출처: 금속재료학 원문보기 글쓴이: 구신
분류 |
기호 |
비 고 |
정편석 |
SN |
일반강에서 볼 수 있는 편석이다 S 가 강의 외주부로부터 중심으로 향하여 증가 외주보다 중심부에 짙은 농도로 착색되어 나타나는 것을 말한다. 림드강의 림드부분은 특히 착색도가 낮다 |
역편석 |
SI |
S가 강의 외주부로부터 중심부로 향하여 감소 외주보다 중심부에 착색도가 낮다 |
중심부편석 |
SC |
S가 강의 중심부에 집중되어 분포된 것 가운데 농도가 짙은 부분이 나타남 |
점상편석 |
SD |
S가 편석부가 짙은 농도로 착색된 점상으로 나타남 |
선상편석 |
SL |
S가 편석부가 짙은 농도로 착색된 선상으로 나타남 |
주상편석 |
SCO |
형강등에서 볼 수 있는 편석 중심부 편석이 주상으로 나타나는 것을 말한다 |
설퍼프린트를 이용한 결함검사
결함검출 :
흠검출 → 흠에 H2SO4가 들어가서 H2S가 나오므로 흠부분만 흑색으로 변한다
담금질부 검출 →담금질 부분은 황화물이 고용되어 확산하므로 설퍼프린트가 되지 않으므로 백색으로 나타난다.
* 뜨임하면 흑색으로 나타난다.
용접부 → 담금질 되므로 백색 모재는 흑색이다
편석검출 → 고스트라인은 S와 P가 많고 편석되므로 이부분은 단단하고 약하다
문제4). 강도를 나타내는 다음 용어를 설명하라. (10점) 1)항복강도 2)인장강도 3)파괴강도
항복강도 (Yield strength): 탄성한계 내에서 의 응력을 나타내는 용어
저탄소강 또는 연강의 시험편을 인장 변형하면 변형과 하중이 일정한 관계를 보이다가 어떤 특정 하중에서 급격히 소성 변형이 진행된다. 이것을 항복현상이라고 한다.
연강에서 전위는 비금속 원자에 의해 고착되어 있는데 이 전위가 움직이기 위해서는 외력이 필요하다.
이것이 상항복점이고 전위가 고착되어 벗어나면 이후 작은 응력에도 움직이게 된다, 이를 하항복점이라고 하고
최대 전단응력 방향과 45° 방향으로 배열된 결정군이 일어나면 작용하는 전단 응력을 견딜수 없어 갑자기 결정면
사이에 slip 이 생기기 때문에 가공현상에 의해 하중은 상승한다.
고탄소강이나 스테인리스강 비철은 항복점이 곡선으로 명학히 구분되지 않는 것은 첨가된 특수원소 Cr Ni Ti V 등이
균일하게 분포되어 전위의 이동을 방해하여 전단응력을 일정하게 유지하기 때문이다.
따라서 항복점이 생기지 않는 고탄소강, 비철금속은 항복점 내신 내력을 둔다
▶ 항복점에 해당하는 하중을 시험편의 원단면적으로 나눈값
내력 : 0.2% 의 영구변형을 일어키는 하중을 원단면적으로 나눈값
항복점 :하중을 제거한후 명백한 영구변형이 일어나기 시작하는 점
인장강도(Tensile strength) : ▶시험편에 하중을 가했을때 시험편이 파단될때 까지의 최대하중을
시험편의 원단면적으로 나눈값
▶ 소성 영역에서 단면적 감소에도 불구하고 응력이 증가하는 이유는
가공경화 때문이다. 일정지점까지 도달하면 응력은 더 이상 증가하지 않지만
변형은 계속되고 최후에 파단된다.
파단강도 :재료의 파단시 하중을시편 평행부 초기 단면적으로 나눈값
네크의 응력 상태를 나타내지 못하므로 무의미한 값임
인장시험시 시험편에 냉각효과가 미치는 영향
오스테아니트계 스테인리스강을 0.6T 이하의 시편을 KS 13B 로 가공하여
인장시험시 선풍기 또는 에어컨, 자연풍이 시험편에 접촉하게 되면 인장강도와 항복강도값에는 크게 영향을
받지 않지만 연신율은 5%~7% 정도 높게 측정되었다. 동절기 하절기 별 반복시험을 한 결과도 동일한 결과값이
나타났다. 즉 두꺼운 시편에서는 큰 차이는 없고 얇은 판의 경우 차이가 많이 나는 것은 질량효과가 열처리에서
담금질효과 뿐만 아니라 박판일 경우에는 성형 가공성에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
문제5). 경도시험이 널리사용되고 있다. 경도시험으로 예측할 수 있는 기계적 성질에 대하여 기술하시오.
경도시험: 외력에 의한 재료의 변형 정도를 알아내기 위한 방법으로
경도의 대소는 기계적 성질에 중요한 요소이며 금속재료의 소성변형에 대한 척도이다.
경도시험의 목적
1) 재료의 경도값을 알고자 할 경우 및 강도 추정시
경도값이 높으면 YS TS 가 높고 EL 이 감소하므로 가공성이 낮아진다.
미소둔 또는 냉간가공 재료는 결정립이 미세하므로 경도값이 증가하고
과소둔 재료는 결정립이 조대하여 경도값이 감소된다. 따라서 경도시험으로 재료의 냉간가공으로 인한
가공경화 상태나 과열로 인한 열처리 상태를 빠르고 간단하게 추정할수 있는 시험방법이다.
2) 시험편 가공상태나 열처리 상태를 비교할 경우
경도측정방법
1. 정적인 시험방법 :브리넬, 로크웰, 비커스, 누프, 마이어
2. 동적인 시험방법 :쇼어,에코팁
3. 긁힘정도 시험방법 :마르텐스 긁힘 경도계, 마이어
4. 진자 장치 이용방법 : 진자경도계
5. 자기적 경도 시험법 :자기적 경도계
3) 시험편 규격
1. 두께 :들어간 깊이의 10배 이상
2. 나비: 들어간 깊이의 4배이상
3. 표면상태: 표면가공경화 현상이 없고, 표면과 뒷면이 평형될 것(각도1도이하)
브리넬경도계(HB = Brinell hardness)
강구지름과 하중
강구지름 D(mm) |
하중 W (kg) |
기호 |
용도 |
10 |
3000 |
HB(10/3000)kg |
경한재료(강,주철) |
10 |
1000 |
HB(10/1000)kg |
Cu합금, Al합금 |
10 |
500 |
HB(10/500)kg |
경합금.연질합금 |
5 |
750 |
HB(5/750)kg |
Cu, Al 연한재료 |
특징:재료에 따라 하중이 달라진다.
시편이 작거나 침탄강, 질화강 등은 부적합하다
압입자국이 크므로 정확한 시험을 할 수 있다
주물 제품에 많이 사용된다.
불균일한 재료의 평균적인 경도값을 측정할 수 있다.
측정시간이 오래 걸린다.
비커스 경도계 (HV =Vickers hardness)
W :하중 d : 압입자국 α :각 136도
사용하중 :1~120kg
사용범위 : 경질, 연질, 얇은박판, 침탄, 질화층
시험편의 경사각은 1도이하로 완전 평면
시편두께 :대각선 길이의 1.5배
압입자국과 중심간 거리 대각선 길이의 4배 이상
시험편 모서리에서 압입자국 2.5배 이상 안쪽
하중유지시간 :10~15초 부하시간 5~10초 시험온도 10~35도
2회 측정 압입흔적이 작다
쇼어경도계 (Hs = Shore hardness )
측정 공식
특징 : 물체의 탄성여부를 알 수 있다
소형이며 휴대간편, 시험편이 작거나 얇아도 가능, 제품에 직접사용(흔적이 없음)
탄성율이 큰 차이가 없는 재료에 적용하면 신뢰성이 높다.
개인측정 오차가 생긴다.
2.36g의 작은추를 낙하하여 반발높이로 측정
종류 : C형(목측) SS형(목측) D형(다이얼게이지)
쇼어경도값이 낮게 나오는 이유
경통내벽 먼지로 해머의 자유를 해칠때
시험편과 기축이 수직으로 되지 않았을때
해머가 낙하축에 완전히 장착되지 않았을때
시험기 받침대가 충분한 강성이 없을때
쇼어 경도값이 높게 나오는 이유
해머끝의 다이아몬드 선단마모
핸들조작을 빠르게 하였을때(D형 경우)
로크웰 경도계(HR =Rockwell hardness)
스케일 |
누르개 |
기준하중 |
시험하중 |
경도식 |
B |
강구 1.5875mm |
10kg |
100kg |
130-500 x 압흔깊이 |
C |
120도 다이아몬드 |
10kg |
150kg |
100-500x 압흔깊이 |
측정횟수 3회 이상 반복후 평균값, 하중유지시간 철강 15초 비철 30초
특징 : 측정방법이 간단하므로 많이 사용한다.
