잔류 응력

Residual stress
롤 성형된 중공 구조 단면의 잔류 응력에 의해 띠톱으로 절단할 때 벌어진 틈이 생긴다.

재료 과학 및 고체 역학에서 잔류 응력은 응력의 원래 원인이 제거된 후에도 고체 재료에 남아 있는 응력입니다.잔류 응력은 바람직하거나 바람직하지 않을 수 있습니다.예를 들어, 레이저 피닝은 터빈 엔진 팬 블레이드 등의 금속 구성요소에 깊은 유익한 압축 잔류 응력을 부여하며, 강화 유리에 사용되어 스마트폰에서 크고 얇은 균열 및 긁힘 방지 유리 디스플레이를 가능하게 합니다.그러나 설계된 구조에서 의도하지 않은 잔류 응력이 발생하면 구조가 조기에 고장날 수 있습니다.

잔류 응력은 비탄성(플라스틱) 변형, 온도 경사(열 사이클 중) 또는 구조 변화(상 변환)를 포함한 다양한 메커니즘에 의해 발생할 수 있습니다.용접의 열로 인해 국소 팽창이 발생할 수 있으며, 용접 도중 용융 금속 또는 용접되는 부품의 배치에 의해 팽창이 발생할 수 있습니다.완성된 용접이 식으면 일부 부위가 다른 부위보다 더 많이 냉각되고 수축되어 잔류 응력이 남습니다.또 다른 예는 반도체 제작과 마이크로시스템 제작[1] 과정에서 열과 결정 특성이 다른 박막 재료가 공정 조건이 다른 상태에서 순차적으로 퇴적되는 것이다.박막 재료 스택을 통한 응력 변동은 매우 복잡할 수 있으며, 층마다 압축 응력과 인장 응력 사이에 차이가 있을 수 있습니다.

적용들

제어되지 않은 잔류 응력은 바람직하지 않지만 일부 설계는 이에 의존합니다.특히 강화유리나 프리스트레스 콘크리트와 같이 압축잔류응력을 포함시킴으로써 메짐성 재료를 강화할 수 있다.메짐성 재료의 기능 상실의 주요 메커니즘은 초기 균열 형성부터 시작되는 메짐성 파괴입니다.재료에 외부인장응력이 가해지면 균열팁은 응력을 집중시켜 균열팁에서 발생하는 국소인장응력을 벌크재료의 평균응력보다 크게 증가시킨다.이로 인해 초기 균열은 주변 물질이 응력 농도에 의해 압도되어 균열로 이어지기 때문에 빠르게 확대(전파)된다.

압축잔류응력을 가진 재료는 초기 균열은 압축(부인장)응력 하에서 형성되기 때문에 메짐성 파괴를 방지하는 데 도움이 된다.초기 균열 전파에 의한 메짐성 파괴를 유발하기 위해서는 외부 인장 응력이 압축 잔류 응력을 극복해야 균열 팁이 충분한 인장 응력을 경험하여 전파되어야 한다.

일부 검의 제조는 특히 단단한 가장자리(특히 가타나)를 만들기 위해 마르텐사이트 형성의 구배를 이용한다.칼날이 단단하고 뒷면이 부드러운 칼의 잔존 응력 차이는 칼의[citation needed] 특징적인 곡선을 만들어낸다.

프린스 루퍼트의 드롭스

강화유리에서는 유리 표면에 압축응력이 유도되며 유리 본체의 인장응력에 의해 균형이 잡힌다.강화유리는 표면에 남아 있는 압축응력으로 인해 균열에 대한 내성이 강하지만 외부 표면이 깨지면 작은 파편이 된다.그 효과는 녹은 유리구체를 물에 담금질하는 재료과학의 신기함인 Prince Rupert's Drop에 의해 입증된다.외부 표면이 먼저 냉각되고 굳어지기 때문에 볼륨이 냉각되고 굳으면 외부 "피부"가 이미 정의한 것보다 적은 볼륨을 차지하게 됩니다. 이렇게 하면 부피의 많은 부분이 팽팽해지고 "피부"가 당겨져 "피부"가 압축됩니다.그 결과 고체구체는 매우 질겨 망치로 때릴 수 있지만 긴 꼬리가 깨지면 힘의 균형이 깨져 조각 전체가 심하게 부서진다.

