소성가공

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Bong-Kee Lee

School of Mechanical Systems Engineering Chonnam National University

소성가공

1. Mechanical Properties (I)

Overview

 소성가공

– 다양한 방법으로 소재에 하중을 가하여 소재를 소성변형 (plastic deformation)시켜 원하는 형상으로 만드는 가공 법

• 부피성형(bulk deformation): 단조, 압연, 압출 및 인발 공정

• 판재성형(sheet forming): 굽힘, 딥 드로잉, 스피닝 및 일반 프레스 가공

– 변형 양상, 응력, 하중, 변형속도와 온도의 영향, 경도, 잔

류응력, 항복조건 등 재료의 변형 중에 나타나는 기계적

거동에 대한 이해가 요구됨

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School of Mechanical Systems Engineering 소성가공

 소성가공

– 소성가공 중, 재료에 가해지는 외부의 힘

• 인장(tension): 자동차 펜더, 선재

• 압축(compression): 단조

• 전단(shear): 펀칭

• 복합 상태

Overview

 변형률(strain)

– 소재가 받는 변형의 정도를 나타냄

• 공학적 변형률(공칭 변형률, engineering strain): 인장, 압축

• 전단 변형률(shear strain): 전단 γ

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Overview

 변형률(strain)

– 소재에 가해지는 하중(혹은 응력)이 변형을 야기시킴 – 가공의 측면

• 원하는 변형을 얻기 위하여 소재에 가해주어야 하는 하중의 크기 와 방향을 결정하는 것이 매우 중요함

• 적합한 장비의 설계

• 적절한 강도를 가지는 공구 및 금형 재료의 선택

• 원하는 금속가공 작업을 수행할 수 있는 장비의 결정 등

Tension

 인장시험

– 재료가 가지는 하중-변형 특성을 구하는 가장 보편적인

시험법

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 인장시험

– 공학적 응력(공칭 응력, engineering stress)

• 초기 단면적에 대한 작용 하중의 비

• 초기 길이 l₀, 초기의 단면적 A₀, 작용 하중 P

– 공학적 변형률

• 변형된 길이 l

σ

Tension

 인장시험

– 비례한도(proportional limit)

• 작용 하중에 비례하여 재료가 늘어나는 지점

• 재료는 선형 탄성거동(linear elastic behavior)을 보임

• 후크의 법칙(Hooke’s law)

– E: 탄성계수(elastic modulus), 영계수(Young’s modulus)

• 포와송 비(Poisson’s ratio)

– 길이 방향으로 늘어난 시편의 길이 방향에 대한 횡방향 변형률의 비 의 절대값

σ

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Tension

 인장시험

– 항복점(yield point)

• 탄성과 소성의 경계점

• 하중이 항복점 이상으로 증가하면 재료가 소성변형(영구변형)되기 시작하며, 응력과 변형률의 관계도 선형적이지 않음

• 탄성 에너지율(modulus of resilience)

– 재료가 탄성적으로 저장할 수 있는 단위 체적당 에너지를 나타냄

• 항복점이 명확하지 않은 경우 – 0.2% offset 방법

2 2

Tension

 인장시험

– 구조물, 하중 지지용 부재: 항복점을 넘지 않도록 설계 – 소성가공: 항복점을 지나 영구 변형을 일으켜 원하는 형상

으로 성형

– 인장강도(tensile strength), 극한인장강도(UTS, ultimate tensile strength)

• 소재가 견딜 수 있는 최대의 인장 응력

• 소재의 전반적인 강도를 간편하게 나타내는 척도

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 인장시험

– 1차 소성거동(UTS 이전)

• 하중이 항복점(Y) 보다 크면 재료는 항복하여 기울기가 작아짐

• 하중을 제거하면 원래 기울기(E)를 따라 내려와 영구 변형

• 하중이 계속 증가하면 균일 인장(단면적의 균일한 감소)하면서 극 한인장강도(UTS) 도달

– 2차 소성거동(UTS 이후)

• 국부 인장(necking) 발생

• 응력이 오히려 감소

• 목부위에서 파단(fracture)

Tension

 연성(ductility)

– 재료가 파단될 때까지 얼마나 askg은 변형을 견딜 수 있 는지에 대한 척도

– 연신율(elongation)

• 파단 시까지의 변형률

• 균일변형률(UTS 까지의 변형률)+네킹 변형률

– 단면감소율

• 파단 시까지의 시편 단면의 감소 정도

– 대부분 재료의 경우,

• 연신율 10~60%, 단면감소율 20~90%

100 %

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Tension

 진응력-진변형률

– 진응력(true stress)