시험하중속도,하중유지시간 압입자 모양 및 지시계에 의한 오차 영향을받고
개인차나 측정 오차는 적다
압입자국이 작으므로 완성품의 경도 측정에 적합하고 얇은판 작은시편에도 사용
모오스 경도계 : 120도 정각을 갖는 원뿔형 다이아몬드로서 시험편 표면을 일정한 하중을 가하면서
긁힘 흔적을 나타내는 능력에 따라 10종류의 표준물질을 정하고 경도 순위로 측정한다
모오스 경도수
경도수 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
물질 |
금강석 |
강옥석 |
황옥석 |
석영 |
정장석 |
인회석 |
형석 |
방해석 |
석고 |
활석 |
★ 스테인리스 냉간가공 판재는 압연방향에 따라 압입 형상이 나타나는 경우가 있으므로 항상 대각선으로
시편을 위치하고 측정하면 가로 세로 압입형상의 편차를 줄일수 있다.
문제 6). 공칭응력(engineering stress)과 진응력(true stress)의 차이를 설명하시오.()
공칭응력 : 인장하중을 재료에 가했을 경우 그때의 하중을 원 단면적으로 나눈값
σ : 공칭응력 P:하중, AO:원단면적 lo : 처음길이 ε : 변형량
진응력:단면적과 표점거리는 연신되는 도중에 계속변하는 것을 고려할 때 순간의 변화때
최소단면을 하중으로 나눈값
σt : 공칭응력 P:하중, A1원단면적 l1 : 처음길이
문제 7). 금속의 표면에 압축 잔류응력이 존재하는 경우에 피로 수명에 어떤 영향을 미치는지 간단히 설명하시오.(65회)
금속표면에 압축잔류 응력이 생기게 하는 방법과 이에 따른 강의 성질에 대하여 기술하시오.(71회)
금속표면에 압축잔류응력이 존재경우
압축잔류 응력은 결함의 생성 방지와 재료표면의 결함이 깊이방향으로 진전하지 못하게 하고 피로수명을 연장시킨다.
압축잔류응력이 생기게 하는 방법은 단조 및 열처리로 생긴다.
질화처리 침탄처리 shot peening 하면 항복강도 인장강복강도 경도가 높아지고 피로강도가 높아진다.
최근 방식의
물 분사 피닝(water jet peening)은 항공기와 자동차 산업에서 사용되는 부품의 피로 수명을 향상시키기 위해 표면에서의 압축 잔류 응력을 가해주는 냉간 가공 공정(cold working process)이다. 이 공정에서는 고속의 물방울 입자가 연속적으로 표면에 부딪친다. 이러한 물방울 입자들은 재료의 국소화된 소성변형을 야기하여 표면층을 펼치도록 하는 높은 최대 부하를 만들어낸다. 하중이 제거되면서 탄성 응력을 받은 표면층이 원래의 상태로 회복하려는 경향이 있지만, 탄성과 소성 영역에서의 재료의 연속성은 이것을 허용하지 않게 되고, 결국 표면 토폴로지(topology)의 변경없이 표면층에는 압축 잔류 응력을 만드는 힘으로 제어된 표면처리 효과를 나타낸다.
문제 8). 금속재료에 잔류응력(residual stress)이 존재하게 되는 원인들을 3가지 이상 열거하고
잔류응력이 기계적 특성과 부식특성에 미치는 영향을 설명하시오.
-외력을 제거한 후 재료 내부에 존재하는 응력을 잔류응력이라고 한다. 냉간 가공이나 담금질,용접 등에 의한 불균일
소성변형의 결과 때문에 생긴다. 잔류응력에는 인장 잔류응력과 압축 잔류응력의 두가지가 있다. 일반으로 인장 잔류응력은 표면에 압축 잔류응력이 나타나고, 내부에는 인장 잔류응력을 발생한다.
변태로 인해 생기는 응력은 이와 반대로 표면에는 인장력이 나타나고, 내부에는 압축 잔류응력이 발생한다.
침탄이나 고주파 담금질과 같은 표면 담금질을 하면, 표층에 잔류 압축력이 생긴다.
- 금속재료는 일반적으로 세라믹등에 비해 열전도성이 크고 열팽창계수도 크다. 고온에서
급랭하는 경우 질량효과가 나타난다. 따라서 표면이 먼저 수축하고 중심부가 서서히 냉각되어
표면에는 압축 중심부에는 인장의 잔류응력이 생긴다. 이 때 잔류응력을 열응력이라고 한다.
일반탄소강에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 경우 FCC->BCC의 동소변태를
이루게 될 때 체적이 팽창한다. 급랭의 경우 불균일을 발생하고 마르텐사이트 경우 표면에는
장력이 중심에는 압축이 생기게 된다.
잔류응력은 소성변형중에 열응력으로 발생하는 것으로 결함생성과 가공중 피로수명을 단축시킨다.
잔류응력 원인: 냉간가공 담금질,용접등에 의한 조직 불균일, 소성변형 결과에 의한 것
잔류응력 영향 : 장시간 상온 방치시 약간의 치수 변화, 특정환경에서의 응력부식균열, 피로 균열 발생
방지법 : 저온 어닐링
Sort peeing 해서 표면에 압축 응력이 남도록하여 피로 강도 개선하는 방법이 있다.
1) 잔류응력은 냉간가공 소성가공 담금질 열처리 용접에 의해 발생한다
2) 잔류응력은 연성재료에 영향을 미치지 않지만 피로나 취성파괴등 국부적인 응력 상태가 파괴를 지배할 경우에는
영향을 미치게 된다
3) 잔류 응력의 제거 방법은 불림이다.
문제 9). 금속현미경으로 금속표면을 관찰하기 위하여 시편을 어떻게 준비하는지 기술하시오. (25점)
1) 재료준비 :시편크기 직경20mm, 높이15mm 마찰열로 인한 과열 방지(물로 냉각)
2) 시험편의 채취
종단면방향 채취1) : 결정입도측정 탈탄층 침탄층 질화층 도금층 열처리 경화층
편석결함 백점흠 기포흠 압연흠등을관찰할 경우
종단면 채취2):비금속개재물 소성가공층의 섬유상 조직 열처리 경화층의 분포 ,,
양방향 채취3):압연 주조성 확인 손상품의파면을 관찰하는경우 ,
부식액
강종 |
부식액 |
용도 |
철강 |
Nital(질산5㎖+알코올95㎖) |
결정입계 부식용 (순철 탄소강 주철) |
Picral(피크린산5g+알코올100㎖ ) |
퍼얼라이트의 부식 (철 열처리강) | |
피크린산나트륨용액 (피크린산2g+수산화나트륨25g+물 ) |
페라이트 시멘타이트 검정 판별 | |
비철 |
질산용액(질산2㎖+물100㎖) |
주석(Sn) 합금 |
염화제2철 용액(염화제2철+염산+물) |
구리 황동, 청동 | |
아세트산50㎖+질산50㎖ |
Ni합금 | |
수산화나트륨용액(20g+물100㎖) |
Ai합금 | |
염산용액(염산5㎖+물100㎖) |
Zn 합금 | |
왕수(질산1:염산:3), 불화수소산 |
Au, Pt, 귀금속 |
문제 10). 노치가 존재하는 경우에 노치가 없는 경우보다 파괴가 잘 일어난다. 그 이유를 체계적으로 기술하시오.()
노치는 형상에 따라 아이조드식, 샤르피식 2가지이다
노치의 반지름이 작을수록 응력이 집중되고 빨리 파단되고 흡수에너지도 작다
노치의 효과가 깊을수록 충격흡수 에너지는 감소된다.
재료의 인성이 클수록 노치부위 형상의 영향은 적어진다 그이유는 인성이 클수록 변형량이 크므로 가공경화도 크고, 응력집중에 의한 균열도 취성재료 보다 빨리 발생하기 때문이다.
구분 |
시편 |
공식 |
|
아이조드 |
1,2호 |
외팔보 원리 | |
샤르피 |
3,4,5호 |
I =E[kg-m] |
단순보 원리 |
에너지 충격값 :E = wr(cosβ -cos α) [kgf/m]
W: 해머중량, R: 추의 아암길이, α:추의 처음각도 , β:파단후의 각도
문제11). 비금속 개재물 시험중 현미경 시험법에 대하여 설명하시오. (20점)
비금속개재물을 판별하는 방법을 기술하시오(20점)
KS에 의한 방법 :
(1) 20x20 의 모눈 격자선을 eye piece 에 넣고 400배 배율로 무작위로 검사한다
(2) 측정시에 격자망의 십자에 교착되는 개재물의 수를 세어 형태별로 합산하여 점유하는 면적백분율을
구하여 청정도를 판정한다.
d= 청정도 p = 시야수(60) p=격자점의 총수(=400)
(3) 판정표시
측정시야수 60, 배율 400배, 일때 A계 개재물의 청정도 0.15% B계 개재물의 청정도 0.02%
C 계 개재물의 청정도 0.09% 일때 표시방법
dA60 x 400 = 0.15
dB60 x 400 = 0.02
dC60 x 400 = 0.09
문제12). 비금속개재물이 제조과정에서 들어갈 수 있다.
