열처리는 가열, 유지, 냉각을 통해 금속 재료의 내부 구조를 변경하여 원하는 특성을 얻는 공정입니다. 이 과정에서 불균일한 온도 변화, 구조 변태, 재료 내의 제약으로 인해 열처리 응력이 발생하며, 이는 재료 성능, 치수 안정성 및 후속 가공에 상당한 영향을 미칩니다.
열처리 응력은 불균일한 열팽창/수축, 구조 변태 중의 부조화로운 부피 변화, 재료 내의 외부 제약(예: 금형, 고정 장치) 또는 내부 제약(예: 다른 영역의 특성 차이)에 의해 발생하는 내부 응력을 의미합니다.
그 본질은 원자 배열 또는 거시적 부피 변화가 방해받을 때 원자 또는 입자 간의 상호 작용력으로, 탄성 또는 소성 변형의 경향으로 나타납니다.
열처리 응력의 발생은 주로 두 가지 핵심 공정과 관련이 있습니다.
재료를 가열하거나 냉각할 때, 공작물의 서로 다른 부분(예: 표면 vs. 코어, 얇은 벽 vs. 두꺼운 벽)에서 불균일한 온도 변화가 발생하여 다양한 정도의 부피 팽창 또는 수축을 유발합니다.
- 가열 단계: 표면이 먼저 가열되어 팽창하는 반면, 코어는 더 차갑게 유지되어 팽창이 느립니다. 표면은 코어에 의해 제약되어 압축 응력을 생성하고, 코어는 표면에 의해 늘어나 인장 응력을 유발합니다.
- 냉각 단계: 표면이 먼저 냉각되어 수축하는 반면, 코어는 더 뜨겁게 유지되어 수축이 느립니다. 표면은 코어에 의해 제약되어 인장 응력을 생성하고, 코어는 표면에 의해 압축되어 압축 응력을 유발합니다.
더 빠른 냉각 속도(예: 급랭)는 더 큰 온도 구배를 생성하여 열 응력을 증가시킵니다.
고체 상태 상 변태(예: 오스테나이트에서 마르텐사이트 또는 펄라이트) 동안, 서로 다른 구조는 다양한 비체적을 갖습니다(예: 마르텐사이트는 오스테나이트보다 더 큰 비체적을 갖습니다). 공작물 전체에서 비동기식 상 변화는 구조 응력을 생성합니다.
- 예를 들어, 급랭 시 표면은 먼저 오스테나이트→마르텐사이트 변태(부피 팽창)를 겪는 반면, 코어는 오스테나이트 상태를 유지합니다. 표면 팽창은 코어에 의해 제약되어 압축 응력을 생성합니다. 코어가 나중에 상 변태 동안 팽창하면, 이미 변태되어 경화되었을 수 있는 표면이 코어를 제약하여 코어의 인장 응력과 표면의 추가 인장 응력을 유발합니다.
변태 속도 및 정도의 더 큰 차이(예: 급랭 시 표면에 집중된 마르텐사이트 형성)는 구조 응력을 증가시킵니다.
- 외부 제약: 클램프에 의한 고정 또는 금형과의 접촉은 자유로운 팽창/수축을 제한하여 응력을 악화시킵니다.
- 내부 제약: 복잡한 공작물 구조(예: 홈, 날카로운 모서리) 또는 불균일한 재료 구성은 영역 간의 특성 차이를 유발하여 응력 집중을 증폭시킵니다.
발생 단계 및 존재 상태를 기준으로 열처리 응력은 세 가지 유형으로 분류됩니다.
냉각 후 실온까지 동적으로 존재하는 응력으로, 온도 또는 상 변태에 따라 변화합니다. 예시는 다음과 같습니다.
- 가열 중 온도 구배로 인한 열 응력;
- 냉각 상 변태 중 부피 변화로 인한 순간적인 구조 응력.
과도 응력이 해당 온도에서 재료의 항복 강도를 초과하면 소성 변형이 발생합니다. 파괴 강도를 초과하면 즉시 균열이 발생합니다(예: 급랭 균열).
