Transcript 신소재
LOGO 신 소 재 공 학 Dept, of Mechatronics Eng. LOGO 신소재공학 Dept, of Mechatronics Eng. Dept, of Mechatronics Eng. 목 차 제1편 신소재 제1장 신소재 개요 제7장 리퀴드 메탈 제2장 고강도 및 고경도합금 제8장 형상기억합금 제3장 수소 저장 합금 제9장 희토류 합금 제4장 비정질 금속 제 10 장 복합재료 제5장 초탄성 및 초소성 재료 제 11 장 제6장 초내열 합금 제 12 장 폴리머 및 나노 재료 세라믹스 Dept, of Mechatronics Eng. 인간의 역사는 도구의 역사 1 불의 발견 2 소재의 성질을 바꾸는 불 3 소재 개발을 위한 노력 4 재료에 대한 본격적인 탐구 5 Conclusion 새로운 재료, 신소재의 개발 Conclusion 생활의 혁명 Dept, of Mechatronics Eng. 신 소 재(advanced materials) 금속, 무기(無機), 유기 원료 및 이들을 조합한 원료를 새 로운 제조기술로 제조하여 종래에 없던 새로운 성능, 용 도를 가지게 된 소재. 신금속재료 • 형상기억합금, 비정질금속재료, 초전도재료 비금속 무기재료 • 파인세라믹스, 광섬유, 결정화유리 신고분자재료 • 엔지니어링 플라스틱, 고효율성 분자막, 태양광발전 플라스틱전지 복합재료 • 바이오센서, 복합재료, 탄소섬유강화플라스틱, 섬유강화금속 Dept, of Mechatronics Eng. 신소재의 진보 산업혁명 방적 ►와트 증기원동기발명 목제 → 철 증기기관 철강 ►근대제철기술 철 → 강철 전기화학 자동차 ►신 재료 특수강, 알루미늄 레어메탈 증기선, 철도 등 자동차, 항공기 로켓개발 일렉트로닉스 생화학 ►고분자화학 일렉트로닉스 기술 초전도소재, 핵융합 MHD 발전 광 파이버 인공막 Dept, of Mechatronics Eng. 꿈의 신소재 혁명 기초 신재료 연구회 1. 에너지 절약기술 연료전지, 고효율 가스 터빈, 태양전기, 핵융합로 2. 항공·우주 분야 항공기의 기체, 엔진, 우주기기의 재료 3. 의료분야 인공신장, 인공심장 개발 4. 기존 재료 자동차, 가전제품, 오디오, 공해 등에 사용될 신소재 필요 Dept, of Mechatronics Eng. 고강도 합금 형상기억합금(shape memory alloy) 1)형상기억합금의 개요 어떠한 모양을 기억할 수 있는 합금 “고온에서 임의의 형태로 형상을 만들어 형상을 기억시킨 다음 냉각하여, 마르텐사이트 변태온도 이하에서 변형을 시키면 본래의 형상으로 되돌아가지 않지만 모상인 오스테나이트 변태온도 이상으로 가열하면 본래의 형상으로 되돌아가는 것을 말한다.” 2)합금의 종류 Ni-Ti계 형상기억합금 (Nitinol) – 기억효과 뛰어남 Cu-Zn-Al계 형상기억합금(베타-Alloy) – 실용성 우수 Cu-Al-Ni계 형상기억합금 Dept, of Mechatronics Eng. Ni-Ti계 형상기억합금 1963년 미 해군 연구소에서 개발한 대표적 형상기억합금 고가임에도 형상기억효과가 뛰어나 실용화 가능 Ni, Ti의 비율, 다른 원소 등의 미량첨가에 따라 변태온도를 넓은 범위에 걸쳐서 제어 가능 니켈을 다량으로 함유하나 티탄과 거의 같은 화학적 성질 내식성이 양호하나 응력부식 균열의 우려가 있다. 항목 Ni-Ti합금 회복 왜곡 최대 8% 회복응력 최대 50kgf/㎟ 반복수명 105(변형률 0.02) 107(변형률 0.005) 내식성 양호 가공성 좋음 절삭성 나쁨 형상기억처리 용이함 Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억합금의 실용 파라볼라 안테나 1969년 NASA가 행한 파라볼라 안테나 150°에서 조립하여 실온에서(마르텐사이트 상태) 접어 상자에 넣어 달표면에서 안테나를 설치하여 태양빛에 의해 달표면 온도가 200°C 까지 상승 순간적으로 안테나가 원상태(오스테나이트 상태)로 되돌아 간다. Ni50 – Ti50 Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억합금의 실용 형상기억합금으로 밸브를 개폐하는 커피메이커 물이 끓으면 증기노즐을 통하여 증기가 분출되고 이 증기의 열로 인해서 형상기억밸브가 작동하므로 전원스위치를 끊는다 초탄성 효과를 이용한 안경테 인체와의 접촉성이 좋고 외력에 의한 변형이 없다. 물의 온도를 항상 일정하게 유지시켜주는 형상기억온수밸브 Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억합금의 실용 형상기억합금의 큰 회복력을 이용한 치열 교정기 종래의 스테인리스보다 회복력이 크고 장착감도 개선되었다. 형상기억합금을 이용한 온도센서 관에서 이상열이 발생한다면 형상기억합금이 이 온도에서 작동하여 외부에서 쉽게 관찰될 수 있다. 로봇의 관절부위에 사용되어진 형상기억합금 작동소자 Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억합금의 실용 형상기억합금을 이용한 파이프 커플링 파이프 직경보다 작게 만들어진 커플링을 냉각하여 직경을 넓힌 후 파이프에 채결하면 수축하여 조인다. 현재 F-14전투기에 사용되고 있다. 의료용으로 사용된 형상기억합금 끝이 모아진 상태로 치아에 삽입한 후 체온에 의해서 원래의 형상인 벌어진 형상으로 되돌아 가며 치아를 고정한다. 형상기억합금을 이용한 휴대폰 안테나 이 안테나에 사용되는 것은 초탄성 효과 재료에 큰 변형을 가하여도 원상태로 되돌아간다. Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억 합금의 기억 이유 γFe 면심입방격자에서 αFe 체심입방격자 격자 변태와 martensite변태 Austenite 변태 가열 쌍정mantensite 변형mantensite 변형 Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억장치의 응력변형곡선 마르텐사이트로 변태시키고 응력을 가하여 (2)의 상태가 되도록 변형시킨다. 그 후 응력을 제거하면 탄성변형만큼을 회복할 것이다(3). 이를 가열하면 다시 모상(1)의 상태로 되돌아 가면서 형상기억특성을 나타낸다. Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억 합금의 제조방법 Ni-Ti 형상기억합금: Ni55%-Ti45%의 중량비를 원자비 1:1 혼합 금속화합물 Ti-Ni합금의 마르텐사이트 변태온도는 합금의 성분조성, 열처리, 가공방법 등 많은 요인에 의해서 결정되는데 합금 조성이 가장 지배적. Ti-Ni 2원 합금 변태온도(Ms) 330-220K에 제약 - 제3의 원소 Nb, V, Cr, Mn, Co 등의 원소를 첨가 변태온도 저하 Hf, Zr, Pd, Pt 등은 변태온도를 상승시키는 요인 Ti-Ni-Hf의 형상기억합금은 Ms가 470K로 고온용 형상기억합금으로 주목받고 있다. 용해 열간, 냉간가공 형상기억처리 Dept, of Mechatronics Eng. 