종류를 4가지이상 들고 이러한 개재물이 많을 경우 일반적인 영향을 설명하시오. (20점)
탈산시(화학탈산) 용강중에 생기는 FeO 의 형성을 방지하기 위해 산소와 친화력이 큰 Mn,Si,Al 등을
탈산제로 투입하여 MnO,Al2O3, SiO2 등으로 환원시켜 용융강보다 신속하게 부상시켜 분리하는 작업중에
떠오르지 못하고 용강 내부에 존재하는 개재물이다.
비금속 개재물은 주로 Mn, 황화물 및 Fe, MnmAl Mg 등의 산화물로 되어있다
강중에 슬래그 개재물(Fe2O3, FeO, MnO Al2O3, SiO3)로 존재
강 내부에 존재하여 강의 인성을 감소시키고 취성의 원인이 된다.
강의 열처리시 균열의 원인이 된다.
단조나 압연시 고온 취성을 일으킨다(Al2O3, SiO3등)
개재물의 종류
A계 개재물 (황화물계) : 가공방향으로 길게 늘어나 있는 비금속 개재물
B계 개재물(Al계):가공방향으로 집단을 이루며 길게 늘어선 입상의 불연속개재물리 뭉쳐 줄이은 것.
C 계 개재물(각종비금속) : 가공에 따른 점성 변형이 없고 불규칙하게 분포된 입상의 개재물
강의 개재물이 기계적 성질에 미치는 영향은 타이타닉 침몰사고를 예를 들어보면 다음과 같다.
평로법의 염기성법으로 백운석 마그네시아 등의 여기성 내화재를 사용하여 제강하였으면 충분히 S,P를 제거하여
FeS Fe3P 등의 개재물이 감소되었을것인데 ,
평로법의 산성법으로 규사를 내화재로 사용하여제강하였음으로 P,S를 제거하지 못하여 FeS Fe3P 등의 개재물로 존재하여 취성의 원인이 되었고 불순물의 영향은 용융온도를 낯추고 연성-취성 전위온도를 높게하여 저온에서 파괴의 원인이
되었다.
연성-취성파괴의 천이온도를 감소키는 역할을 하여 -2도에서 빙판과의 약한 충격에서도 파손되었음.
타이타닉호는 용접 구조물이 아니라 리벳에 의해 체결된 선체를 지니고 있었고 이러한 타이타닉호에는 약 300만개의 리벳이 사용되었다 한다. 이들 리벳 중 2개를 수거해 조사한 결과 이 두 개의 리벳에는 슬래그가 다량 함유되어 있는 것으로 확인되었고 이러한 슬래그가 혼합된 리벳에 충격이 가해진 경우 충격을 흡수하지 못하고 쉽게 끊어졌을 것으로 생각할 수 있음.
문제13). 비파괴 검사법의 종류와 각각의 검사방법 및 특성을 설명하시오(25점)
방사선 검사RT) :
방사선(X선 r선)물질을 투과하는 성질을 이용해서 X-선 필름상의 농도차에 의해서 강재내부의 결함등을
필름을 감광시켜서 현상된 필림으로 내부결함을 판정하는 검사
결함대상 : 주로 내부결함
체적결함 :Blowhole 용입불량등
면상결함 :용이불량 융합불량등
장점 : 재질 결정구조에 영향을 받지않음. 표면층 결함 검출가증, 결함의 종류 추정, 기록성이 좋음.
모든재질에 적용할 수 있다, 검사결과 필름으로 영구히 보존할 수 있다.
단점 : 마이크로기공 터짐, 기공등은 검출곤란
비검사체에 접근할수 없음, 면상결함과 조사방향 과 결함면이 평행 이어야함.
비교적 비용이 비싸고 현상시간이 필요
촬영방법
1) 결함을 정확히 판정하도록 깨끗이 다듬질 한다
2) 투과사진에는 최소한 검사대상 및 촬영위치 식별기호가 동시에 촬영되도록하고 투과사진과 촬영개소의 관련이
명백하여야 한다
3) 탐상절차 표면처리 → 필름부착 →방사선투과 →필름현상 →판독
초음파검사(UT)
초음파를 제품에 투과시켜 결함부에서 반사되어 돌아오는 펄스를 증폭시켜서 결함을 확인하는 방법
조사방법은 펄스를 이용한 수직법(두께 측정) 과 사각법을 사용해 결함과 균열의 존재유뮤를 확인하여
그 위치와 깊이 길이를 측정한다.
방사선 투과시험 대신에 초음파 탐상시험을 할 경우
1) 방사선 투과시험후 필름상으로 판독이 어려울 경우
2) 충분한 자료를 가지고 있을 경우
교량검사에 주로 사용되며 내부 및 표면 결함 탐지에 이용됨
탐상절차 장비조작은 표면처리 →접촐매질사용 →탐상 →지시치 판독
대상결함: 주로 내부결함
면상결함 : 균열, 용입불량, slag 혼입,
두께 측정 가능
장점 : 면상결함 검출 용이 평면에서 탐상가능 결함의 두께정보을 얻을수 있음, 신속한 검사 판정, 후판탐상가능
미세 결함에 대해 감도가 높다, 이동성이 양호하고 균열,면상 결함은 RT보다 우수하다.
단점: 접촉매질(물,기름)이 필요하다, 박판의 탐상은 부적합하다, 표면상태에 좌우됨, 숙련이 필요함
표준시편 대비시편이 필요하다, 표면 결함 검출은 자분 침투탐상보다 낮다
자분탐상검사
자분탐상은 강자성체의 표면 및 표면근방의 결함을 탐상하는 방법이다. 인위적으로 자화시키면 시험체 표면에 균열이
존재하면 균열의 양끝단에서 자극이 형성하게 되므로 형성된 자극에 자분을 투입하면 균열의 형상대로 자분이 집적되고
자분 모양으로 균열의 존재를 감지하는 방법이다.
결함대상: 표면결함 표면층 결함, 특히 미세한 결함
장점: 비교적 경제적임, 조작이 용이, 장치 휴대 편리, 표면 및 결함층 검출가능
단점: 강자성체만 적용가능, 시험전후 세척 필요, 코팅한 것은 불가능
특징: 비자성체 탐상불가, 결함깊이는 표면과 표면 밑 5mm 정도이다.
불연속,연속 결함부 검출한다, 재질 모양 크기에 영향을 받지 않는다.
정교한 전처리가 필요없다. 검사후 탈자가 필요하다
▶ 탈자 필요한 시기
재검사를 하고자 할때, 검사품이 자화에 나쁜 영향을 미칠때
잔류자기가 기계품 가공을 곤란하게 할때
계측기 작동이나 정밀도에 나쁜영향을 끼칠 우려가 있을 경우
철분등이 마찰부분등에 흡착되어 마모를 촉진시킬 경우
침투탐상 검사(PT)
시험체 표면에 열려있는 결함에 형광물질이 포함된 침투액을 침투시켜 확대된 결함의
지시 모양으로 관찰하는 것 (모세관 현상을 이용하여 결함부 관찰)
특징: 결함부의 확대율이 높으므로 매우 미세한 결함 검출 용이)
▶탐상절차 6단계
1)전처리 및 건조 →2)침투처리→3)과잉침투제 제거→4)현상처리→5)육안관찰→6)후처리
문제14). 어닐링된 저탄소강을 인장시험할 때 불연속항복(점) 현상이 나타나는 이유를 설명하시오. (25점)
불연속 항복현상 발생원인 : 소량의 침입형 또는 치환형 불순물과 관련이 있다.
전체적인 항복응력은 전위원을 작용시키는 응력과 전위원에서 생긴 전위의 이동을 방해하는 마찰응력의
합으로 표현되며 전위원을 작용시킬 응력이 커진다면 초기항복 응력이 크게된다.
상부항복 응력이후 응력이 강하하는 이유는 마찰응력의 원인이며 전위가 C나 N에 의해 강하게 묶여있어 이동하기
어려워 새로운 전위가 발생해 이동이 원활하기 때문이다.
예)
저탄소강 Ferrite계 stainless의 경우 인장시험에서 상항복점에서 일시적으로 변형된 불연속띠가 시편 중앙부의 응력이
집중된 곳에서 나타난다. 이것은 침입형 원소인 C와 N가 전위의 이동을 방해하기 때문이다.
C 와 N을 완전히 제거하면 항복점이 나타나지 않지만 0.001% 만 첨가되어도 항복점이 나타난다.
문제15). 연성 취성-연성파괴 천이온도란 무엇이며, 이 천이온도에 미치는 재료의 미세구조적 인자들을 설명하시오.
금속재료의 충격치는 온도에 따라 변한다. 강은 고온에서 충격치가 대단히 높으나 100℃ 이하에서 점차 감소하여 -30℃ 이하에서 극히 감소된다. 이와 같이 연성에서 취성에의 천이온도는 좁은범위에서 일어나며 그 온도를 연성천이 라 한다.