냉각 후 실온까지 공작물에 남아 있는 응력으로, 과도 응력의 부분적인 해소(예: 소성 변형) 후의 잔류 응력입니다. 그 분포는 열처리 공정에 따라 다릅니다.
- 급랭된 공작물은 일반적으로 표면에 잔류 압축 응력(코어에 의해 제약된 마르텐사이트 팽창으로 인해)과 코어에 가능한 잔류 인장 응력을 갖습니다.
- 어닐링 또는 템퍼링은 잔류 응력을 감소시키지만, 부적절한 공정은 새로운 응력 축적을 유발할 수 있습니다.
- 열 응력: 구조 변태와 관련이 없는 불균일한 열팽창/수축만으로 인한 응력(예: 순수 금속 또는 비변태 합금).
- 구조 응력: 온도 구배와 관련이 없는 상 변태 중의 부피 변화만으로 인한 응력(예: 이상적인 균일 온도에서의 상 변태 응력).
실제로 열 응력과 구조 응력은 종종 공존하며, 함께 열처리 응력을 형성합니다.
열처리 응력(특히 잔류 응력)은 재료 성능, 가공 및 적용에 여러 가지 영향을 미치며, 조절 시 유해한 영향과 유익한 영향을 모두 갖습니다.
- 재료의 항복 강도를 초과하는 잔류 응력은 소성 변형(예: 굽힘, 휨, 치수 편차)을 유발합니다.
- 과도한 잔류 응력(특히 표면 인장 응력)은 직접적으로 균열(예: 급랭 후 템퍼링이 지연되면 "지연 균열")을 유발할 수 있습니다.
예시: 고탄소강은 급랭 후 템퍼링하지 않으면 표면 인장 응력으로 인해 입계 균열이 발생할 수 있습니다.
- 잔류 응력은 후속 가공 또는 사용(예: 절단, 용접, 온도 변화) 중에 점차적으로 해소되어 2차 변형을 유발하고 정밀 부품(예: 베어링, 금형)에 영향을 미칩니다.
예시: 정밀 기어의 해소되지 않은 잔류 응력은 응력 해소로 인해 장기간 사용 후 치형 편차를 유발할 수 있습니다.
- 잔류 인장 응력은 피로 강도를 감소시킵니다(반복 하중 하에서 응력 집중점에서 균열이 쉽게 시작됨);
- 과도한 내부 응력은 취성을 증가시키고 충격 인성을 감소시킬 수 있습니다.
- 불균일한 잔류 응력 분포는 절단 시 불일치한 변형을 유발합니다(예: 가공 후 얇은 벽 부품의 휨);
- 응력 집중 영역은 연삭 또는 연마 중에 연삭 균열을 발생시킬 수 있습니다.
모든 잔류 응력이 유해한 것은 아닙니다. 적절한 공정을 통해 성능을 향상시킬 수 있습니다.
- 표면 잔류 압축 응력은 피로 강도를 향상시킵니다(예: 표면 압축 응력을 갖는 침탄 및 급랭 기어는 더 긴 수명을 가짐);
- 프리스트레싱(예: 급랭 및 템퍼링 후 스프링에 적절한 압축 응력 유지)은 변형 저항성을 향상시킵니다.
유해한 영향을 완화하기 위해 공정 최적화를 통해 응력 발생을 제어하고, 후속 처리를 통해 잔류 응력을 제거해야 합니다.
- 가열/냉각 속도 제어: 단계적 가열(느린 온도 상승) 또는 등온 급랭(예: 등온 급랭)을 사용하여 온도 구배를 줄입니다;
- 공작물 구조 최적화: 날카로운 모서리 또는 불균일한 벽 두께를 피하여 응력 집중을 최소화합니다;
- 적절한 매체 선택: 급랭 시 오일 냉각(물보다 느림)을 사용하여 열 응력을 줄입니다;
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