용 해 Ti, Ni합금의 용해에서 가장 포인트는 용해된 합금의 반응이다. Ti은 용해되면 매우 활성이고 산화되기가 쉽기 때문에 용해작업은 진공중이나 아르곤 분위기에서 실시한다. 고주파유도 용해법이 가장 일반적이며 전자빔 용해, 아르곤 아크 용해, 플라즈마 아크용해등이 사용된다. 고주파 유도용해의 장점은 잉고트에서 화학조성이 균일하다는 것이며, 도가니는 graphite나 calcia(CaO)를 사용하며 알루미나나 마그네시아는 도가니 내부에 oxygen을 함유하므로 적당하지 않다. 흑연도가니의 경우 탄소에 의한 오염은 용해온도가 상대적으로 낮으므로 무시될 수 있다. Dept, of Mechatronics Eng. 열간, 냉간가공 Ti-Ni합금에서의 인장특성을 살펴보면 300℃이하에서는 온도의 상승에 따라서 인장강도는 증가하지만 400℃를 초과하면 인장강도는 급격히 떨어지고 연신율은 증가한다. 800℃보다 고온측에서는 100%를 초과하는 연신이 나타난다. 따라서 Ti-Ni합금의 열간 가공은 충분히 가능하지만 온도가 높을수록 산화스케일도 증가하므로 주의한다. 냉간가공의 경우는 가공경화의 영향이 크므로 작업이 용이하지 않다. 가공경화를 줄이기 위해서 가공률과 중간 소둔공정을 적절히 해야한다. 또한 Ni의 양이 51%를 초과하면 가공이 곤란하다. Dept, of Mechatronics Eng. 형상기억처리 중온처리, 저온처리, 시효처리 중온처리 : 만들어진 스프링을 지그에 묶어 400-500℃로 가열하는 것으로 제품크기에 따라 약 10-100분 범위이다. 저온처리 : 처음에 합금을 500℃이상의 고온에서 가열하여 합금내의 조직은 균일화하고 이것을 성형한 후 200-300℃에서 기억처리하는 방법이다. 합금을 완전히 소둔한 후에 성형함으로 성형가공이 용이하고 복잡한 형상을 기억시킬 때에 편리한데 형상회복특성은 중온처리한 합금보다 떨어진다. 시효처리 : Ni-rich합금에서 용체화처리 후에 400℃전후에서 수시간 시효처리 함으로서 Ti3Ni4 석출물을 형성시켜 형상기억특성을 갖게 하는 것이다. Dept, of Mechatronics Eng. 수소저장합금(Hydrogen storage Alloys) 미래의 2차 에너지원으로서 수소가 주목 받는 이유 1. 풍부한 자원인 물과 태양열에 의해 1차원 에너지를 사용하여 제조가 가능하다 2. 연소시에 환경오염이 극치 적다. 3. 물을 원료로 하여 수소를 제조하고 연소하여 물로 순환이 빠르고 지구상의 물질 순환 구조를 어지럽히지 않는다. 4. 저장이 용이하다. 5. 연료전지와 같이 직접발전이 가능하며 우수한 출력효율을 얻을 수 있다. 6. 에너지 변환 기능을 갖고 있어 용도가 다양하다. Dept, of Mechatronics Eng. 수소저장합금의 종류 수소화물 ▶ 알카리계: Li, Na, K, Rb, Cs등 염유사 수소화물 ▶ 알카리토류계: Mg, Ca, Be ▶ 희토류계: (La, Mm), Ti, Zr, V 및 Nb등 기조는 수소와 결합력이 큰 성분금속 A와 상대적으로 낮은 성분금속 B의 금속간 화합물이 주류를 이룬다. ① AB5(CaCu5-type): LaNi5, LaNi4.7, Al0.3, MmNi5, MmNi4.5 Mn0.5, CaNi5 ② AB2(Lavesphase): Ti1.2Mn1.8, TiCr1.8, Zrmn2, ZrV2 ③ AB(CsCl-type): TiFe, TiFe0.8Mn0.2 ④ A2B(Mg2Ni-type): Mg2Ni, Mg2Cu Dept, of Mechatronics Eng. 수소저장 합금의 특성 및 조건 1. 활성화가 쉽고 수소저장량이 많을 것 2. 수소의 흡수 방출 속도가 클 것 3. 수소저장 합금의 유효 열전도도가 클 것 4. 생성열이 수소저장 시에는 작고 열저장 시에는 클 것 5. 평형 수소압 차이가 작을 것 6. 넓은 조성 범위에서 일정한 평형압을 가지며 수소 저장시 실온 부근에서 해리압이 2-3기압일 것 7. 수소 방출시 흡수시에도 합금의 미분화가 잘 되지 않고 성능이 감소되지 않을 것 8. 불순물(O2, H20)에 대하여 안전성이 클 것 9. 합금의 구입이 쉽고 가격이 저렴할 것 Dept, of Mechatronics Eng. 수소저장 합금의 제조 분말야금법 용융법 진공, 불활성 분위기에서 • 고주파용해 • 아크 용해 • 전자빔 용해 미세분쇄 균질화처리 위해 열처리 후 용기에 충전시킬때 미세하게 분쇄한다. 열전도성 개선 박막화 비정질화 마이크로캡슐화 Dept, of Mechatronics Eng. 저장합금의 응용분야 1. 수소의 저장 및 운송에 필요한 봄베로 이용 2. 자동차 연료원 3. 열·화학에너지 변환용 4. 축열시스템 5. 히트 펌프 6. 열-기계에너지 변환용 7. 공압 액츄에이터(간호용리프트, 로봇의 액츄에이터) 8. 케미컬 엔진 9. 수소의 정제 분리용 10. 고순도 수소가스의 정제 11. 수소 동체의 분리 12. 연료전지, 촉매작용, 수소화물센서 Dept, of Mechatronics Eng. 저장합금의 응용분야 마쯔다 자동차회사 : 니켈 수화물을 이용 수소저장합금을 사용하여 수소연료 자동차 연구가 진행되고 있다. 미국의(Energy Conversion Devices of Troy) 니켈 수소화물 전지 기술을 이용 연료전지용 수소를 저장하는 기술을 개발. 전기자동차, 하이브리드 자동차의 전지 Ni-MH전지 Ni-Cd전지 : Cd극을 수소저장합금으로 대체 -극에 저장합금 M, +수산화니켈(Ni(OH)2/NiOOH) 분리막으로 Ni-Cd전진 내알카리성 나이론부직포 폴리프로필렌 부직포, 폴리아미드 부직포 등 전해액 : 이온 전도성이 최대 5-8M KOH수용액 Dept, of Mechatronics Eng. 비정질합금의 제조 금속의 용융상태에서 1010℃/sec 이상의 초고속으로 냉각되면 모든 금속 및 합금은 비정질화 될 수 있으나 실제로 최대 105~106 ℃/sec 정도의 냉각속도 밖에 얻지 못한다. Dept, of Mechatronics Eng. 비정질 금속(Amorphous metal) • 물질이 녹아 있는 액체 상태의 경우 결정구조가 깨지게 되는 비정질 데 결정화는 액체상태에서 고체상태가 되면서 원자들의 확 산 및 재배열의 핵성장 과정에 의해 형성됨 • 결정에서는 원자의 배열이 규칙적으로 되어 있으나, 비결정 질에서 그와 같은 규칙성이 거의 인정되지 않는 고체물질 • 1960년대 초 개발 비정질 금 속 – 합금조성 TM-X(TM:천이금속, Fe, Co 등) – 금속·금속계(귀금속, Au, Pb) – 금속·metalloid계(X: 유리질 비금속원소 (15~30% 함유) B, Si, C, P 공정점 부근의 조성) • 1980년대 - Cu-Zr, Ni-Zr, Cu-Ti등의 금속계보다 금속·비금속 합 금연구가 많다. Dept, of Mechatronics Eng. 비정질 합금의 제조 방법 1. 기체 상태에서 직접 고체상태로 초급냉시키는 방법 2. 화학적으로 기체상태를 고체상태로 침적시키는 방법 3. 