천이는 재료의 연성과 인성이 급격히 변화하는 온도 경계이며
체심입방격자에서 나타나고 면심입방격자와 조밀6방격자에서는 별로 나타나지 않는다.
연성천이온도가 실온 근처에 있는 재료는 사용할 때 주의한다.
재료로써 연성천이온도는 낮추는 것이 좋다.
연성취성 온도결정 기준은 충격시험으로 결정하고 3가지 방법으로 결정한다
(1)에너지 : 흡수에너지의 최대값과 최소값의 평균값 또는 흡수에너지 곡선이 온도에 대해
최대 경사를 가지는 온도
(2)파면 : 취성파면율이 50%가 되는 온도
(3)15ft-lb : V notch charpy 시험에서 흡수에너지가 15ft-lb 되는 온도
연성 천이온도 영향을 주는 인자
▶결정입도나 미량의 합금원소 에 의해 변한다
▶결정립이 작을수록 연성천이온도는 낮아진다
▶강중에 C,N,P,Si(침입형 고용체)는 원소는 연성천이온도를 올린다. Mn, Ni 는 낮춘다.
▶Mn는 용접성을 해친다.
▶강의 notch 취성에 대한 저항을 크게하기 위해서는 Mn :C 비 3:1로 한다
▶notch의 예리함, 변형속도, 치수효과, 화학성분, 미시조직 등의 인자를 갖는다.
▶변형속도가 빠르거나 소재형상의 변화가 심하거나 표면에 노치가 있을 경우 천이온도 상승
▶제2상 석출물, 냉간가공도 연성천이온도 상승.
연성-취성 전위온도 : 체심입방구조의 금속은 고온에서 연성을 나타내지만 저온에서는 취성을 띤다
이와 같이 연성에서 취성 또는 그 반대로 변화는 온도를 연성-취성 천이 온도라 한다.
연성-취성 천이온도에 미치는 인자
변형속도, 불순물 제2상 석출물 중성자 조사량 냉간가공량이 증가할수록 1축에서 3축 응력이 될수록
유동응력 곡선은 증가하고 이에 따라 천이온도도 증가한다. 그러나 결정립이 미세할수록 유동력 곡선이
낮은쪽으로 이동하여 천이온도를 감소시킨다.
천이온도를 측정하기 위한 방법으로 충격시험(샤르피)이 이용되며
연성-취성전이 거동을 나타내는 합금 구조물은
전이온도 이상에서 사용하여야 취성파손 및 대형파손을 막을 수 있음.
예 : 대형선박의 취성파괴 : 적절한 연성재료로 제작하였으나 4oC에서 발생하였음.
Al, Cu 합금같이 BCC, HCP합금=전이현상이 나타남.
세라믹재료는 약 1000oC이상 높은 온도에서 전이현상이 발생함.
연성취성 천이온도는 타이타닉 침몰사건의 예를 들수 있다.
금속재료가 얼마나 중요한 영향이 있는가를 사고의 사례를 들면 타이타닉 침몰 사고를 생각할수 있다.
타이타닉을 보면 종합적인 금속재료의 문제점이 도출하였다.
1) 제강공정의 영향
2) 강재중의 성분의 영향.
3) 연성 천이 온도점의 영향.
4) 비금속 개재물의 영향.
타이타닉(Titanic)의 선체(hull)에서 수거한 선체의 일부 강철 조각의 화학적 조성을 분석한 결과 질소의
함유량이 매우 적고(0.0035%) 상대적으로 높은 인(P)의 함유량(0.045%)과 황(S)의 함유량(0.069%)이
나타났습니다. 강중에 함유된 성분이 타이타닉호의 침몰의 원인을 밝혀줄 중요한 단서이다.
우선 질소의 함유량이 매우 적은 것으로 보아 1856년경에 등장한 대량생산법인 전로법의 베세머법(Bessemer Porcess)에의해 제조된 강이 아니고 그당시 영국의 대부분의 제강공장에서 사용되던 평로(open hearth process) 제강법으로 제조되었음을 알 수 있습니다. 전로법은 공기를 산화제로 사용하여 그 발생열로 제강하는 방법으로써 연료가 불필요하여 염가로 대량생산할 수 있는 반면 강중에 질소, 산소, 인등의 불순물 등이 다량 함유되는 단점이 있습니다.
그러나 타이타닉호의 선체는 많은 강철이 들어감에도 불구하고 대량생산법인 베세머법 대신 평로법을 택했던 것입니다. 그당시에는 최고의 방법으로 제강한 철강을 사용했던 것입니다.
평로법은 크게 염기성법과 산성법이 있습니다. 염기성법의 경우 돌로마이트나 마그네시아등의 염기성 내화재를 사용함으로써 제강시 인과 황을 제거할 수 있지만, 타이타닉호의 선체는 인과 황이 제거되지 않은 강을 사용한 것으로 보아 규사를 주성분으로 하는 산성 내화재를 라이닝재료로 선택한 "산성법"을 채택한 평로법임을 알 수 있습니다. 정확하지는 않지만 그당시 염기성 평로법은 일반적이지 않았던 것 같습니다. 영국의 제강회사의 약 2/3가 산성 평로법을 사용했다는 말이 있습니다.
그렇기 때문에 타이타닉의 선체를 이루는 강철은 질소의 함유량은 적은 대신 인과 황의 함유량은 상대적으로 높았던 것입니다.
다음은 밝혀진 사실로 상대적으로 다소 높은 산소의 함유량(0.013%)을 들수 있습니다. 산소의 함유량과 실리콘의 함유량은 다음과 같은 정보를 보여줍니다.
보통 선철중에는 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)등의 불순물등이 함유되어 융점이 낮고 유동성이 좋아 주조성은 우수하지만 가단성이 없어 사용범위가 제한됩니다. 따라서 이러한 불순물을 산화제거 시켜서 가단성을 부여하는 공정이 제강 공정입니다. 제선 과정은 산화철을 "환원"시켜 선철로 환원제련하는 공정인 반면 제강공정은 선철중의 불순물을 "산화"제거시키는 산화정련공정입니다. 이 공정중에 산소가 포함되어 FeO의 형태로 존재하게 되는데 용강중에 존재하는 산소의 양은 Al이나 페로실리콘등의 탈산제를 첨가하여 제거하게 됩니다.
이러한 탈산의 정도에 따라 림드강, 세미킬드강, 킬드강으로 분류합니다. 이중 림드강은 페로망간으로 가볍게 탈산시킨 기포나 편석이 많은 강이며 , 킬드강은 노내에서 강탈산제인 페로실리콘이나 알루미늄을 사용하여 충분히 탈산시키므로 강괴의 기포나 편석은 없는 대신 표면에 헤어크랙이 발생할수 있습니다. 세미킬드강은 중간정도로 탈산시킨 강입니다.
타이타닉의 선체에 남겨진 산소의 양과 실리콘의 양은 어느정도 탈산공정을 거친 강인지를 판단 할 수 있습니다. 분석결과 상대적으로 높은 산소함유량과 적은 실리콘의 함유량으로 세미킬드강임을 알수 있습니다. 또한 탄소의 함유량이 0.21%정도이므로 대체적으로 세미킬드 강괴로부터 제조된 선체임을 알수 있습니다.
자, 이제 정리해 봅시다. 타이타닉의 선체는 산성 평로법으로 제조되고 탈산정도는 중간정도인 세미킬드강입니다. 탈산제로는 페로실리콘을 사용했고 탄소의 �유량은 0.21%입니다. 산성법으로 제조되었으므로 상대적으로 많은 황과 인을 함유하고 있다는 것을 알 수 있습니다.
다소 많은 인(P)과 황(S)이 타이타닉호의 침몰에 어떤 영향을 미쳤을 까요? 이제 파괴의 원인의 핵심이되는 망간(Mn), 인(P), 황(S)에 대하여 고찰해 봅시다.
망간(Mn)의 경우 상대적으로 적게(0.47%)포함되어 있었습니다. 이는 탈산제로 망간을 사용하지 않았다는 것을 알수 있습니다. 보통 강중에는 망간(Mn)이 보통 0.2~0.8%정도 함유되어 있습니다. 망간(Mn)은 연신율을 감소시키지 않고 인장강도를 증가시키는 역할을 하며 황(S)과 결합하여 MnS가 되어 슬래그속에 들어가 제거되므로 황(S)의 해를 방지해 주는 역할을 합니다. 제거되지 않은 잔류 MnS의 경우 선체제조를 위한 소성가공시 가공방향으로 길게 연신되는 성질이 있습니다. 연신된 MnS가 기계적 성질에 좋지 않은 영향을 줄 것이라는 것은 쉽게 예상할 수 있습니다.
