소성가공 1

제1장 소성가공

1. 소성가공 개요

(1) 개요

재료에 외력을 가하면 변형이 생기고 외력을 제거하면 원상태로 돌아가는 성질을 탄성이라 함.

소성변형은 탄성과는 반대로 외력을 제거해도 원상태로 돌아가지 않는 성질을 말함.

소성가공(PLASTIC WORKING)은 재료의 소성변형을 이용하여 목적하는 형상, 치수, 성질을 얻는 가공법임.

(2) 절삭 및 주조에 대한 소성가공 특징

균일한 제품의 대량생산.

금속의 결정 조직 개선. (기계적 성질 개선)

재료의 경제적 이용.

주물에 비해 높은 정밀도.

(3) 소성가공의 종류

1) 재료 내부의 조직 및 변화 기구에 의한 분류

2) 가공 형식에 의한 분류

(가) 단조

단조는 금속이 소성 유동하기 쉬운 상태에서 압축력, 충격력을 재료에 가해서 목적하는 형상, 결정입자의 미세화, 균일한 조직을 얻은 가공법.

(나) 압연

압연은 열간 또는 냉간 상태에서 회전하는 롤러 사이에 소재를 통과시켜 목적하는 길이나 폭, 직경 등을 늘리는 가공법.

(다) 인발

인발은 금속의 봉재나 판재를 다이를 통하여 축 방향으로 잡아당겨 외경을 축소시키거나 와이어를 만드는 가공법.

(라) 압출

압출은 상온 또는 가열된 금속을 컨테이너 속에 넣고 압력을 가하여 구멍의 형태에 따라 봉이나 관을 만드는 가공법.

(마) 전조

전조는 압연 가공과 같이 회전하는 롤러상의 형을 사용하여 원주형의 소재를 그 사이에 넣어 회전시키면서 소재의 주변에 나사산 또는 기어를 성형하는 가공법.

(바) 프레스

(사) 기타

버니싱, 롤러 다듬질 등 재료 표면에 압력을 가하여 가공하는 가공법.

(4) 소성가공에 이용되는 성질

1) 가단성

가단성은 금속을 단련할 때 변형되는 것으로서 압축에 의해 재료가 영구 변형되는 성질.

2) 연성

연성은 재료에 인장력을 주었을 때 항복점을 지나 파단에 이르기까지 길이 방향으로 늘어나는 성질.

3) 가소성

가소성은 재료에 하중을 가할 때 고체 상태에서 유동하여 성형되는 성질로서 전성과 연성을 내포함.

4) 저온에서 고온까지의 성질 변화

내부응력의 성질 변화. (내부응력 제거, 연화)

재결정.

결정입자의 성장.

2. 응력-변형률의 관계

(1) 개요

기계 구조물에 사용되는 금속재료를 인장시험편으로 제작하여 재료시험기에 걸어 인장하중을 작용시키면 하중에 따른 변위, 응력에 따른 변형률의 관계와 파단 상태를 알 수 있음.

시험편에 가해진 하중의 크기를 점차로 늘리면서 시험편이 파단될 때 작용된 인장력과 변형률의 관계를 나타내는 것이 응력-변형률 선도임.

이 시험으로 항복점, 인장강도, 연신율, 단면 수축률, 내력 등을 측정하며 이외에도 비례한도, 탄성한도 등을 구할 수 있음.

(2) 응력-변형률 선도

1) 응력-변형률 선도(연강)

(가) O-A 구간

응력과 변형률이 비례하는 구간으로 A 점은 탄성한계이고 하중을 가한 후 이 구간에서 하중을 제거하면 응력과 변형률이 완전히 없어지며 재료는 본래의 모습으로 돌아오고 변형이 복귀되는데 이를 탄성 회복이라 함.

(나) A-B-C 구간

응력이 A 점을 지나 B 점에 도달하면 하중을 증가시키지 않아도 변형률이 갑자기 증가하여 C 점에 도달하는데 이러한 현상을 항복이라 함.

B 점을 상항복점, C 점을 하항복점이라고 하며 하항복점의 하중을 시험편의 원 단면적으로 나누면 내력(항복강도)를 얻을 수 있음.

(다) C-D 구간

항복점을 지나 D 점까지 하중을 증가시킨 후 하중을 감소시키면 응력과 변형률은 탄성선도인 직선 OA와 거의 평행한 DH를 따라 변화됨.

하중을 완전히 제거하면 H에 도달되고 OH의 변형률이 남게 되는데 이를 영구 변형률이라 함.

하중을 가한 후 제거했을 때 본래의 위치로 되돌아가지 못하고 영구 변형으로 남는 성질을 소성이라 함.

(라) D-E-F 구간

D 점에서 응력을 다시 증가시키면 변형률은 다시 증가하여 E 점에서 최대가 되고 E 점의 응력을 시험편의 원 단면적으로 나눈 값을 인장강도라 하며 이때 늘어난 연신율을 균일 연신율이라 함.

E 점을 지나면 시험편의 일부가 심한 단면 감소를 보이고 결점에서 파단이 됨.

파단이 일어나 F 점까지 늘어난 연신율을 전연신율이라 하고 파단하중을 파단된 시험편의 최소 단면적으로 나눈 값을 진응력이라 함.