• 인장이 계속될 때 단면적이 감소

• 하중이 작용되는 순간의 실제 단면적(A) 적용

– 진변형률(true strain)

• 순간 길이에 대비하여 증가된 길이

• 소성가공 영역의 경우,

– 금속의 체적은 일정하게 유지됨

σ

ε

ε 2

Tension

 진응력-진변형률

– 진응력과 공학적 응력(s)

– 진변형률과 공학적 변형률

• 변형률이 작을 때는, 두 변형률의 차이가 거의 없음

• 소성가공에서는 변형률이 크며, 따라서 진변형률로 표현해야 함

σ 1

ε 1

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 진응력-진변형률 곡선

– 공학적 응력-공학적 변형률 곡선(s-e)을 진응력-진변형률 곡선(σ-ε)으로 변형

• 기울기가 항상 양이며, 변형률이 증가함에 따라 기울기는 감소함

• 탄성영역에서는 응력과 변형률이 비례하지만, 전체 곡선은 지수식 으로 근사화될 수 있음

σ 1

ε 1

Tension

– 지수 근사식(항복점, Y 이후)

• K: 강도계수(strength coefficient)

– 진변형률의 크기가 1일 때의 진응력값

• n: 가공경화지수(work-hardening exponent), 변형경화지수(strain- hardening exponent)

• 항복점 이전은 Hooke’s law로 표현 가능하지만, 실제 탄성변형은 소성변형에 비하여 매우 작기 때문에 무시할 수 있음

σ ε

log σ log log ε

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Tension

– 인성(toughness)

• 진응력-진변형률 곡선의 아래 부분 면적

• 파단될 때까지 소산된 단위 체적당 에너지

• 파단 시의 진변형률, ε_f

σ ε

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 단순 인장에서의 불안정성

– UTS 이후의 2차 소성거동부터 네킹이 시작되면서 불균일 변형이 발생

• 소재의 가공 중 국부적인 두께 편차가 발생하므로 이를 피하는 것 이 중요함

• n 이하의 변형률을 유지

ε → → σ σ

ε 0 → σ

ε σ →

ε ε ε

∴ ε

Tension

 단순 인장에서의 불안정성

– 어떤 재료가 소성가공에 유리한가

• Y, K 가 작아야, 작은 하중으로 가공이 가능

• n 이 커야, 균일한 변형으로 가공이 가능

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Tension

 응력-변형률 곡선 모델

– 완전탄성재료(perfectly elastic material)

• 강성도 E를 가진 스프링와 유사

• 유리, 세라믹, 일부 주철과 같은 취성재료의 거동

– 강-완전소성재료(rigid-perfectly plastic material)

• 무한대의 E를 가짐

• 응력값이 항복응력 Y에 도달하면 변형이 시작되며 같은 응력값에 서 소성변형이 진행

• 변형경화가 없음

Tension

– 탄성-완전소성재료(elastic-perfectly plastic material)

• 유한한 탄성계수(E)를 가짐

• 하중 제거 시, 탄성 복원을 가짐

– 강-선형변형경화재료(rigid-linearly strain-hardening material)

• 소성변형 시, 응력값이 변형량의 증대와 함께 증가

• 하중 제거 시, 탄성 복원이 없음

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– 탄성-선형변형경화재료(elastic-linearly strain-hardening material)

• 곡선의 소성영역에서 변형률이 증가함에 따라 기울기가 일정

• 대부분 공업재료들의 거동을 근사적으로 표현할 수 있음

Tension

 온도의 영향

– 일반적으로 온도가 증가하면,

• 재료의 연성과 인성이 증가

• 탄성계수, 항복응력, 인장강도가 감소

• 변형경화지수(n)은 감소

• 예. 온도가 탄소강의 기계적 성질에 미치는 영향

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Tension

 변형률 속도의 영향

– 변형률 속도(strain rate)

• 변형속도(deformation rate), v 1

ε ε 1

Tension

 변형률 속도의 영향

– 일반적으로 변형률 속도가 증가하면,

• 극한인장강도(UTS) 증가

• 온도가 높을수록 효과가 커짐

• 변형경화지수(n), 연성은 감소

– m: 변형률속도 민감지수(strain-rate sensitivity exponent)

변형률 속도가 알루미늄의 극한인장강도에 미치는 영향

σ ε

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 정수압의 영향

– 정수압(hydrostatic pressure)이 재료의 거동에 미치는 영 향

• 파단 시 변형률의 실질적인 증가: 연성(연신률 증가)

• 진응력-진변형률 곡선의 형태에는 거의 영향이 없으며, 곡선을 늘 리는 효과

• 정수압을 적용하여 취성재료를 소성가공하기도 함