인(P)의 경우 대략 0.045%포함되어 있었습니다. 인(P)은 Fe의 일부와 결합하여 Fe3
P를 형성하고 입자의 조대화를 촉진하고 경도, 인장강도를 증가시키는 반면 연신율을 감소시키는 특성이 있습니다. 상온에 있어서 충격치를 저하시키는 상온취성(cold shortness)의 원인이 됩니다. 왜냐하면 인(P)은 편석되기 쉬운 원소로서 Fe3
P로 응고하여 결정입계에 편석합니다. Fe3
P는 확산속도가 늦어서 고온에서 가열해도 확산하기 곤란하여 대상조직(band structure)로 남기때문입니다.
Fe3
P도 소성가공에 의해 길이방향으로 늘어나서 충격치를 감소시키는 역할을 하며 파열의 중심이 됩니다. 보통 인(P)은 주강에서는 0.03%이하로 억제하는 것이 보통입니다.
지금까지 고찰한 Fe3
P와 MnS는 같이 집합하여 강의 파괴의 원인이 되는데 이를 "ghost line"이라 합니다. 타이타닉의 파괴의 원인으로 위의 다량으로 함유된 두원소는 중요한 역할을 했던 것입니다.
이제 가장 중요한 황(S)을 검토해 봅시다. 황(S)의 경우 약 0.069%포함되어 있었습니다. 황(S)은 우선 Mn과 결합하여 MnS를 이루어 슬래그로 제거되나 남는 황의 경우 강중에서 FeS를 만들고 입계에서 망상으로 분포하여 인장강도, 연신율, 충격치를 크게 감소시킵니다.
FeS는 융점이 낮으므로 고온에서 약하고 가공시 파괴의 원인이 되며 고온취성(Hot shortness)의 원인이 되는 원소입니다. 특히 연성피괴에서 취성파괴로 전이되는 천이온도를 인(P)과 함께 높이는 역할을 합니다.
천이온도를 높이는 것은 어떤 문제를 가져왔을까요? 이는 냉장고에서 딱딱하게 얼은 "엿"과 상온의 물렁물렁한 "엿"을 생각하시면 됩니다. 딱딱하게 얼은 "엿"의 경우 조그마한 충격에도 쉽게 깨지지만 물렁한 "엿"은 늘어나면서 충격에너지를 흡수합니다. 이때 딱딱하게 얼은 "엿"을 취성이 크다고 하고 물렁한 "엿"을 연성이 크다고 합니다. 엿의 어는 점이 연성에서 취성으로 전이되는 "천이온도"가 됩니다.
타이타닉호의 선체의 일부조각을 떼어 온도에따라 샤르피 충격실험을 한 결과 연성에서 취성으로의 천이온도(ductile-brittle transition temperature)가 32℃~56℃로 비슷한 화학적 성분을 지닌 ASTM A36시편의 천이온인 -27℃와 비교하여 크게 높았다는 사실을 발견했습니다. 그러므로 파괴되기까지 흡수한 에너지를 비교하면 -2℃에서 ASTM A36의 약 1/10수준이었습니다.
빙하와 충돌시 해수의 수온이 -2℃였으므로 타이타닉호의 선체는 충돌시 에너지를 흡수하기에는 이미 너무 딱딱하게 얼은 "엿"처럼 취성이 너무 컷던 것입니다. 그러므로 조그마한 충격에도 쉽게 쪼개지는 현상이 발생한 것입니다.
또한 타이타닉호의 선체의 일부에 MnS성분이 제거되지 않고 길이방향으로 신장되어 다량으로 남아 있다는 사실이 발견되었습니다. 이는 완전하게 슬래그 제거가 되지 않은 강을 선체의 재료로 사용했다는 이야기인데, 그당시 제강기술은 완벽한 MnS의 제거가 힘들었을지도 모릅니다. 결과적으로 MnS의 경우도 파괴의 핵으로 작용했을 확률이 컷다는 것입니다.
슬래그의 제거가 거의 이루어지지 않았다는 사실은 다음의 사실로도 알수 있습니다.
타이타닉호는 용접 구조물이 아니라 리벳에 의해 체결된 선체를 지니고 있었습니다. 이러한 타이타닉호에는 약 300만개의 리벳이 사용되었다고 합니다. 이들 리벳 중 2개를 수거해 조사한 결과 이 두 개의 리벳에는 슬래그가 다량 함유되어 있는 것으로 들어났습니다. 이러한 슬래그가 혼합된 리벳에 충격이 가해진 경우 충격을 흡수하지 못하고 쉽게 끊어졌을 것으로 생각할 수 있습니다.
아울러 리벳체결에 의한 선체제조는 다음과 같은 문제점을 가지고 있습니다. 리벳을 체결하기 위해 선체에 드릴링에 의한 구멍 가공시, 선체에 발생한 미세크랙(micro crack)과 버(burr)가 완벽하게 제거되지 않아 선체가 빙산과 충돌시 대규모 파괴의 원인(응력집중)으로 작용한 것으로 예측되기도 합니다. 그당시 용접 구조물로 배를 건조하지 않은 사실이 또 하나의 파괴의 원인으로 작용한 것입니다.
자, 이제 타이타닉호의 침몰의 원인이 단순히 빙산과 충돌에 의한 것만은 아님을 아셨을 것입니다. 타이타닉의 침몰의 경우 완벽한 설계기술을 자랑했지만 그당시의 제강기술의 한계와 파괴역학적인 설계개념의 미비로 인하여 발생한 종합적인 재앙이었던 것입니다.
문제16). 연성금속 재료의 응력-변형률 곡선을 그림으로 나타내고, 항복강도, 최대인장강도, 파괴강도를 설명하시오.
그리고 인장 시편의 네킹은 위의 3가지 강도중에서 어떤 경우에 발생하며 그 발생 이유를 설명하시오.()
항복점 인장강도 파단강도 및 연신율 설명 곡선
항복점 : 인장시험에서 외력이 탄성한도를 넘어서 하중을 제거한 후에도 명백한 영구변형이 일어나기 시작하는 점을 항복점이라 한다.
항복강도 : 일반적으로 탄성한계 내에서 응력을 나타내는 용어로 재료에 응력을 가한후 제거하였을때
돌아오는 최대 탄성응력을 말한다.
항복점에 해당하는 하중을 시험편의 평행부로 나눈값
항복점이 뚜럿이 나타나는 금속재료는 연강이며
경강이나 비철 금속재료 고탄소강은 항복점이 나타나지 않을 경우 내력으로 값을 구한다
내력 구하는 방법 : off set 법으로 0.2% 탄성한계의 직선에 평행선을 그려서
시험곡선과 만나는 점의 값을 시험편의 원판면적으로 나눈값
Y1: 상항복점 : 항복이 시작하기 시작하는 점
Y2: 하항복점 :항복구역에서의 최저 응력을 나타내며 항복이 진행중에 거의 일정한 하중을 원단면적으로
나눈값 이다
M :극한강도
최대인장강도 : 시험편이 외력에 의해 파단 될때까지 가해진 최대인장하중을 시험편의 원단면적 으로 나눈값
소성 영역에서 단면적 감소에도 불구하고 응력이 증가하는 이유는 가공경화 때문이다.
파괴강도 : 재료의 파단시 하중을 시편 평행부 초기 단면적으로 나눈값 네크의 응력 상태를 나타내지 못하므로 무의미한
값임.
네킹현상은 최대인장강도에서 나타남
단면적 감소로 인한 응력 지탱 능력이 가공경화로 충분하지 못해 국부적으로 수축하여 네킹 현상이 발생함
네킹부의 변형이 집중되는 불균일 변형이 일어나 지탱 능력이 감소하여 파단점에서 파단된다.
문제20). 응력-변형률 곡선을 자세하게 그림으로 나타내고, 중요한 용어들을 그림상에 나타내어라. (20점)
1)소재에 외력을 가하면 변형이 일어났다가 외력을 제거하면 원래의 상태로 되돌아가는 영역
2)이런 현상이 일어나는 한계응력을 “탄성한계”라 한다 (후크의 밥칙 적용됨)
소성 영역1( ac 구역) 1) RA(수축율)가 증가함도 불구하고 인장강도 증가이유는 가공경화 때문이다
소성영역2 ( cd 구역)
1)c점 : 단면적 감소로 인한 응력 지탱 능력이 가공경화로 충분하지 못해 국부적으로 수축 네킹 현상이 발생함
2) 네킹부의 변형이 집중되는 불균일 변형이 일어나 지탱 능력이 감소하여 d 점에서 파단된다.