F 점의 하중을 시험편의 원 단면적으로 나눈 값을 파괴강도라 함.

(3) 공칭 변형률

공칭 변형률이란 인장력이 어떠한 봉에 작용할 때 최초의 표점거리에 대한 길이의 변화량의 비를 말함.

(4) 진변형률(대수 변형률)

진변형률이란 응력에 따라 변화되는 각 순간의 표점거리를 표준으로 한 값으로서 탄성 영역에서는 변형률과 진변형률 간의 차이가 미세하지만 소성이 시작되었을 때 양자의 차이는 증가함.

(5) 연신율

시험편이 절단된 후에 다시 접촉시키고 이때의 표점거리를 측정한 값과 시험 전의 표점거리와의 차이를 시험 전의 표점거리로 나눈 값을 %로 표시한 것.

(6) 단면 수축률

시험편의 절단부 단면적과 시험 전의 시험편 단면적과의 차이를 시험 전의 시험편으로 나눈 값을 %로 표시한 것.

(7) 진응력

응력-변형률 선도는 시험편에 인장하중이 작용하는 동안 시험편의 단면적이 변하지 않는다는 가정 하에서 얻어진 결과인데 실제로는 변형이 증가하면 할수록 시험편의 단면적은 감소하게 되고 소성변형이 일어나는 가공경화 영역에서는 변형 중의 단면적을 고려하여 응력을 나타낼 필요가 있음.

(8) 바우싱거 효과

금속재료에 균일한 인장하중을 가하여 제거한 후 다시 이와 반대 방향으로 압축하중을 가하면 이전보다 작은 응력에서 항복이 일어남.

가공을 먼저 받은 것과 반대 방향의 변형에 대하여 재료의 탄성한계 및 항복점이 현저히 강하되는 현상을 바우싱거 효과라고 함.

(9) 내력

일반 금속재료는 연강과 같이 항복점이 명확하지 않기 때문에 편의상 영구 신장이 일정 부분에 달하는 하중에 대응하는 응력을 항복응력의 대응으로 사용하며 이를 내력이라 함.

인장시험에 있어 영구 신장이 0.2%가 되는 공칭응력을 내력으로 정의함.

(10) 탄성률

1) 세로 탄성률

인장 또는 압축의 경우 수직응력과 그 방향의 세로 변형률의 비를 말하며 이를 영률이라고 함.

2) 가로 탄성률

전단응력과 전단 변형률의 비례상수를 가로 탄성률 또는 전단 탄성률이라고 함.

3. 소성변형에 영향을 미치는 요인

(1) 개요

소성가공은 금속재료에 하중을 가하여 소성변형을 일으키는 것으로서 소성가공이 가지는 장점으로 인해 기존의 절삭가공이 점차 소성가공으로 대체되는 경우가 많아지고 있음.

(2) 소성변형에 영향을 미치는 요인

1) 응력의 형태

인장응력, 압축응력, 전단응력, 복합응력

2) 변형의 형태

(가) 미끄럼 변형

미끄럼 변형은 변형 형태가 세워둔 여러 개의 책이 옆으로 쓰러지는 모양을 이루며 대부분의 소성변형이 이로 인해 발생함.

(나) 쌍점 변형

쌍점 변형은 미끄럼 변형이 어려운 재료에서 발생되고 결정면의 일부가 특정한 면을 경계로 이동하여 마치 거울면에 상이 나타나듯이 서로 대칭적으로 변형하는 것을 말함.

주로 Mg, Zn 등과 같은 조밀육방격자 구조에서 발생되고 고온보다는 상온에서 가공할 때 쌍점 변형이 발생하기 쉬움.

(3) 가공경화

1) 원인

가공이 진행됨에 따라 경도와 강도가 증가하고 연성과 전성이 감소하는 현상을 가공경화라 하며 재료를 가공할 때 변형에 따른 수많은 전위가 발생하여 서로 얽혀서 더 이상의 변형이 진행되는 것을  방해하기 때문에 나타남.

2) 영향

가공경화된 재료는 항복점과 경도가 높아지지만 취성이 커져서 지속적인 소성변형이 어렵고 결국 파단됨.

3) 대책

가공경화된 재료를 일정한 시간 동안 특정한 온도(재결정 온도)로 가열하여 변형이 없는 새로운 결정(재결정)으로 만들어야 함.

이러한 열처리를 풀림이라고 하며 회복 → 재결정 → 결정립 성장 순으로 진행함.

(4) 가공온도

1) 열간가공

열간가공은 재결정 온도 이상에서 가공하기 때문에 재료의 변형이 쉽고 변형과 동시에 재결정이 일어나므로 가공경화 현상이 발생하지 않음.

2) 냉간가공

냉간가공은 가공경화 현상으로 인하여 재료의 변형이 어렵고 냉간가공을 계속하려면 풀림 처리를 통해 재질을 연화시켜야 함.

이상으로  소성가공과 특수금형 중에서 소성가공에 대한 연재를 마치고 다음에는 소성가공 및 특수금형의 종류와 특징에 대한 연재를 시작할 예정입니다.