2개의 튜브가 압착된 특정 종류의 총신에서는 외관이 늘어나면서 내관이 압축되어 있어 총을 발사할 때 리플링의 균열이 생기는 것을 방지할 수 있다.

조기 장애

오하이오 쪽에서 본 무너진 실버 브릿지는

또한 주물은 불균일한 냉각으로 인해 큰 잔류 응력을 가질 수 있습니다.잔류 응력은 종종 중요 부품의 조기 고장의 원인이며, 1967년 12월 미국 웨스트 버지니아에 있는 실버 브릿지 붕괴의 한 요인이었을 것이다.아이바 링크는 높은 잔류 응력을 보이는 주물이며, 한쪽 아이바에서 균열 성장을 촉진합니다.균열은 임계 크기에 이르면 재앙적으로 커졌고, 그 순간부터 구조물 전체가 연쇄반응으로 붕괴되기 시작했다.구조물이 1분도 안 돼 고장 나 당시 다리 위에 있던 차량에 타고 있던 운전자와 승객 46명이 [citation needed]물에 빠져 숨졌다.

압축 잔류 응력

압축 잔류 응력을 유도하는 일반적인 방법은 표면에 대한 샷 피닝과 용접 발가락에 대한 고주파 충격 처리입니다.압축잔류응력의 깊이는 방법에 따라 다르다.두 방법 모두 시공 수명을 크게 늘릴 수 있습니다.

HiFIT 처리 조립체 예제

잔류 응력 생성

빔에 균일한 잔류 응력을 생성하는 데 사용되는 몇 가지 기술이 있습니다.예를 들어, 4점 벤딩을 사용하면 두 [2]개의 실린더를 사용하여 빔에 하중을 가하여 잔류 응력을 삽입할 수 있습니다.[3]

측정 기술

잔류 응력 측정 기법을 비교하는 다이어그램으로, 측정된 구성요소에 대한 측정 길이 척도, 침투 및 파괴 수준을 보여줍니다.

개요

잔류 응력을 측정하는 데 사용되는 기법은 여러 가지가 있으며, 이는 크게 파괴적, 반파괴적, 비파괴적 기법으로 분류된다.이 기법의 선택은 필요한 정보와 측정 시료의 특성에 따라 달라집니다.요인에는 측정의 깊이/투과(표면 또는 관통 두께), 측정해야 할 길이 척도(매크로스코픽, 메소스코픽 또는 현미경), 필요한 정보의 분해능 및 시료의 구성 형상 및 위치가 포함됩니다.또한 일부 기법은 전문 실험실 시설에서 수행해야 하며, 이는 모든 기법에 대해 "현장" 측정이 가능하지 않음을 의미한다.

파괴 기술

파괴 기법은 시료에 크고 복구할 수 없는 구조적 변화를 가져오며, 이는 시료를 다시 사용할 수 없거나 목업 또는 예비품을 사용해야 한다는 것을 의미한다.이러한 기술은 "변형 해제" 원리를 사용하여 작동합니다. 즉, 측정 시료를 절단하여 잔류 응력을 완화한 다음 변형된 형상을 측정합니다.이러한 변형은 보통 탄력적이기 때문에 변형 크기와 방출된 잔류 [4]응력 크기 사이에는 이용 가능한 선형 관계가 있습니다.파괴 기술에는 다음이 포함됩니다.

  • Contour[5] Method – 와이어 EDM으로 시료를 절단한 표면에 수직인 일축 방향으로 시료를 통과하는 2D 평면 단면에서의 잔류 응력을 측정한다.
  • 슬릿(균열 준수) – 정상에서 절단 "슬릿"까지의 시료 두께를 통해 잔류 응력을 측정한다.
  • 블록 제거/분할/레이어[7]
  • 삭스 보링[8]

반파괴 기술

파괴 기술과 마찬가지로 이러한 기술도 "스트레인 해제" 원칙을 사용하여 작동합니다.단, 소량의 재료만 제거하므로 구조물의 전체적인 무결성은 그대로 유지됩니다.여기에는 다음이 포함됩니다.