레이저를 이용한 급냉방법 융액에서 결정핵 형성을 일으키는 것보다 빠르고 또 핵이 생성된다 할지라도 그것이 성장할 시간을 주지 않고 융체를 냉각시 유리전이점까지 냉각시키면 비정질을 얻을 수 있다. 확산과 재배열에는 어느 정도의 시간이 요구됨 제조의 한계 : 표면은 급냉이 가능하지만 내부의 경우는 결정화 진행 제조한계 : 가는 선, 분말, 얇은 판등의 제조만 가능 Dept, of Mechatronics Eng. 급냉법에 의한 비정질 합금 조건 융점으로부터 유리전이점까지의 온도영역을 임계온도 냉각 속도 이상으로 빠르게 통과한다. 상온에서 방치하여도 결정화 되지 않는 안정한 구조를 갖는다. 융액을 매우 빠르게 냉각하면 확산의 진행이 대부분 이루어지지 않은채로 급속히 과냉되어 결정핵을 생성하지 않고 유리온도까지 내려가서 비정질화 한다. Dept, of Mechatronics Eng. 비정질 합금의 특성 및 구조 특 성 1. 고강도, 인성을 겸비한 기계적 특성이 우수하다. 높은 내식성, 전기저항성, 고투자율성, 초전도성이 있고 브레이징 접합성이 우수하다. 2. 실용면 : 고분자재료, 콘크리트 등의 보강재, 타이어 코어 응용 3. Cr 과 P을 함유한 stainless계 비정질재료는 기존 재료보다 내식성이 우수하여 면도날 제조에 적용한다. 구 조 1. 이방성이나 특정한 Slip면이 없다. 2. 쌍정, 입계 적층결함 등의 결정결함이 없다. 3. 단순한 원자구조를 갖고 금속결함 특유의 성질을 나타낸다. 4. 경도와 강도가 일반금속보다 훨씬 높다. Dept, of Mechatronics Eng. 비정질 합금의 용도 및 성질 용 도 1. 리본 폭이 50mm이내이나 폭을 넓혀 제조할 수 있다. 2. 고주파 및 저주파 철심재, 자기헤드재, 자기차폐 재료 3. 연자성 합금 Fe-Si-B, Fe-Ni-B, Fe-Co-B *Ni은 연성증가, * Cr은 내식성 증가, *Mo은 강도 증가와 전기저항성 향상 *Co는 포화자속 증가, *C는 히스테리시스 루프 형태를 사각형태로 *P는 합금을 분열시키는 경향이 있다. 4. 비정질 합금막의 핵연료 처리용 방식재료, 골프클럽의 샤프트 등 그 이용 개발 범위가 확대되고 있다. 기계적 성질 : 인장강도 • Fe합금 : 400㎏/㎟ • Ni합금 : 270 ㎏/㎟ • Co합금 : 300 ㎏/㎟ • 경도 : Hv300-1,000이다. Dept, of Mechatronics Eng. 초탄성 및 초소성 재료 초탄성 및 초소성 1. 초탄성 : 특정한 모양의 것을 인장하여 탄성한도를 넘어서 소성변형시킨 경우에도 하중을 제거하면 원상태로 돌아가는 현상 2. 초소성 : 금속재료가 유리질처럼 늘어나는 특수한 현상 Ti-Al계 초소성 합금 일정온도 영역과 변형속도의 영역에서만 나타나는 300~500%이상의 연성을 갖고 초소성 영역에서는 강도가 낮고 연성은 매우 크다. 이 용 • 작은 힘으로도 복잡한 형상을 쉽게 성형 가공이 가능하며 온도 저하되면 강도 등의 기계적 성질이 우수해져 실용할 수 있게 된다. • 재질은 결정입자가 극히 미세하여 외력을 받았을 때 쉽게 slip변형이 일어난다. Dept, of Mechatronics Eng. 초탄성 및 초소성 재료 성형기술 초탄성 및 초소성 1. Blow forming : 가스 성형으로 15~300psi압력으로 양각, 음각에 금형 필요 없이 자유성형. 2. Gatoriging 단조법 : 껌을 오목한 곳에 밀어 넣어 양각하는 방법. 터빈디스크제조 3. SPF/DB(Super plastic Forming/Diffusion Bonding) : 항공기 구조재를 제조하기 위해 사용된다. 초소성과 확산 접합을 동시에 사용가능. Dept, of Mechatronics Eng. 초내열 합금(Super Heat Resisting Alloy) 정 의 고온에서 산화 및 부식에 잘 견디고 Creep 및 열피로 현상이 발생하지 않는 재료로 <입자분산 강화합금, 결정제어 합금>을 합쳐 초내열합금이라한다. 초내열합금의 간단한 분류 대략의 사용온도범위 저합금내열강 내열강 500 ℃ 페라이트계내열강 오스테나이트계내열강 700 ℃ 내열금속재료 700 ℃ 철기(철-Ni기)초내열합금 초내열합금 Co기 초내열합금 Ni기 초내열합금 좁은 의미에서의 초내열합금 분산강화합금 공정일방향응고합금 Mo기합금, Cr기합금, W기합금 1100 ℃ Dept, of Mechatronics Eng. 초내열 합금에 필요한 성질 Dept, of Mechatronics Eng. 초내열 합금의 조성(중량 %) Dept, of Mechatronics Eng. 초내열 합금의 사용온도 137.3MPa에서 1000h의 수명을 갖는 온도 Dept, of Mechatronics Eng. 초내열 합금의 제조 및 용도 제 조 소성가공이 어렵기 때문에 주조법을 사용한다. 제트엔진이나 터빈의 화력발전소의 터빈에서의 운전온도는 더욱 높아지고 있으며 Ni기 초합금보다 우수한 복합재료 개발을 더 서두르고 있다. Nb/Nb – Silicide 복합재료를 구조용 내열재료로 사용하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 기지금속(Base metal)은 약 2000℃상회하는 고융점점을 가지며 대표적인 것은 Nb, Mo, Ta, W, Fe, Al이 있다. 용 도 1. 고온 강도와 내산화성에서 우수한 내열재료로 미국에서 80%가 제트엔진용 부품으로 소비되고 있다. 2. 증기터빈, 자동차용, 선박용 엔진의 배기 밸브 3. 우주선, 석유화학 플렌트, 원자로에서 사용 4. NASA(미항공우주국) 엔진 시험에서 닭을 초속 500m 에서 팬에 충돌시켜 팬이 부러지지 않는 실험이 의무화 됨. Dept, of Mechatronics Eng. Liquid metal “21세기 꿈의 신소재” 1. 특 징 리퀴드 메탈은 Ti보다 3배의 강도를 나타내고 부식이 전혀 없고 플라스틱과 유사해 공정이 쉽다. 2. 제 조 Zr을 주원료로 하며 철보다 가볍지만 강도가 3배 이상 강하고 생산원가는 철의 33%수준 3. 용 도 열화우라늄탄 대체. 우주항공분야의 Ti 소재대체 인공관절, 인공뼈, 치아이식 및 의료기구, 휴대폰, MP3등 전자제품의 외장재료, 스키, 스케이트, 부식방지용 해양산업 및 화학 산업에 이용. 4. 특 성 1) 항복강도가 크다. 2) 경도가 크다. 3) 탄성 한계가 크다 4) 강도/무게비가 우수하다(비강도) 5) 내마모성이 크다. 6) 부식에 대한 저항성이 크다 7) 독특한 음향성질이 있다. Dept, of Mechatronics Eng. 고강도 합금 •고비강도 = 강도σ 비중ρ 초강력강 티타늄 합금 단위 중량에 대한 강도가 큰 재료 강하고 경한 재료 ① 항공기나 로켓 고속비상체 ② 우라늄 농축용 원심분리기 고강도 합금 알루미늄 합금 구조용 재 료 금속간 화합물 고강도 얻는 방법 ① 고용강화 ② 입계강화 ③ 석출강화 ④ 가공강화 Dept, of Mechatronics Eng. 