은 연강 또는 그것과 비슷한 다결정 조직을 갖는 금속 재료에서는 분명하게 확인되나 구리, 알루미늄과 같은 부드러운 금속에서는 분명하지 않다. 유리, 플라스틱 등의 무정형 물질도 분명한 항복점을 나타내지 않는다. 일반적으로 금속의 항복점은 크지만 납은 작고 또 점토, 석고, 밀가루 등을 물로 반죽한 것이나 피치도 항복점은 작다.
대부분의 금속 재료는 변형률이 약 0.005 정도까지만 탄성변형이 일어나며 이 점을 넘어서면 응력은 더 이상 변형률에 비례하지 않는다. 즉 회복되지 않는 영구변형인 소성 변형이 일어난다. 미시적으로 보면 소성변형이란 수많은 원자 또는 부나가 상대적으로 움직이면서 가장 가까이 있던 원자와의 결합을 끊고 새로운 원자와 결합하는 현상으로 응력을 제거해도 원자는 원래의 위치로 돌아가지 않는다. 소성변형을 하려면 탄성 변형 범위 이상의 외력을 가해야 한다. 소성 변형시키는 방법은 목적하는 최후의 형상에 따라 여러 가지가 있는데 판(板)을 만들려면 압연; 막대, 관을 만들려면 압출, 인발, 압연; 그리고 선(線)을 만들려면 인발, 신선(伸線) 등 공정이 사용된다. 또 복잡한 외형으로 만들기 위해서는 단조, 프레스 등 공정이 사용된다.[3][4][5]
탄성변형과 소성변형의 차이점[편집]
탄성변형과 소성변형의 차이점은 하중을 제거하였을 때 원형 상태를 유지하거나 반대로 원형상태로 되돌아가지 못하는 성질로 구분한다. 모든 재질은 재질이 갖고 있는 탄성한계를 초과할 경우 소성 항복이 발생하여 영구적으로 변형되거나 원래 상태로 복원할 수 없는 상태파괴 상태에 다다르게 된다.
- 탄성한계를 초과할 경우 재질의 영구적인 변형 즉 소성 변형이 발생하였다고 정의한다.
- 소성변형은 원자간의 결합이 끊어진 되돌릴 수 없는 상태이다.
- 재료에 가해지는 응력힘은 재질의 변화량과 직접적으로 일치하지 않다.
- 재질이 탄성한계를 초과하여 소성변형 영역으로 들어설 때 힘의 증가로 재질의 변형 - 좁아짐 - 파괴로 이어진다.[6]
항복강도(Yield strength)[편집]
대부분의 구조물은 응력이 가해질 때 단지 탄성변형만 일어나도록 설계되어야 한다. 그러므로 소성변형이 시작되는 항복(Yield) 현상이 나타나는 응력을 알아야 한다. 하지만 전이가 점진적으로 일어나기 때문에 정확히 어디가 항복현상의 시작점이라고 정하기가 애매하다. 따라서 변형률 축에서 0.002만큼 떨어진 곳에서 탄성 영역에 평행한 선을 그어 σ-ε 그래프와 만나는 점에 해당하는 강도를 항복강도(Yield strength)로 잡는다. 항복강도 역시 탄성계수와 마찬가지로 소성 가공에 대한 저항성을 나타난다고 볼 수 있다. 항복강도가 높을수록 소성변형을 위해 더 많은 외부 응력이 작용해야 되기 때문이다. 금속은 표기상 넓은 항복강도 분포를 갖지만 대부분은 수백 MPa 정도의 항복강도를 가진다. 즉, 평균적인 항복강도가 높다는 뜻이다. 폴리머는 대략 수십 MPa의 항복강도를 가진다. 금속에 비해 매우 낮은 항복강도를 가지므로 소성변형에 대한 저항성이 낮다. 즉 외력에 의한 변형이 상대적으로 쉽게 일어난다. 이들에 비해 세라믹에서는 항복강도가 나타나지 않는다. 외력이 가해진 이후 탄성변형이 진행되다가 아주 적은 양의 소성변형이 발생한 후 깨져버리기 때문이다. 즉, 항복강도를 정의할 만한 변형률이 나타나지 않는다.