문제17). 연성파면과 취성파면의 특징을 설명하고, 생성원인을 기술하시오. (20점)
연성파면 취성 파면의 특징
연성파괴 (Dimple 원인) |
시험편에 하중을 가하면 탄성한도를 지나 소성 변형을 충분히 진행시킨후 단면 수축현상을 일으키며 파단점에서 파단되며 Cup and cone 현상으로 나타난다 이 과정에서 많은 에너지를 흡수함. 균열은 대체적으로 천천히 진행됨. 안정된 균열로 계속 전파되기 위해서는 작용응력의 증가가 요구됨. 파단면의 양상 - 섬유질 모양의 파단면을 형성함. 저탄소강의 연성파면 파단은 금속내의 불순물, 개재물 공극으로부터 시작된다. |
취성파괴 (벽계파면 원인) |
시험편에 하중을 가하면 탄성한도를 지나 소성 변형이 없고 단면의 변화없이 파단되며 파단면은 입자가 거칠고 결정립형태의 조직(texture)이 나타나며 반짝거림. 일부 열처리한 재료는 미세하다 취성파괴는 결정립을 가로질러 파괴가 일어난다. 소성변형이 거의 일어나지 않은 상태에서 파괴되며 흡수에너지의 양은 매우 적음. 불안정한 균열임.(얼음, 돌, 세라믹 등). |
연성파면 진행 순서
연성파괴가 취성파괴에 비하여 유익한 이유
취성파괴는 어떠한 징후 없이 급작스럽게 일어남. 빠르고 연속적으로 균열이 진행됨.
문제 18) 취성파괴의 주요 특징인 강무의 와 벽개혀 그리고 연성파괴의 주요특징인 딤플 조직 생성과정을 설명하시오
딤플조직 생성과정 : 연성파괴
파단부근에서 현저한 늘어남 현상이 생기면서 파괴가 일어나는 경우가 연성파괴라 한다.
파괴기구적으로는 슬립면에서의 활주나 또는 미소공동의 합체(合體)에 의한 것이다. 단, 이와 같은 기구에
의한 것이라 해도 외관적으로는 소성변형을 거의 일으키지 않는 경우도 있는데, 이것은 연성파괴라고 할 수는 없다. 거시적인 전형적 연성파괴형식은 그림과 같이 나타나고 cup and cone 파괴, 전단파괴, 점상(點狀)파괴(끌의 刃先狀파괴)등으로 분류한다. 미소(微小)공동(空洞)의 합체기구에 의한 연성파면에는 미시적인 다수의 웅덩이가 형성되는데 이것을 딤플이라 한다.(그림 2 참조)
딤플은 입내파괴, 입계파괴를 불문하고 나타난다. 그 크기는 point의 핵(核)이 되는 석출물이나 개재물간의 거리에 의해서 결정된다. 딤플의 깊이는 매트릭스 (기지;基地)의 연성에 의존한다. 또, 딤플의 형상은 거시적 파면에 대한 응력의 작용 방식에 의해서 변화된다. v파면에 대한 수직방향의 균일한 인장응력이 작용할 때에는 등측딤플, 전단응력이나 잡아째는(tear)듯한 응력이 작용 할 때에는 신장(伸長)딤플이 형성된다.
큰 딤플의 표면등에 나타난 슬립, 사행(蛇行) 슬립이 늘어난 듯한 리플이라 불리 우는 잔잔한 파상(波狀)모양, 다시 이것이 신장되며 늘어져서 평활화 한 스트레칭 된 것들이 연성파면의 미시적(微視的)인 특징이다. point의 핵(核)이 되는 석출물이나 개재물이 존재하지 않은 순금속의 파면에는 이와 같은 모양이 보인다.
그림 2. 딤플형상
b) 취성파괴
파단면 부근에 소성변형이 거의 일어나지 않는 파괴를 취성파괴라 한다. 취성파괴는 연성파괴에 비해서 파괴에 드는 비용, 에네르기가 현저히 적다. 통상의 상태로는 연성파괴가 되는 재료에서도 저온(低溫), 노치의 존재, 급속한 변형속도등의 조건에서는 취성파괴가 야기된다. 취성파괴의 파면에는 다음과 같은 특징이 있다.
(ⅰ) 광택(光澤)이 있는 결정상(結晶相) 외관을 나타낸다.
(ⅱ) 파단면은 주응력축에 거의 수직으로 된다.
(ⅲ) herring bone pattern이 나타나는 경우가 있다.
전자현미경에 의하면 다음과 같은 미시적인 특징이 관찰된다.
① cleavage facet
결정립의 벽개면이 파면에 나타나는 것으로 벽개 facet 상(上)에는 이하에 나타난 특징이 형성된다.
② 벽개(劈開)단(段) (cleavage step)
벽개파괴에는 통상 서로 평행한 복수의 면으로 발생하고 있는 균열이 확대 진전하여 합체(合體)를 일으키고, facet를 형성한다. 이때 합체부에 생긴 단(段)을 벽개단(劈開段)이라 한다.
③ river pattern
균열의 진전에 따라서 벽개단의 합체가 촉진되어 벽개단의 수가 감소함과 동시에 단(段)의 높이가 증가해 간다. 이 pattern은 마치 하천의 지류(支流)가 합류(合流)에서 본류(本流)를 형성해 가는 양상(樣相)과 유사하기 때문에 river pattern 이라 불리 운다.
그림 3. 劈開段
그림 4. River pattern
④ 벽개혀 (cleavage tongue)
벽개면 위에 돌출된 설상(舌狀)모양을 벽개혀(cleavage tongue)라 한다. 벽개파괴가 국소적으로 벽개면으로부터 벗어나서 생성한 쌍정(雙晶)의 방향에 따라 짧은 거리로 진전 될 때에 형성 된다.
벽개 혀
문제19). 연질 자석과 경질자석의 자화곡선을 그리고 각각 설명하시오(10점)
자성체 : 상자성체 강자성체(Fe, Ni, Co,) 약자성체(Pt, Al) 반자성체(Bi, Au, Pb, Cu)
자기재료 : 자심재료(모터, 트랜스등의 자심용)
자석재료(영구자석용)
특수자기재료 (진동판, 자기녹음용)
연질자성재료-규소강판, 순철, 퍼멀로이등으로 에너지 손실을 최소로 할 필요가 있을때 사용
Bs, Br, Hs, Hc 가 낮은 재료는 연자석으로 분류
경질자성재료-영구자석
Bs, Br, Hs, Hc 가 높은 재료는 이력곡선에 의해 둘려쌓인 곡선이 크다
B = μ.H
강자성 재료의 자화상태를 자장의 강도와 자화의 강도(자기유도값의) 관계로 나타낸 곡선이다
투자율. 자화력은 재료의 화학성분 냉간가공 잔류응력에 영향이 있다.
*시험체에 자화력을 서서히 증가시키면 물체내의 자속은 O.A곡선을 따라 급속히 증가하다가 더 이상
증가하지 않고 A점에 도달한다. 이때 A.O곡선을 처녀곡선이라 한다.
보자력 : 0으로 하는데 필요한 자장의 세기
문제21). 금속재료의 인성(toughness을 평가하는 방법을 기술하시오. (20점)
충격시험은 충격저항,점성강도,측정하는 것으로 재료를 파괴할 때 재료의 인성과 취성을 시험한다.
특징: 동적시험이다, 노치효과가 크다, 하중 속도에 영향을 받는다.
종류 |
Izod |
Charpy |
시편규격 |
||
시편고정 및 충격방향 |
||
적용시편 |
1,2호 |
3,4,5호 |
원리 및 특성 |
시험편 수평으로지지 충격값은 시험편을 전단하는데 에너지를 노치부 원단면적으로나눈값 (외팔보 원리) |
시험편 수직으로 고정 충격값은 시험편 전단까지 흡수한 에너지로 표시한다 (단순보 원리) |
공식 |
I = E [kg-m] |
충격에너지 값(E)(kgf.m)
E = WR(cos β-cos α)[kgf.m]
W = 해머의 중량[kgf], R = 추의 아암길이,
α = 추의 처음각도 β= 파단후의 각도
충격값(U)[kgf.m/cm2]
충격값은 E 값을 절단부의 단면적으로 나눈값이므로
문제). 크리이프 변형 거동과 기구에 관하여 논하라.-6회
고온에서 시간의 경과에 따라서 외력에 비례한 만큼 이상의 변형이 일어나는 현상을 Creep 현상이라 한다.
Creep 곡선의 현상 3단계
1차 Creep : 변형속도가 시간에 따라 감소하는 단계
즉 탄성한계와 소성변형이 합친 단계이다
2차 Creep : 변형속도가 일정하게 진행되는 단계
고온에서 가공경화와 변형된 결정입자의 회복이 번갈아 일어나는 단계
3차 Creep : 변형속도가 점차 증가 되다가 급속히 증가되면서 파단에 이르는 단계
재료 내부 균열이나 국부 수축등의 결함이 증가되는 최후의 단계
미세한 균열이 발생하며 경화작용은 별로 증가되지 않고 연화 작용만 크게 일어난다.
