Bong-Kee LeeSchool of Mechanical Systems Engineering

Chonnam National University

소성가공

1. Mechanical Properties (I)

School of Mechanical Systems Engineering소성가공

Overview

소성가공– 다양한 방법으로 소재에 하중을 가하여 소재를 소성변형

(plastic deformation)시켜 원하는 형상으로 만드는 가공법

• 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, 잔류응력, 항복조건 등 재료의 변형 중에 나타나는 기계적거동에 대한 이해가 요구됨

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Overview

소성가공– 소성가공 중, 재료에 가해지는 외부의 힘

• 인장(tension): 자동차 펜더, 선재• 압축(compression): 단조• 전단(shear): 펀칭• 복합 상태

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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 크기와 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

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Tension

인장시험– 재료가 가지는 하중-변형 특성을 구하는 가장 보편적인

시험법

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Tension

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

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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

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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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Tension

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)

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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 %

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

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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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Tension

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

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Tension

진응력-진변형률 곡선– 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 탄성변형은소성변형에 비하여 매우 작기 때문에 무시할 수 있음

σ ε

log σ log log ε

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Tension

진응력-진변형률 곡선

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Tension

진응력-진변형률 곡선– 인성(toughness)

• 진응력-진변형률 곡선의 아래 부분 면적• 파단될 때까지 소산된 단위 체적당 에너지• 파단 시의 진변형률, εf

σ ε

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Tension

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

ε0 →

σε

σ →ε

ε ε

∴ ε

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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

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Tension

응력-변형률 곡선 모델– 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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Tension

응력-변형률 곡선 모델– 탄성-선형변형경화재료(elastic-linearly strain-hardening

material)• 곡선의 소성영역에서 변형률이 증가함에 따라 기울기가 일정• 대부분 공업재료들의 거동을 근사적으로 표현할 수 있음

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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

εε 1

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Tension

변형률 속도의 영향– 일반적으로 변형률 속도가 증가하면,

• 극한인장강도(UTS) 증가• 온도가 높을수록 효과가 커짐• 변형경화지수(n), 연성은 감소

– m: 변형률속도 민감지수(strain-ratesensitivity exponent)– 냉간가공: 0.05 이하– 열간가공: 0.05~0.4– 초소성재료: 0.3~0.85

변형률 속도가 알루미늄의극한인장강도에 미치는 영향

σ ε

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Tension

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 취성재료를소성가공하기도 함