고강도 합금 •고비강도 = 강도σ 비중ρ 초강력강 티타늄 합금 단위 중량에 대한 강도가 큰 재료 강하고 경한 재료 ① 항공기나 로켓 고속비상체 ② 우라늄 농축용 원심분리기 고강도 합금 알루미늄 합금 구조용 재 료 금속간 화합물 고강도 얻는 방법 ① 고용강화 ② 입계강화 ③ 석출강화 ④ 가공강화 Dept, of Mechatronics Eng. 고강도 합금 •고비강도 = 강도σ 비중ρ 초강력강 티타늄 합금 단위 중량에 대한 강도가 큰 재료 강하고 경한 재료 ① 항공기나 로켓 고속비상체 ② 우라늄 농축용 원심분리기 고강도 합금 알루미늄 합금 구조용 재 료 금속간 화합물 고강도 얻는 방법 ① 고용강화 ② 입계강화 ③ 석출강화 ④ 가공강화 Dept, of Mechatronics Eng. 고강도 합금 초강력강 ① 합금원소를 조합해서 강화한강 ② 진공중에 용해 불순물 함량을 낮추는 방법 ③ 담금질에 의해 조직을 제어한 강이 있다. ① Ni-Cr-Mo계강 : 1000~2100MPa 항공기 이착륙에 사용 ② 마르에징강 : Ni, Co, Mo, Ti첨가 martensite에서 금속간 화합물을 석출시킨강 2400MPa ③ 미국 INCO사 : 13Ni-15Co-10Mo강 2750MPa 환경 친화와 용접성을 개선한 강 ④ 결정립을 미세화하여 극한강도인 4300MPa달성 사례 ⑤ 티타늄합금 : 가볍고 내식성이 우수하여 주로 항공재료로 사용 Ti-6Al-4V합금 : 만능형합금 75%사용 ⑥ Al합금 : 듀랄루민 , 민간항공기에 사용 2000(Al-Cu-Mg), 7000(Al-Zn-Mg)-시효경화합금 Dept, of Mechatronics Eng. 고강도 합금 초강력강 ① 합금원소를 조합해서 강화한강 ② 진공중에 용해 불순물 함량을 낮추는 방법 ③ 담금질에 의해 조직을 제어한 강이 있다. ① Ni-Cr-Mo계강 : 1000~2100MPa 항공기 이착륙에 사용 ② 마르에징강 : Ni, Co, Mo, Ti첨가 martensite에서 금속간 화합물을 석출시킨강 2400MPa ③ 미국 INCO사 : 13Ni-15Co-10Mo강 2750MPa 환경 친화와 용접성을 개선한 강 ④ 결정립을 미세화하여 극한강도인 4300MPa달성 사례 ⑤ 티타늄합금 : 가볍고 내식성이 우수하여 주로 항공재료로 사용 Ti-6Al-4V합금 : 만능형합금 75%사용 ⑥ Al합금 : 듀랄루민 , 민간항공기에 사용 2000(Al-Cu-Mg), 7000(Al-Zn-Mg)-시효경화합금 Dept, of Mechatronics Eng. 희토류 합금 희토류 재료 초전도재료, 자성재료, 반도체 재료, 뉴세라믹스 재료로 사용된다.(주기율표 제3A족인 스칸듐 Se.이트륨 Y 및 원자번호 57에서 71인 란탄계열의15원소를 합친 17원소의 총칭) 불완전하게 충진되어 있는 4f궤도에 연유하는 전자특성 때문에 각종 소재의 첨가원소로서 뿐만 아니라 특이한 물성과 기능적 성질을 나타내므로 자성재료, 광학재료, 전자재료 등 첨단 산업용 재료로 쓰이고 있다. 세라믹 Fine ceramics 시장은 1983년 약3,000억원 2010년 20조원으로 추정함. PZT : Lead Zirconate Titanate (pb(Zr, Ti)O3) 압전, 초전도성 세라믹(점화기, 텔레비젼수상기, 트렌시버) Dept, of Mechatronics Eng. 무기계 신소재 파인 세라믹스 (fine ceramics) 정의 : 고도로 정제된 천연 원료 또는 인공 합성원료를 소결시켜 특수기능을 갖도록 제조된 무기재료 일본 Fine ceramics 미국,유럽 New ceramics Advanced ceramics Dept, of Mechatronics Eng. 파인 세라믹스 • 산화물 Ceramics(Al2O3계) : -높은 절연성(전기전자부품) 화학조성분류 -내식성, 내마모성, 높은강도(기계재료) • 비산화물 Ceramics(ZrO2 지르코니아) : -강도, 인성(산업용 절단기사용) • 내열, 전열성, 열적 기능성재료, 내마모성, 기능성 연마성, (기계적성질) • 절연성, 도전성(전기전자 재료) • 경량, 고경도, 내열성, 내식성, 불연성의 장 특 성 점(충격에 약한 단점) • 특성을 고려한 설계 및 신가공, 신제조법에 의해 첨단기능을 부여할 수 있는 소재이다. Dept, of Mechatronics Eng. 파인 세라믹스 압전성 힘을 가하면 전압이 발생하고 반대로 전압을 가하면 힘이 발생하는 현상을 말한다. (수정, 전기석, 호셀염 등의 단결정에서 발견되어 강유전체인 티탄산바륨의 발견으로 세라믹 압전체 실현) 절연성 세라믹은 전기 절연성이 우수하고 고주파에서 유전 소실이 적어 각종 절연재료로 사용된다. 예) Steatite, Forsterite, MgO, Al2O3, BeO, AIN 최근 질화 Al과 탄화규소에 미소량의 산화베릴륨을 첨가해 소결함으로 열전도성이 매우 높고 전기절연성도 큰 세라믹스가 개발되었다. Dept, of Mechatronics Eng. 파인 세라믹스 유전성 절연체는 전계에서 분극을 일으키는데 이런 의미에서 유전체라 한다. 이용 : 세라믹 콘덴서-산화티탄, 티탄산마그네슘, 티탄산칼슘, TiO2를 함유한것. 반도성 금속과 절연체와의 중간적인 전기 전도도를 갖는 성질 , 저온에서 절연체이지만 온도가 올라가면 전기전도도가 올라가는 특성이 있다. Thermistor(서미스터) : Thermal Sensitive Resistor의 약칭 - NTC:(부의 온도계수) : 온도 상승으로 전기저항감소 온도보상, 온도센서로 이용 - PTC(정의온도계수) : 큐리온도에서 전기 저항 증가 -70℃ → 140℃ 변화 발열소자 (큐리온도 : 강자성체가 자화를 소실하는 온도) PTC- 헤어드라이어, 온풍난방기, 의류건조기, 침구 건조기, 열풍발생장치, 식기건조기, 가전 제품에 사용. Dept, of Mechatronics Eng. 파인 세라믹스 자 성 Ceramics자성재료 Ferrite : 철화합물의 소결체 ① Hard Ferrite, Magnetoplumbite형 : 단자구조를 갖고 보자력을 증대시킨 것. ② Soft Ferrite, 스핀넬형, 가네트형 : 자속통로로 이용, 고주파 자심으로 이용 Mn, Ni Ferrite 와 비자성 Zn Ferrite 고용체 구조용 재료 세라믹스 금속대체의 기능성을 높이고 있다. 알루미나, 질화규소계 절삭공구 : 고온강도, 고경도, 내마모성이 우수하다 고속절삭성이 우수하여 생산성을 높인다. Dept, of Mechatronics Eng. 파인 세라믹스 종 류 1) PRR : 입자분산강화고무( particle reinforced rubber) 4) FRM : 섬유강화금속(fiber reinforced metal) 2) FRR : 섬유강화고무(fiber reinforced rubber) 5) PRM : 입자분산강화금속(particle reinforced metal) 3) FRP : 섬유강화플라스틱(fiber reinforced plastic) 6) FRC : 섬유강화세라믹(fiber reinforced ceramics) FRM의 주조공정개요 금속 매트릭스 섬유의개섬 정렬화 섬 유 단섬유 다우언 단섬유 (휘스커 등) 섬유의 코딩 CVD PVD 전착 등 프리휨 제조 그린테이프 침사테이프 슬라리 스프레이테이프 PVD테이프 침투와이어 프리휨 배향·적측 복합화 성형 핫프레스 롤성형 HIP 가압주조 Dept, of Mechatronics Eng. 