2차 creep 단계에서 변화 3단계 구분
(1) 하중을 제거하였을때 바로 회복하는 변형 :탄성변형
(2) 시간의 경과에 따라서 회복하는 변형 :의탄성변형
(3) 영구히 회복하지 않느 변형 :소성변형
문제24). 탄성거동을 설명하고, 포와송의 비를 정의하라.()
탄성한계 내에서 변형은 세로방향에 연신이 생기면 가로방향에 수축이 생긴다
즉 탄성한계 내에서 가로변형비와 세로변형비는 그재료에 대해서 항상 일정하다
포아손비 V = = ε' : 가로변형비 ε : 세로변형비
금속의 경우 포아손비 = 보통 0.2~0.4
콘크리크 경우 포아손비 = 0.1~0.2
물체에 힘을 가해지은 방식은 인장 압축 외 전단적으로 가해지는 때도 있다
전단적인 힘이 물체에 가해져서 a 만큼 변형하였다고 하면 이때의 응력을 전단응력(τ)
변형량을 전단변형량(r )로 표시한다. 전단병형량은 다음과 같이 표시된다
탄성구역에서는
τ = Gr
G는 강성률이다
탄성율 강성율 포아손비 관계
170. 피로(fatigue) 현상이란 무엇인지 설명하고,피로수명 향상을 위한 재료의 표면처리 방안에 대해 설명하시오.-6회
피로현상 : 정적인 하중으로 일으키는 응력보다 훨씬 낮은응력으로 반복하여 하중을 가하면 결국 재료가
파단되는 현상 상당히 오랜시간사용한 후 이므로 이현상을 疲勞(피로)라 한다
기계부품에 생기는 파괴는 대부분 피로에 의한 것이고
피로파괴는 취성파괴에 기초로 하여 재료에 흠이나 결함에서 발생된 미세균열등이 정파되어 완전히 파단되는데
파단면은 beach mark로 구부된다.
1) 시편형상: 시험되는 부분은 단면작게, 고정부분은 단면을 크게한다
2) 표면 가공도의 영향
* 시험편의 표면에 동굴존재, 부식으로 인한 흠집등은 피로한도 저하
* 기계연마된 표면은 가공경화 및 압축 잔류응력 존재하여 피로한도 높이고
직각방향으로 연마하는 것이 피로한도를 높인다.
4) 응력 집중의 영향:노치나 구멍이 있으면 피로한도 감소한다.
시험편에 노치가 있을 경우 효과
*노치의 뿌리에 응력 집중이 존재하고 3축 응력상태가 생긴다
노치 뿌리로부터 시험편 중심으로 응력경사가 생긴다
노치가 피로강도에 미치는 영향은
노치가 존재하면 시험편은 피로한도가 감소하는데 피로강도 감수계수로 나타낸다.
a: 노치없는 시험편의 피로한도 b: 노치있는 시험편의 피로한도
노치의 형태,재료,부하상태,응력에 의해 피로강도의 값이 달라진다.
5) 표면경화 및 열처리 상태
피로시험에서는 소성 변형은 거이 수반되지 않으므로 표면경화에 영향이 있다.
표면층을 가공하면 피로한도를 높일 수 있다
표면이 경화되면 반복수는 많아진다.
6)시험편의 지름 및 표면상태 :굵은 지름의 시편일수록 피로한도가 저하되는 경향이 있다
7) 시험중단의 영향 : 중단시간이 오래 걸리면 시효경화로 인해 파단까지의 반복횟수를 증가시킨다.
8) 진동수의 영향 : 진동수 크면 피로한도 높다
3. 항복점 강하현상에 대해 설명하시오.
Yield drop(항복점 강하):저탄소강이나 연강의 인장시험곡선에서 유동현상이 일어난다.
탄성변형레 따라 응력이 증가하다가 갑자기 떨어져 일정한 응력에서 파동하다가 다시 증가하는 현상이다.
갑자기 떨어질때 응력을 상부항복점. 일정한 항복정을 하부항복점이라 한다.
일정한 응력에서 일어나는 연신율을 항복점 연신율이라 하고 항복점 연신율에서 일어나는 변형은 불균일하다.
상부항복점은 변형된 연속띠가 시편중앙의 응력집중부에 나타나며 이 띠의 형성과 동시에 응력이 하항복점으로 떨어진다. 이띠는 중앙에서 아래위로 전파하여 항복점 연신이 일어난다 응력 집중점에서 형성하여
인장축과 대각선 방향(45도)로 이루어지는 것이 보통이다.
이 변형은 인장시험시 육안으로 관찰할때는 순간적으로 일어나 항복점을 벗어나면 없어지므로 인장속도를
분단 10mm 정도로 천천히 하고 관찰하면 확인할수 있다.
항복점 연신은 스테인리스강중의 Ferrite 계 강판에서 경도가 Hv 140 이하일때 가끔 발생하고 있으며
STS436L STS409L은 경도값 HV 140 이하이므로 거의 나타난다.
이러한 항복점 연신현상의 이유는 저탄소강일 경우 소량의 침입형 또는 치환형 불순물과 관련이 있다.
침입형 원소인 질소 와 탄소 원소로 인해 전위의 이동을 방해 받기 때문이다.
탄소와 질소를 완전히 제거하면 항복점이 나타나지 않는다. 그러나 0.001% 만 첨가해도 항복점은 나타난다.
문제25). 파괴인성시험으로부터 얻어지는 하중-균열 변위 곡선의 3가지 형태를 도시하여 설명하시오. ()
파괴인성 : 부재에 균열이 발생하였을때 그것을 기점으로 하여 하중을 증가시키지 않아도 균열이 커져서 파괴된다.
균열이 커지는속도가 빠른 것을 인성이 작은재료
균열이 커지는 속도가 느린 것을 인성이 큰재료라 한다.
문제 21). 파괴인성시험의 목적과 시험방법을 서술하시오.
ASTM에서 추천하는 파괴인성 시편의 종류를 나열하고 하중 변위곡선으로부터 유효한 Kic 값을
얻기 위한 절차를 기술하시오.
시험편종류
3점굽힘시험 시험편(3point bending) : ASTM E813, ASTM 1290
소형인장시험(compact tension) ASTM 399
시험목적 : 시험편에 균열을 도입하고 균열주위의 응력과 변형율을 역학적으로 계산해서
균열의 발생과 성장을 예측하여 파괴가 일어날 조건을 구하는 시험방법으로 재료의
취성파괴에 대한 저항을 확인하는 시험법이다.
시험방법 :
1) 3개 이상의 시험편을 사용하여 실험해서 각각의 규정에 따라 시험한다.
2) 하중(P) 나 노치선단부에 부착된 클립게이지의 변위(Va) 와의 관계를 X-Y Recorder 에
자동기록한다
3) 3점굽힘, 소형인장시험(CT) 하중속도는 K= 33~165 MPa.m/mm2 범위내로 규정한다
0.95θ 기울기로 직선을 긋고 P-Va 선도에 교차되는 OA'점에서 0.2% 탄성한계를 벗어난
2% 하중치를 구한다
5) 소형인장시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 구한다.
3점 굽힘시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 구한다.
하중:PQ(kn), B:판두께, S :스팬 W : 판폭, a :균열길이(cm)
7) 응력확대계수 구함
소형인장시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 식. KQ = f ()
3점 굽힘시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 식. KQ = f ()
9) Kic 값 결정한다
시험순서
1) 시험편치수결정
2) 시험편에 피로균열 삽입
3) 노치형상 체크
4) 하중 (PQ) 결정 시험실시
5) 피로균열 선단 체크
7) 응력확대계수 구함
소형인장시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 식. KQ = f ()
3점 굽힘시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 식. KQ = f ()
9) Kic =KQ' Kic 값 결정
10) 이조건이 만복하지 못할때는 시험편 치수를 전체로하여 1.5배로하여 재시험한다
문제 23) 파괴인성으로부터 얻어지는 하중-변위곡선의 3가지 형태를 도시하여 설명하시오
하중과 클립게이지의 변위와의 관계는 그림과 같이 3가지 type의 형으로 크게 나누어진다.
각각에 대하여 초기단계에서 성형역의 구배 (직선 OA의 구배)보다 5% 낮은 구배의 직선 OA'와
P-Vg 선도의 교점에서의 하중치 Ps를 구한다.
응력확대계수 KQ를 계산할 때 사용하는 하중 PQ는 그림과 간이 표시하는 값을 사용한다.
Type 1번은 PQ = Ps 가 된다.
type 2,3 번은 Ps에 이르기 까지 최대하중치가 PQ가 된다.
PQ와 시험편의 최대하중 Pmax 과의 비가 식에 만족할 때 KQ를 얻을 수 있다
응력확대계수 구함
소형인장시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 식. KQ = f ()
3점 굽힘시험에서 하중(PQ)을 이용하여 응력확대계수(KQ) 식. KQ = f ()
Kic에 기록해애할 항목
1) 판두께 (B) 2) 판폭(W)
3) 피로균열 삽입조건
4) 최대응력 확대계수와 균열삽입의 최종단계에서의 반복수
5) 균열삽입단계에서의 최종단계에서의 응력확대계수의 진폭
6) 균열길이(판두께의 중앙, 양측면, 중앙과양측면, 중간의 계 5점의 길이)
7) 습도
8) K 값으로 환산한 하중속도
9) 하중 변위곡선 PQ, Pmax, KQ 값
11) 균열면의 방향 12) 파면의 형태 13) 0.2% 내력 14) Kic 값
kic 시험법
1) 시험장치
(1) 굽힘시험편 : ASTM E813, E1290
(2) 소인장시험편 : ASTM E399
굽힘시험 : 시험편을 지탱하는 로울러간의 마찰을 적게하는 것이 중요함
마찰을 적게하기 위한 방법은 로울러에 용수철 또는 고무밴드로 되어있는 구조로 한다.