  • 딥 홀[9] 드릴링 – 작은 직경의 드릴링 홀을 둘러싼 "코어"에서 응력을 완화하여 구성 요소의 두께를 통과하는 잔류 응력을 측정합니다.
    주요 기사:DHD(Deep Hole) 측정 기술
  • 중앙 구멍[10] 뚫기 – 스트레인 게이지 로제트를 사용하여 작고 얕게 뚫린 구멍에 해당하는 스트레인 릴리스를 통해 표면 근방 잔류 응력을 측정합니다.중앙 구멍 천공은 최대 4mm 깊이에 적합합니다.또는 얇은 부품에 블라인드 홀 가공을 사용할 수 있다.현장 테스트를 위해 현장에서 센터 홀을 드릴링할 수도 있습니다.
    주요 기사:구멍 뚫는 법
  • 링[11] 코어 – 센터 홀 드릴링과 유사하지만 용입력이 더 높고 절단 부분이 중심을 통과하지 않고 스트레인 게이지 로제트 주변에서 이루어집니다.

비파괴 기술

비파괴 기법은 잔류 응력과 측정 물질의 결정학적 특성 작용 사이의 관계 효과를 측정합니다.이들 중 일부는 응력이 없는 샘플에 대해 원자 격자 간격(응력 때문에 변형된)을 통해 고주파 전자 복사의 회절을 측정함으로써 작동한다.초음파 및 자기 기술은 재료의 음향 및 강자성 특성을 이용하여 잔류 응력의 상대적인 측정을 수행합니다.비파괴 기술에는 다음이 포함됩니다.

  • 전자파 a.k.a. eStress - 중성자 회절과 동등한 정확도로 광범위한 시료 치수와 재료에 사용할 수 있습니다.eStress 시스템과 같은 휴대용 시스템을 사용할 수 있습니다. eStress 시스템은 현장 측정에 사용하거나 지속적인 모니터링을 위해 영구적으로 설치할 수 있습니다.측정 속도는 위치당 1~10초입니다.
  • 중성자 회절 - 관통 두께를 측정할 수 있지만 중성자 선원을 필요로 하는 검증된 기술(원자로 등).
  • 싱크로트론 회절 - 싱크로트론이 필요하지만 eStress 및 중성자 회절 방법과 유사하게 유용한 데이터를 제공합니다.
  • X선 회절 - 수백 미크론만 관통하는 제한된 표면 기술입니다.
  • 초음파 - 아직 진행 중인 실험 과정입니다.
  • 마그네틱 - 매우 제한된 샘플 치수로 사용할 수 있습니다.

잔류응력 완화

이전의 금속 가공 작업에서 원하지 않는 잔류 응력이 존재할 경우, 몇 가지 방법을 사용하여 잔류 응력의 양을 줄일 수 있다.이러한 방법은 열 및 기계적([12]또는 비열) 방법으로 분류할 수 있습니다.모든 방법은 전체적으로 스트레스가 해소되는 부분을 가공하는 것입니다.

서멀법

열 방법은 가열 또는 냉각을 통해 전체 부품의 온도를 균일하게 변경하는 것입니다.스트레스 해소를 위해 부품을 가열하는 경우, 이 공정을 스트레스 해소를 위한 [13]베이크라고도 합니다.응력 완화를 위한 냉각 부품은 극저온 응력 완화로 알려져 있으며 비교적 [citation needed]드물다.

스트레스 해소 베이크

대부분의 금속은 가열하면 항복 강도가 감소합니다.가열에 의해 재료의 항복 강도가 충분히 낮아지면 재료 내에서 항복 강도보다 큰 잔류 응력이 발생하는 위치(가열 상태)가 항복하거나 변형될 수 있습니다.따라서 가열된 상태의 재료 항복 강도만큼 높은 잔류 응력이 재료에 남습니다.