섬유강화 복합 재료 FRM : Fiber Reinforced Metals 휘스커(whisker: 전위 등의 결함이 없는 재료)를 Al, Ti, Mg 등의 연성과 인성이 높은 금속이나 1) 고온의 역학 특성 및 열적 안전성이 뛰어나다. 합금중에 균일하게 배열시켜 복합화한 재료. 2) 열 전자기 특성 및 내환경성이 뛰어나다. 재료는 강하고 , 탄성율이 높은 섬유재로서 3) 층간 강도가 크고, 섬유축과 직각방향의 강도가크다. 기재금속을 강화시킨 재료이므로 고강도, 4) 2차 성형성, 접합성을 갖는다. 특성 고탄성인 재료로 되며 금속보다 비탄성이 극히 높은 재료가 얻어진다. FRM제작 고상법 : 1. 핫 프레스법 3. 분말야금법 2. 핫롤법 4. 고온인발, 압출법 액상법 : 1. 침투법 3. 진공주조법 2. 가압주조법 4. 다이캐스팅법 5. 콤포 캐스팅법 Dept, of Mechatronics Eng. 섬유강화 복합 재료 탄소섬유 강화 보론 실리케이트 유리의 굽힘강도에 미치는 열간가압 온도의 영향 Dept, of Mechatronics Eng. 섬유강화 복합 재료 화학증착 침투법의 개략도 용창침투법의 개략도 Dept, of Mechatronics Eng. 입자분산형 복합 재료 분산강화복합재료 입자강화복합재료 비금속입자 (비금속메트릭스) 비금속입자 (비금속메트릭스) • Dispersion reinforced composite materials • 입경 0.1~0.01μ 미세한것 • Particle reinforced composite materials • 입경 1~50μ (입자직경크기) • Matrix + 무기재료 or 유기재료 예) 시멘트와 물, 모래, 자갈 • Matrix가 유기재료인경우 예)레진몰타르, 레진 콘크리트, 모래, 자갈, 수지 • 에폭시 + 동(Cu), 은(Ag) 분산 시켜 열, 전기의 전도 성을 양호 하게 • Al분말 + 폴리우레탄중에 분산. 로켓의 추진제 Dept, of Mechatronics Eng. 금속기지 복합 재료 특징 및 용도 고강도, 고탄성의 세라믹 강화상을 금속기지재에 강화한 재료로 기존의 재료에 비해 비탄성, 비강도, 내열성 그리고 내마모성이 뛰어나다. 항공, 우주, 방위산업, 자동차등의 경량구조재료 및 기능재료 활용 • MMC : metal matrix composite 금속입자 (금속메트릭스) • 분산상의 성질에 따라 매트릭스 입자보다 경(硬)한 경우와 연(軟)한경우 • W, Cr, Mo에 메트릭스 내열성이 좋다. • Pb, Cu합금 + Fe를 분산→ 효과는 기계 가공성 우수 Dept, of Mechatronics Eng. 비금속입자-금속메트릭스(CMC) 종류 및 용도 금속 메트릭스와 복합시 고온하에서 성형 시키므로 분산상의 ceramics재료가 이용. 분상상→산화물, 탄화물 WC(텅크스챈카바이드)+Co를 메트릭스로→고경도 인선다이스, 밸브에 이용 CrC(크롬카바이드) 내식성, 내마모성이 양호, 철과같은 팽창계수로 밸브 재료에 적절 TiC(티탄카바이드) 내열성양호 , 터빈재료로 이용 질화물계 : TiN-Cr계 붕화물계 : ZrB2, CrB, TiB2 규화물계 : MoSi2, CrSi2 제 조 응 용 열간압입(가압법) : 절단공구재료로서, 탄화규소, 휘스커 강화알루미나 복합내료 개발로 열기관, 전기, 전자분야의 응용, 방위산업에 이용. 복잡한 현상제조에 제조단가가 높다. 적당한 부피분율의 섬유를 함유한 세라믹 기지에는 소결이 어렵다.(문제점) Dept, of Mechatronics Eng. 비금속입자-금속메트릭스(CMC) CMC 제 조 용융침투법 : In situ 화학반응, 졸·겔법, 폴리머열분해 공유ceramics는 1400℃의 낮은 온도에서 폴리머 프리커서의 열분해에 의하여 제조되며 CVD법에 비해 많은 생산을 할 수 있다. 기지재에 충분한 밀도를 부여하기 위해 재합침이 요구된다. 예)Fitzer와 Gadow등은 유기규소/sic 복합재료 제조방법 ① 약간의 결합재와 가공을 함유한 섬유상의 예비성형체 준비 ② 오토클레이브(Autoclave)에 장입 ③ 고온, 고압 하에서 폴리카보닐란을 이용하여 증합시킴 ④ 합침된 시료의 고정 ⑤ 500~1300K의 불확성 분위기(autoclave)에서 유기규소 폴리머 기지재의 열적분해 ⑥ 2~5단계를 반복하여 고밀도화 ⑦ 1300~1500K에서 annealing시켜 결정화 한다. Dept, of Mechatronics Eng. 나노 재료 나노란? (NT : Nano Technelogy) 제조와 변형에 있어서 원자와 분자에 기초한 산업혁명을 의미한다. (10억분의 1m인 나노미터 nm) NT: 물질을 원자나 분자 수준에서 분석, 조작하는 기술을 총칭 원자와 분자를 이용 새로운 물질을 합성해 만들어 냄 1) 원자핵 주변의 전자 한, 두개를 움직여 작동하는 소자 2) 몇 개의 암세포도 검출할 수 있는 초고감도 센서 3) 우리 몸속을 탐사하는 초미세 로봇 4) 철강보다 5분의 1이나 가볍지만 10배이상 강한 신소재 미래발전 : 나노로봇, 나노슈퍼컴퓨터, 고성은 촉매, 가지저장매체, 센서, 의약품전달 나노캡슐 등이 실현가능성이 있다. Dept, of Mechatronics Eng. 나노 재료 나노기술 응용 분양 나노소재 나노소자 • 입자재료: 나노촉매, 나노박막, 미세분리기술, 나노탄소물질 • 벌크재료: 자성재료, 고탄성재료, 저마찰재, 복합재료 • 나노소재 및 구조를 이용하는 나노기능소자 • 초고밀도 메모리소자, 초고속 통신소자, 초저소비전력소자 • 생체재료: 바이오세라믹스, 생체 자기물질등 황경, 생명공학 • 생체기능소자: 분자컴퓨터, 분자모터, 생체전자공학 • 에너지환경: 고효율 태양전지, 연료전지 기반기술 • 나노조자, 소재측정 및 평가기술 • 나노구조체 제작을 위한 공정기술 Dept, of Mechatronics Eng. 나노 재료 용 도 • 자기조립방식에 의한 금속 나노성 • CNT array, 나노 폴리스 마이셀 • 나노전자소자, 나노 CMDS, • • • NaNo-Metrology, 지정양자점, 나노구조계면 입자성장 • 나노결정재료의 기계적 성질, 단전자트렌지스터 약물전달용 나노입자 분자소자, 초고집적 MKAM, 나노측정, • 생리활성물질의 피부흡수기술, 공정 및 제어 미세입자실용화기술 TEM/AFM에 의한 구조측정, 나노계측분석 • 나노결정질 태양전지, 탄소나노튜브소자 DNA소자 Dept, of Mechatronics Eng. 목 제2편 차 강화기구 제1장 강화기구의 개요 제2장 금속의 강화 기구 제3장 가공경화 제4장 결정립 미세화 제5장 고용강화 제6장 석출경화 제7장 분산강화 Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 강화기구 개 요 결정성 고체의 강도는 전위의 이동을 제한함으로써 증가한다. 