인장소형시험 : 핀 구멍은 시험편이 부하되었을때 회전할수 있도록 평탄부에 설치되어야 한다.
부착구의 재료는 항복응력이 1930 Mpa 급(189kg) 말레이징강을 사용한다
(1kg= 0.0980665 Mpa)
(3) 클립게이지 : 개구변위를 측정하는 게이지로 나이프에지에 부착한다
(4) 표준시험법
형상의 3점 굽힘 시험편과 CT 시험편이다
(5) 노치형상
.피로균열 선단에 기계가공한 노치표면의 각도가 30도 이내일 것
.시험편의 판두께 방향의 균열길이 분포가 평균치로서 피로균열선단까지 균열길이 a1, a2, a3, 의 평균치로서
. 피로균열면의 기울기는 노치면에 대하여 수평 수직 방향으로 ± 10 이내일 것
Kic 개념 : 재료의 파괴인성 Kc는 온도 변형속도, 판두께 등의 영향을 받는다.
판두께(B) 또는 α 값( B를 Kc/σy 로 나눈값) 대한 파면의 형태는 3가지로 구분한다.
a형 : 파괴하중 PF 까지 선형하여 PF에서 급격한 불안정파괴된다.
파면도 전단형의 쉬어립(Shear lip) 약간있다
벽계형의 외력에 수직인 파면이며 평면변형파괴가 주로 되어있다.
따라서 이 영역을 Kic 라 한다
b형 : 전단형의 파면비율이 증가하여 파괴인성도 영역 a 에서의 Kic 보다 크게된다.
하중 -COD 곡선에서 절곡점이 생기는데 이유는 판두께의 중앙부에 국부적인 파괴가 일어나기 때문이다.
이 현상을 Pop-in 이라 한다.
c형 : 파괴형식은 대부분 전단형이며 비선형성을 나타낸후 파괴하중 PF에 도달한다.
항복응력이 클수록 평면변형 파괴인성은 저하된다. 즉 소성변형 영역이 클수록 파괴인성은 적용되지 않는다.
균열전단부는 응력 집중에 의한 소성변형을 일으키고 소성영역이 균열부다 작을때 취성균열이 일어난다.
문제 24) 다음 재료중 어떠한 재료가 얼마만큼 더 많은 stress를 받고 있는지 메가파스칼(Mpa)로 환산하여 나타내시오
1) 7640kg 하중을 받고있는 24.6mm x 30.7 mm 알루미늄 각봉
2) 5000kg 하중을 받고있는 12.8mm 강철재료의 환봉
문제 25) 바깥지름이 30mm 안지름(내경) 이 20mm 의 강관에 12000kg의 인장하중이 작용할 때 이 관에서
발생하는 응력은(kg/mm2)는 얼마인가
외경-내경은 =단면적 706-314 = 392
문제50). 오스테나이트 결정입도 측정방법을 기술하고 입도크기가 재질특성에 미치는 영향을 설명하시오. (20점)
결정립 측정의 종류
1) AASTM 결정입도 측정법 n=2(N-1) 2) 제프리스법 2) 헤인법
입도크기가 미치는 영향
Austenite의 결정립의 크기가 상온에서 충격치에 영향을 미치며
상온충격치는 결정립이 클때 저하되고 담금질,뜨임,불림,풀림 열처리 상태에서도
성립되며 오스테나이트 결정립의 크기는 담금질 균열에도 영향을 준다.
결정입도가 조대한 것은 담금질성이 향상되며, 입자가 작을수록 담금질성이 좋다.
문제4). 400배의 광학현미경에서 in2당 28개의 결정립이 관찰되었다. 이 금속의 ASTM 결정립크기 번호를 결정하시오.
ASTM = n = 2(N-1)
(N-1)log2 = logn
100배 = 1배 곱하기 200배 = 4배 300배 = 9배 400 = 16배 곱한다
문제7) 인장시험과는 달리 압축시험에서 원주형 시편에 힘을 가할 때 다이와 시편의 접촉부에는 변경이
거의 없는 원뿔모양의 영역이 생기고 중앙부는 불록해지는 이유와 이를 감소시키는 방법을 설명하시오.
Barreling (배부름현상) 시험기의 압축판과 시험편의 단면늬 접촉면에 마찰에 의해서
시험편이 가로 방향으로 변형하는 것을 억제하므로 접촉면에서 마찰력이 소재의 접촉부위의 유동성을 방해하여
중심부분만 주로 집중 변형(단면적이 증가) 된다.
방지법 : 윤활제를 충분히 발라서 마찰을 적게하든가 초음파로 진동, 또는 가열된 금형을 사용한다.
문제5). 인장시험에서 연신율값(elongation)을 나타낼 때에 항상 시편의 표점거리가 명시되는 이유를 설명하시오.
인장시험편은 KSB0801에 규정되어 있다
시험편은 측정하려는 부분에 응력이 집중되도록 측정부분을 일정하게 절삭하고 이 부분을 연신을 측정하는 기준으로
설정한다. 이것을 표점거리라 한다.
표점거리를 설정하는 이유는 파단한 금속재료의 변형은 시험편 전체에서 균일한 연신을 일으키지 않는다.
네킹현상이 발생하는 오목부에서는 80% 국부 연신이 일어나고 네킹현상이 일어나지 않는 영역에서는 균등한
연신이 일어난다. 따라서 네킹 영역에 근접할수록(표점거리가 작을수록) 연신율은 증가한다.
그러므로 시험시 표점거리를 명시 할 필요가 있다.
문제6) 중탄소강에서 대형단조품(직경500mm 이상)의 UT 탐상감도를 위한 방안을 제강,단조,열처리 측면에서
기술하여라.
직경 600mm의 대형 shaft를 열처리하여 제작후 초음파 비파괴 검사 결과 중심에서 반경1/4 우치까지 환형으로
광범위하게 예리한 결함파가 발생하여 500mm로 수정단조후 열처리한후 비파괴 초음파 검사후 나타나지 않았다
이 결함의 원인과 이 결함 방지책은
제강 : 용융금속이 온도가 낮은 금형면에서 온도가 높은 중심부로 각 결정이 성장해 나아가므로 주상결정입자가 생긴다.
주상결정입자 조직이 생성된 주물에서는 주상 결정입계 부분에 불순물이 집중되어 메짐이 생기고 약한면이
생긴다. 냉각속도가 느리면 주상정이 생성되지 않는다.
직각으로 되어있는 부분은 주상정이 충돌하여 경계가 생기므로 약하게 된다.
주상정과 주상정 사이에 불순물 SiO2 Al2O3, Cr2O3 등이 생긴다.
완전탈산으로 FeO 생성을 감소시킨다( 적열취성의 원인이 된다)
대책 : 주상정 조직을 감소시킨다 (방법)
1). 주형틀의 모서리 부분을 라운딩한다
2). 주형틀의 내벽면을 가열하여 냉각속도를 줄인다
단조 : 주상정 조직을 충분히 파괴시키지 못하여 주상정 조직이 결함의 형태로 나타난다.
따라서 단조비를 증가시켜 파괴되지 않은 주상정 조직을 파괴시켜 미세한 결정립으로 만들어 기계적 성질을
개선한다.
산화나 탈탄되 표면을 연마후 단조한다.
탈탄 상태에서 단조하면 탈탄부위의 미세 균열이 기점이 되어 내부까지 균열이 진행된다.
열처리 : 확산 풀림을 하여 개재물로 존재하는 P, S를 감소시킨다.
문제 10) 기계적 성질에는 전연성이 중요하다 A는 강도가 크나 전연성이 부족하다 B는 전연성이 크나 강도가 부족하다.
1) 어떤 기계의 받침대를 만드는 경우 어떤 재료가 바람직한가
2) 하중이 걸리는 구조물을 만드는 경우 어떤재료가 바람직한가.
기계 받침대로써의 기계적 성질은 진동을 방지하고
하중에 의한 변형으로 기계의 수평중심이 변화지 않도록 하여야 한다.
하중이 걸리는 구조물은 인성이 있어야 한다.
즉 피로강도가 높아야 한다. 인성이 높으면 피로강도도 직선적으로 증가한다.
인성이 없는 재료는 응력이 존재하면 벽계파면으로 순간적으로 파괴되어 대형사고의 원인이 되고
인성이 있는 재료는 응력을 감소시키고 연성파괴로 징후가 나타나면서 천천히 파괴되므로 예상할수 있으므로
대형 사고를 예방할수 있다.
출처: 금속재료학 원문보기 글쓴이: 구신