인장 강도(Tensile strength)[편집]
변형 그래프를 보면 처음에 탄성 변형이 매우 가파르게 진행된다. 소성변형이 진행되어 탄성 영역에 비해 기울기가 완만해진 것을 볼 수 있다. 작은 압박에도 시편이 매우 많이 신장되는데 이는 전위에 움직임에 기인한다. 전위 운동이 한 번 움직이기 시작하면 점점 더 움직이기 쉬워지며 변형이 진행됨에 따라 전위의 양도 늘어나 응력을 더 많이 감당할 수 있게 된다. 응력-변형률 그래프의 기울기가 0이 되면서 시편에 최대 응력이 나타나는데 이 응력을 인장 강도(Tensile strength)라 한다. 인장 강도는 인장 응력을 받고 있는 구조물이 최대로 지지할 수 있는 응력이며 이 이상 응력이 가해지면 파괴가 일어난다. 이후 시편 어느 한 부분이 수축되는 현상이 시작되어 변형이 집중된다. 이러한 현상을 네킹(necking)이라 하며 이때는 가해 주는 힘이 줄어도 변형이 계속해서 진행되며 결국 파괴(Failure)가 일어난다.[7]
재결정[편집]
재결정이란 냉간 가공 등에서 소성변형을 일으킨 결정이 가열이 되면 내부 응력이 서서히 감소하여 원래의 결정 입자에서 내부 변형이 없는 새로운 결정의 핵이 발생하고 이것이 차츰 성장하여 원래의 결정 입자와 대치되어 가는 현상을 말한다. 재결정이 연화된 조직이기 때문에 재결정은 금속의 연성을 증가하고 강도를 저하시킨다. 재결정 온도 이상에서 가공을 열간 가공(hot working)이라고 하고 재결정 온도 이하에서 가공을 냉간 가공(cold working)이라고 한다. 보통 가공에 따른 힘을 줄이기 위해 열간 가공을 하며 철의 예를 들면 450도씨 이상에서 가공하면 열간 가공이 되며 그 이하는 냉간 가공이 된다.[8]
특정 금속 합금의 재결정 거동은 재결정 온도로 규정한다. 재결정 온도(recrystallization temperature) 란 1시간 안에 재결정이 완결되는 온도이다. 전형적인 재결정 온도는 융점의 약 1/3과 1/2 사이에 있으며, 사전 냉간 가공량 및 합금의 순도 등에 따라 변한다. 냉간 가공량이 증가할수록 재결정 속도가 빨라지므로 재결정 온도가 낮아지게 된다. 재결정이 일어나기 위해서는 사전 냉간 가공량이 최소 임계 냉간 가공량 이상이 되어야 하며, 일반적으로 2~20%이다. 재결정은 합금보다 순금속에서 더 빠르게 일어난다.[9]
[10]금속 재결정 온도 융점 ℃ ℉ ℃ ℉ 납 -4 25 327 620 주석 -4 25 232 450 아연 10 50 420 788 알루미늄 (99.999 wt%) 80 176 660 1220 구리 (99.999 wt%) 120 250 1085 1985 황동 (60 Cu-40 Zn) 475 887 900 1652 니켈 (99.99 wt%) 370 700 1455 2651 철 450 840 1538 2800 텅스텐 1200 2200 3410 6170
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 〈소성변형〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈소성변형(plastic deformation)〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈소성 변형(塑性變形)〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 아레나, 〈6장. 금속의 기계적 성질 - 소성변형〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-08
- ↑ 판금기계설계, 〈소성변형이란?/탄성변형과 소성변형 차이와 특징〉, 《티스토리》, 2020-05-24
- ↑ Chandleridle, 〈탄성변형과 소성변형의 차이점 이해〉, 《티스토리》, 2020-08-02
- ↑ SWYJ , 〈재료과학 7단원 : 소성 변형〉, 《티스토리》, 2021-08-21
- ↑ 공학나라, 〈금속 가공 (metal working)〉, 《티스토리》, 2016-09-22
- ↑ Bird’s Life Hacks, 〈1-2. 기계재료 기초 (금속재료의 소성변형)〉, 《티스토리》, 2020-05-07
- ↑ m^t&chq, 〈재결정〉, 《티스토리》, 2022-05-05
참고자료[편집]
- 〈소성변형〉, 《네이버 지식백과》
- 〈소성변형(plastic deformation)〉, 《네이버 지식백과》
- 〈소성 변형(塑性變形)〉, 《네이버 지식백과》
- 아레나, 〈6장. 금속의 기계적 성질 - 소성변형〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-08
- 판금기계설계, 〈소성변형이란?/탄성변형과 소성변형 차이와 특징〉, 《티스토리》, 2020-05-24
- Chandleridle, 〈탄성변형과 소성변형의 차이점 이해〉, 《티스토리》, 2020-08-02
- SWYJ , 〈재료과학 7단원 : 소성 변형〉, 《티스토리》, 2021-08-21
- 공학나라, 〈금속 가공 (metal working)〉, 《티스토리》, 2016-09-22
- Bird’s Life Hacks, 〈1-2. 기계재료 기초 (금속재료의 소성변형)〉, 《티스토리》, 2020-05-07
- m^t&chq, 〈재결정〉, 《티스토리》, 2022-05-05
같이 보기[편집]