또한 재료의 강도는 전위밀도 증가와 함께 전위의 이동성 감소로 인하여 증가한다. 정 의 Slip면의 내에서 장애물과 만나는 전위는 응력을 가하면 전위의 이동이 시작하다가 장애물을 만나면 장애물 사이에서 휘어진 전위선이 돌출되고 장애물을 다시 만날때까지 전위선은 다시 전진한다. 이동의 필요응력은 항복응력(yield stress)또는 유동응력(flow stress)이다. 장애물의 강도가 이러한 유동응력을 결정한다. 강한 장애물은 전위의 통과에 저항한다. Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 강화기구 금속의 강화기구 1. 재료의 소성변형 : 대부분 슬립에 의해 발생, 슬립은 전위라고 하는 선격자 결함의 이동에 의해 발생 2. 재료강화의 기본 방법 : 전위를 완전히 없도록 하거나, 지극히 작도록 하는것. 전위의 활동을 곤란하게 하는것. 3. 실질적인 재료강화 : 전위의 활동을 방해하여 강화 ,가공경화, 고용체강화, 결정립미세화, 석출경화(시효경화) 종 류 1. 가공경화 3. 고용강화 2. 결정립 미세화 4. 석출강화 5. 분산강화 Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 강화기구 가공경화 ( work hardening) 냉간가공을 하면 전위증식에 의해 재료내부에 존재하는 전위 밀도가 증가하고 이렇게 증가한 전위밀도가 전위의 이동을 방해하여 재료의 강도가 증가한다. 반면 재료의 연성은 강도가 증가함에 따라서 감소한다. 이러한 현상을 가공경화 또는 변형강화(strain hardening)라고 한다. 밀도↓전기전도도↓열적팽창↑부식율↑ •가공에 필요한 에너지의 일부가 격자 결함의 형태로 결정의 내부에 내장되어 있음 회복 •가공에 의해 형성된 내부응력을 감소시키기 위한 초기 가열과정 •Recorvery •회복과정을 지나 더욱 가열하여 새로운 결정입이 발생하는 현상 재결정 •Recrystallization •재결정한 금속을 더욱 가열하면 서로 이웃하는 결정입이 성장하여 결정립의 평균크기가 증대함 결정립성장 •Grain growth Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 강화기구 결정립 미세화 ① 두 결정립 결정방향의 차이가 클수록 전위의 이동은 더 어렵게 된다. ② 입계근처의 무질서한 원자위치에 Slip면은 연속으로 이어지지 않는다. ③ 한 결정립의 Slip면 첨단에 응력 집중을 일으킴으로 인접 결정립에 새로운 전위를 생성시킨다. 고용강화(solid solution hardening) 고순도 금속은 동종의 합금보다 항상 연하고 약하다. 이종원소의 농도를 증가시킴에 따라 인장강도와 경도는 증가한다. 보편적인 방법이 고용체 합금을 형성시키는 것이다. 불순물 첨가 효과는 원자의 크기차이와 존재율에 의존한다. 만약 원자가 용매 원자보다 크다면 압축변형장(strain field)이 나타나고 작다면 인장변형장(tensile strain field)이 나타난다. 어느 쪽 형태의 출현도 전위이동을 방해한다. Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 강화기구 치환형 고용체를 형성하려는 경향을 제어하는 인자 Hume – Rothery 법칙 1) 두 원자의 크기 차이가 1.5%미만이면 고용체를 형성 하려는 경향이 있다. 15%이상이면 1%이하로 고용도가 떨어진다.(크기효과) 2) 강한 친화력이 없는 금속은 고용체를 형성 하려는 경향이 있다. 전기 음성도 순에서 떨어지는 금속은 금속간 화합물을 형성하는 경향이 있다. (전기화학적 효과) 3) 원자가 작은 용매 속으로 원자가 큰 금속이 용해할 때의 용해도가 이와 반대 경우보다 더 크다. (상대적인 원자가 효과) 4) 전율고용체를 형성하려면 용질원자와 용매원자의 결정 구조가 같아야 한다. Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 강화기구 석출경화(Precipitation hardening) • 금속은 기지에 미세하게 분산되어 불용성의 제2상에 의해 효과적으로 강화된다. • 석출경화란 열처리 과정을 통하여 과포화 고용체로부터 제2상을 석출시켜서 강화시키는 현상을 말한다. 정의 • 제2상의 입자는 단일 용질원자보다 전위의 관통에 대해 더욱 효과적인 장애물로 작용할 수 있어 석출경화 는 고용강화보다 강력한 강화 기구이다. 특성 • 제2상의 입자의 형상(입자의 크기가 클수록), 부피분율, 평균입자직경(작을수록), 평균입자간거리(짧을수 제조중요 1) 2) 인자 록) 가 강화정도가 커짐을 나타냄. 융체화처리(Solution treatment): 고용한계선(solrus 3) 시효(aging): 과포화 고용체를 고용 한계선 이하의 line)이상 온도로 충분한 시간동안 가열하면 균일한 온도로 가열하여 유지시켜 시효하면 석출물이 단상의 고용체가 얻어지는과정 형성된다. 급냉 : 과포화 고용체라한다. Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 강화기구 분산강화(Dispersion hardening) 정의 •강화상인 제2상이 석출에 의하지 않고 인위적으로 첨가된 경우에 나타나는 강화현상을 말한다. •기지와 부정합 상태를 이루고 있는 매우 단단한 제2상 입자가 합금을 강화시켜 고온 성질을 우수하게 한다.(고온구조 특성 재료) •기지는 가능한 용해도, 성분 원소의 확산속도 작고, 융점이 높고 자유에너지가 커서 화학적 안정성을 갖어야 한다. 제조 용도 •위의 조건을 충족시키기 위해 분산 강화형 합금 제조는 분말야금법을 주로 이용한다. 산화물이 강화상이다. • 항공기 제트엔진의 가스 터빈 블레이드 1200℃우수강도, Ni기 초내열 합금 Y2O3를 분산시켜 제조된 합금이 Inconel-MA-753은 매우 우수한 고온성질을 나타낸다. Dept, of Mechatronics Eng. 목 제3편 차 철 합금 및 비철 합금의 열처리 제1장 열처리 일반 제2장 강의 열처리 제3장 초고강도강의 열처리 제4장 표면경화 Dept, of Mechatronics Eng. 열처리란?? • 금속의 내부조직(현미경적 조직)을 변화시켜서 필요로 하는 기계적 성질을 얻고자 행하는 가열 및 냉각과정을 말함 • 열처리 방법 -노말라이징(normalizing) : 기계적 성질 개선 -풀림(annealing) : 편석과 잔류응력 등의 불균질을 제거하고 균질화 및 연화를 위해 실시 -담금질(quenching) : 경화 -뜨임(tempering) : 강인화 Dept, of Mechatronics Eng. 강의 노말라이징 • 탄소강의 노말라이징 범위를 나타내는 부분 상태도 • 상부임계선보다 약 55℃ 높은 온도에서 균일한 오스테나이트 조직으로 만든 다음 대기중에서 냉각시키는 과정 • 목적 -주조품이나 단조품에 존재하는 편석을 제거하여 균일한 조직을 얻기 위함 -결정립을 미세화시켜서 어느 정도의 강도 증가를 꾀하고 담금질이나 풀림을 위한 재가열시 균일한 오스테나이트 상태로 만들어 주기 위함 Dept, of Mechatronics Eng. 