응력 완화 베이크는 금속의 연성을 높이기 위한 열처리인 아닐링 또는 템퍼링과 혼동해서는 안 됩니다.이러한 공정은 재료를 고온으로 가열하여 잔류 응력을 감소시키기도 하지만, 바람직하지 않을 수 있는 야금 특성 변화도 수반합니다.

저합금강과 같은 특정 재료의 경우 재료가 최대 경도에 도달하는 온도를 초과하지 않도록 응력 완화 베이크 시 주의해야 합니다(합금강의 템퍼링 참조).

극저온 스트레스 완화

극저온 응력 완화에는 물질(일반적으로 강철)을 액체 질소 등의 극저온 환경에 두는 것이 포함됩니다.이 과정에서 응력완화재는 장기간 극저온으로 냉각된 후 서서히 실온으로 복귀한다.

비열법

바람직하지 않은 표면 인장응력을 경감하고 이를 유익한 압축 잔류응력으로 대체하기 위한 기계적 방법으로는 숏 피닝과 레이저 피닝이 있습니다.각 재료의 표면에는 매체가 작용합니다.숏 피닝은 일반적으로 금속 또는 유리 재료를 사용합니다.레이저 피닝은 고강도 광선을 사용하여 재료 깊숙이 전파되는 충격파를 유도합니다.

주요 기사 : 진동 응력 완화

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Schiavone, G.; Murray, J.; Smith, S.; Desmulliez, M. P. Y.; Mount, A. R.; Walton, A. J. (1 January 2016). "A wafer mapping technique for residual stress in surface micromachined films". Journal of Micromechanics and Microengineering. 26 (9): 095013. Bibcode:2016JMiMi..26i5013S. doi:10.1088/0960-1317/26/9/095013. ISSN 0960-1317.
  2. ^ "Flexural Properties by Four-Point Bending ASTM D6272". ptli.com.
  3. ^ relaxman1993 (13 September 2014). "Tutoriel Abaqus-Contrainte résiduelle dans une poutre / Residual stress in a beam". Archived from the original on 13 December 2021 – via YouTube.
  4. ^ G.S. Shajer 실제 잔류 응력 측정 방법.Wiley 2013, 7, ISBN 978-118-34237-4.
  5. ^ Los Alamos 국립 연구소 – 등고선 방법.2014년 6월 19일 취득
  6. ^ Los Alamos 국립연구소– 슬팅 방법2014년 6월 19일 취득
  7. ^ ASTM E1928-13 직선 박벽 배관에서의 대략적인 잔류 주변 응력 추정을 위한 표준 관행.2014년 6월 19일 취득
  8. ^ VEQTER Ltd – Sach's Boring.2014년 6월 19일 취득
  9. ^ VEQTER Ltd – 깊은 구멍 뚫기2014년 6월 19일 취득
  10. ^ G2MT 연구실 – 중앙 구멍 뚫기.2018년 2월 22일 취득
  11. ^ VEQTER Ltd – 링코어2014년 6월 19일 취득
  12. ^ "Archived copy". Archived from the original on 14 March 2014. Retrieved 8 June 2014.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  13. ^ "Plating". plating.com.

추가 정보

  • 호스포드, 윌리엄 F. 2005"잔존 스트레스"재료의 기계적 거동, 308–321.케임브리지 대학 출판부ISBN 978-0-521-84670-7
  • 캐리, 하워드 B, 스캇 C.헬저(2005년).현대 용접 기술.어퍼 새들 리버, 뉴저지: 피어슨 교육.ISBN 0-13-113029-3.
  • 셰이저, 게리 S. 2013.실제 잔류 응력 측정 방법.와일리. ISBN 978-118-34237-4
  • Kehl, J.-H., Drafz, R., Pape, F. 및 Poll, G. 2016.롤러 엘리먼트 베어링의 내부 궤도 표면 함몰이 잔류 응력에 미치는 영향 시뮬레이션 조사, 2016 국제 잔류 응력 회의(Sidney), DOI: 10.21741/9781945291173-69

외부 링크