노말라이징의 종류(Ⅰ) • 일반적인 노말라이징 • 설정온도로 가열한 후 공냉 • 형상이 작은것 : 표면과 내부가 모두 빨리 냉각=>미세한 조직 • 형상이 큰것 : 표면과 중심부가 냉각속도의 차이를 나타냄=>팬 등으로 강제 공냉 Dept, of Mechatronics Eng. 노말라이징의 종류(Ⅱ) • 2단 노말라이징 • 부품형상이 복잡하거나 단면적의 차이가 커서 냉각에 의한 변형이 발생하기 쉬운 경우 시행 • 펄라이트 변태가 종료되는 550℃ 부근까지는 공냉 후, 노냉 Dept, of Mechatronics Eng. 노말라이징의 종류(Ⅲ) • 등온 노말라이징 • 다중 노말라이징 -높은초기 노말라이징 온도를 사용오스테나이트에서 온도가 낮은 모든 성분을 완전히 용해시킴 -Ac3온도에 가까운 2차노말라이징 온도를 사용초기노말라이징 처리의 유익한 효과를 해치지 않고 노말라이징 온도에서 등온변태(TTT)곡선의 코에 상당하는 550℃까지 열풍으로 강제 최종 퍼얼라이트 결정립 크기를 미세화하기 위해 사용 냉각시킨 후 등온로 속에서 등온변태(550 ℃, 1시간 시킨 후 상온까지 공냉 Dept, of Mechatronics Eng. 풀림(annealing) • 연화를 위해 적당한 온도까지 가열한 후, 그 온도에서 유지후 서냉하는 조작 • 목적 : 내부응력 제거, 경도 저하, 절삭성 향상, 냉간가공성 향상, 결정조직의 조절, 기계적,물리적 성질을 개선시키기 위함 Dept, of Mechatronics Eng. 풀림 공정 저온풀림 : A1 이하 이상영역 풀림 : A1보다는 높고 A3 또는 Acm보다는 낮음 완전풀림 : A3보다 높음 Dept, of Mechatronics Eng. 저온풀림(subcritical annealing) 오스테나이트가 형성되지 않는다. 경화된 강이나 냉간 가공된 강에 적용할 때 가장 효과적이고 쉽게 재결정되 어 새로운 페라이트 결정을 형성한다. -이상영역 풀림 • 오스테나이징 온도에서 조직의 균일성 정도는 풀림을 한 조직과 성질의 발달에 중요 • 높은 오스테나이징 온도 : 층상(lamella)의 탄화물조직을 촉진 • 낮은 오스테나이징 온도 : 오스테나이트의 균일함이 감소하여 구상의 탄화물 형성을 촉진 Dept, of Mechatronics Eng. 구상화풀림 강은 페라이트 기지에 구상의 탄화물 조직을 형성하기 위해 다음과 같은 방 법으로 가열, 냉각하여 구상화한다. - Ac1직하에서 장시간유지 - Ac1직상 및 Ar1직하의 온도 사이에서 반복적인 가열, 냉각 - Ac1이상으로 가열하여 Ar1직하의 온도에서 유지하거나 노안에서 매우 서냉 - 망상 탄화물이 다시 형성하는 것을 방지하기 위해 모든 탄화물이 분해된 최 소 온도부터 적당한 속도로 냉각하여 위의 방법에 따라 재가열 Dept, of Mechatronics Eng. 중간풀림(process annealing) 냉간가공 경도는 증가하고 연성은 감소 계속적인 냉간가공이 어려워 연성을 회복하기 위해 풀림처리 공정사이에 풀림처리하는 것을 중간풀림이라 함 Ac1온도 이하에서 가열하여 적당히 유지한 후 공냉 대부분의 경우 Ac1아래 11-22℃ 온도범위에서 가열하는 것이 미세조직, 경 도 및 기계적 성질의 우수한 조화를 이룰 수 있음 Dept, of Mechatronics Eng. 강의 담금질(Quenching) 적당히 높은 온도에서 물, 기름, 폴리머 용액 및 염(salt)에 급속하게 냉각 뜨임처리에 의해 필요한 기계적 성질을 얻음 담금질의 종류 직접 담금질(Direct Quenching) 시간 담금질(Time Quenching) 선택 담금질(Selective Quenching) 분사 담금질(Spray Quenching) 안개 담금질(Fog Quenching)``` • 직접 담금질 강에서 가장 널리 쓰이는 방법 • 시간담금질 냉각하는 동안에 담금질되는 제품의 냉각속도가 갑자기 변할 때 사용 첫번째 냉각제에서(예:물) 제품의 온도를 TTT곡선의 코 이하로 냉각될 때까지 감소시킨 뒤 제품을 꺼내어 두번째 냉각제(예:기름)에서 담금질하여 마르텐사이 변태영역을 지나 더욱 서서히 냉각시키는 것 뒤틀림,균열 및 치수 변화를 최소화하기 위해 흔히 사용 • 선택담금질 제품의 선택된 부분만을 담금질할 때 • 분사담금질 냉각제가 약 825KPa까지의 고압으로 재료의 국부적인 영역에 분사 사용되는 냉각제의 부피가 크고, 모든 냉각제가 제품과 직접 접촉하기 때문에 냉각속도가 빠르고 균일 • 안개담금질 냉각제로써 작은 액체방울의 안개 및 개스 캐리어를 사용 분사 담금질과 유사하나 효과는 더 약함 Dept, of Mechatronics Eng. 담금질 기구 A’ 단계 -액체와 초기 접촉단계로 증기방울이 형성되고 약 0.1초간 지속되고 매우 예민한 장비를 사용할 때만 감지 A 단계 -증기막 냉각단계로 불리며, 시료주위에 깨지지 않은 증기막이 형성되는 단계 -증기막이 단열체로 작용하여 냉각은 증기막을 통 한 복사에 의해 일어남 B 단계 -증기이동에 의한 냉각단계로 불리며, 열전달속도 가 가장 빠르고 금속표면의 온도가 약간 감소 하여 연속적으로 증기막이 붕괴될 때 시작 C 단계 -액체냉각단계로 불리며, 냉각속도는 B단계보다 느림 -금속표면 온도가 냉각제의 끓는 점으로 감소할 때 시작하고, 그 이하의 온도에서 끓는 것이 멈 추어 대류와 전도에 의해 서냉이 발생 Dept, of Mechatronics Eng. 냉각제 • • • 물 염수 기름 •물 -냉각속도가 크고 저렴 -오염이나 건강에 미치는 위험도 없고 재료표면의 산화막을 쉽게 제거 -지나치게 뒤틀림이나 균열을 일으키지 않는 경우에는 매우 실용적이므로 비철금속, 오스테나이트계 스테인레스강에서 널리 사용 -단점은 뒤틀림이나 균열이 발생하기 쉬워 단순한 담금질에만 사용 -재료에 즉시 녹을 방지하는 처리를 하지 않으면 녹이 생김 •염수 •기름 •물 •염수 -소금이나 연화칼슘과 같은 염을 포함하는 수용액 -장점 : 냉각속도가 물보다 빠름 뒤틀림이 감소 용액의 냉각을 위한 열교환기가 물이나 기름에 비해 덜 필요 -단점 : 부식성이 있으므로 이를 방지하기 위한 처리를 해야 함 부식성 연기가 발생하므로 후드가 필요하여 비용이 물보다 비쌈 •기름 •물 •염수 •기름 -물이나 염수보다 담금질 효과가 작지만 열추출 능력은 더 균일 - 냉각과정의 마지막 단계에서는 서서히 냉각되어 균열이나 뒤틀림의 위험 감소 Dept, of Mechatronics Eng. 냉각방법에 따른 현미경 조직 1040강을 915℃에서 30분 오스테니타이징 후 420℃ 염욕으로 급냉 845℃에서 2시간 오스테니타이징에 후 유냉(prior 오스테나이트 입계에 페라이트가 존재하고 침상구조는 상부 베이나이트이고 어둡게 보이는 기지는 퍼얼라이트) 870℃에서 1시간 오스테니타이징 하고 수냉 Dept, of Mechatronics Eng. 강의 뜨임 경화되거나 노말라이징한 강을 변태온도 이하로 가열하고 적당한 속도로 냉 각시켜 주로 연성과 인성을 증가시키는 열처리 과정 강은 특정한 값의 기계적 성질을 얻거나 담금질 응력을 제거하고 치수안정 성을 보장하기 위해 경화한 다음 다시 가열하여 뜨임처리 함 Dept, of Mechatronics Eng. 뜨임 과정 전위로 탄소 편석(25-100℃) ε탄화물 석출(100-250 ℃, 1단계) 잔류 오스테나이트 분해(200-300 ℃, 2단계) Fe3C 석출(250-350 ℃, 3단계) 전위조직회복, Fe3C 구상화(400-600 ℃) 합금 탄화물 형성(500-600 ℃, 2차경화, 4단계) 재결정 및 결정립 성장(600-700 ℃) Dept, of Mechatronics Eng. 초고강도강의 조성 조성 (%) 강의 종류 C Mn Si Cr Ni Mo V Co 중탄소 저합금강 4130 0.28-0.33 0.40-0.60 0.20-0.35 0.80-1.10 - 0.15-0.25 - - 4140 0.38-0.43 0.75-1.00 0.20-0.35 0.80-1.10 - 0.15-0.25 - - 4340 0.38-0.43 0.60-0.80 0.20-0.35 0.70-0.90 1.65-2.00 0.20-0.30 - - 300M 0.40-0.46 0.65-0.90 1.45-1.80 0.70-0.95 1.65-2.00 0.30-0.45 0.05 최소 - 중합금 공기경화강 H11 Mod 0.37-0.43 0.20-0.40 0.8-1.00 4.75-5.25 - 1.20-1.40 0.40-0.60 - H13 0.32-0.45 0.20-0.50 0.80-1.20 4.75-5.50 - 1.10-1.75 0.80-1.20 - 7.0-8.0 0.90-1.10 0.06-0.12 4.254.75 9Ni-4Co강 HP 9-430 0.29-0.34 0.10-0.35 0.2 최대 0.90-1.10 Dept, of Mechatronics Eng. 4130강 ① 노말라이징 : 870~925℃로 가열하고 단면두께에 따라 적당한 시간동안 유지하고 공냉한다. 노말라이징 후 항복강도를 증가시키기 위해 480℃ 및 그 이상의 온도에서 뜨임을 한다. ② 풀림 : 830~860℃로 가열하여 단면두께나 장입량에 따라 적당 시간 유지하고 노냉한다. ③ 경화 : 845~870℃로 가열하여 유지한 후 수냉하거나 860~885℃로 가열하고 유냉한다. 유지시간은 단면두께에 의존한다. ④ 뜨임 : 200~700℃에서 최소 30분 유지하고 공냉하거나 수냉하며 뜨임시간과 온도는 주로 원하는 경도나 강도에 의존한다. ⑤ 구상화 : 760~775℃로 가열하고 4~12시간 유지한 뒤 서냉한다. Dept, of Mechatronics Eng. 4130강의 미세조직 (a) (b ) (c ) (a) 870℃에서 오스테니타이징에 의해 노말라이징 하고 실온으로 공냉. 페라이트(백색)와 층상 퍼얼라이트(어두운 부분), (b)845℃에서 풀림하고 노냉. 페라이트 기지(백색)에 조대한 층상 퍼얼라이트(어두운 부분), (c)870℃에서 1시간 동안 오스테니타이징 후 수냉. Dept, of Mechatronics Eng. 4140강 ① 노말라이징 : 845~900℃로 가열하고 단면두께에 따른 시간동안 유지하고 공냉한다. ② 풀림 : 845~870℃로 가열하고 단면두께나 장입량에 의존하는 시간동안 유지하고 노냉한다. ③ 경화 : 830~870℃로 가열하고 단면두께에 의존하는 시간동안 유지하고 유냉한다. 거의 사용되지는 않으나 수냉에 대한 경화온도는 815~845℃이다. ④ 뜨임 : 175~230℃ 또는 370~675℃에서 최소 30분 동안 유지하고 공냉하거나 수냉하며 뜨임온도와 시간은 원하는 경도에 의존한다. 4140강은 청열취성을 피하기 위해 230~370℃에서 뜨임하지 않는다. ⑤ 구상화 : 760℃~775℃로 가열하고 4~12시간 유지한 뒤 서냉한다. Dept, of Mechatronics Eng. 4340강 ① 노말라이징 : 845～900℃로 가열하고 단면두께에 의존하는 시간동안 유지하고 공냉한다. ② 풀림 : 830～860℃로 가열하고 단면두께나 장입량에 의존하는 시간동안 유지하고 노냉한다. ③ 경화 : 800～845℃로 가열하고 두께 25mm마다 15분 유지한 후 65℃ 이하로 유냉하거나 200～210℃에서 용융염에 담금질하고 10분 유지한 뒤 65℃ 이하로 공냉한다. ④ 뜨임 : 200～650℃에서 최소 30분 동안 유지하고 공냉하며, 온도와 시간은 원하는 강도와 경도에 의존한다. ⑤ 구상화 : 690℃로 예열하고 2시간 유지한 뒤 750℃로 온도를 증가시켜 2시간 유지하고 650℃로 냉각하여 6시간 유지한 다음 약 600℃까지 노냉하고 최종적으로 실온까지 공냉한다. 또 다른 방법은 730℃～750℃로 가열하고 수 시간 유지한 뒤 실온으로 노냉한다. ⑥ 응력제거 : 성형이나 기계가공 후 650～675℃에서 응력제거 열처리한다. Dept, of Mechatronics Eng. 4340강의 뜨임온도에 따른 경도의 변화 Dept, of Mechatronics Eng. 300M ① 노말라이징 : 915～940℃로 가열하고 단면두께에 의존하는 시간동안 유지한 뒤 공냉한다. ② 경화 : 855～885℃에서 오스테니타이징하고 70℃ 이하로 유냉하거나 200～210℃에서 용융염에 담금질하고 10분 유지한 뒤 70℃ 또는 그 이하로 공냉한다. ③ 뜨임 : 260～315℃에서 2～4시간 유지하며 이중뜨임이 권장된다. 이중뜨임으로 높은 항복강도와 충격성질의 최상의 조화가 생긴다. ④ 구상화 : 약 775℃로 가열하고 단면두께나 장입량에 의존하는 시간동안 유지한다. 5.5℃/시간 이하의 속도로 650℃로 냉각하고 11℃/시간 이하의 속도로 480℃로 냉각한 다음 최종적으로 실온으로 공냉한다. 동일한 과정이 풀림을 위해 권장된다. Dept, of Mechatronics Eng. H11 Mod강 ① 노말라이징 : 효과적인 균질화를 위해 1,065℃로 가열하여 두께 25mm마다 1시간 유지하고 공냉한다. 실온에 도달하자마자 즉시 풀림한다. ② 풀림 : 분위기노 안에서 845~885℃로 가열하고 약 480℃로 노에서 서냉한 다음 실온으로 냉각한다. 이러한 처리로 결정입계에 망상 탄화물이 없는 완전히 구상화 된 조직이 생겨야 한다. ③ 경화 : 760~815℃로 예열하고 995~1,025℃로 온도를 올려 두께가 25mm인 경우 20분간 유지하고(25mm 증가할 때마다 5분 추가한다) 공냉한다. ④ 뜨임 : 최대 경도와 강도를 위해서는 약 510℃의 이차경화 피크온도에서 가열하고, 연성 및 인성은 증가시키고 경도와 강도는 조금 낮게 뜨임하기 위해서는 이차경화피크 이상의 온도에서 가열한다. 최소 1시간은 유지해야 하지만 이중뜨임이 더 바람직하다(2시간 유지후 실온으로 냉각 그리고 2시간 더 유지). 고온에서 사용하는 부품은 사용하는 도중에 성질이 변화는 것을 방지하기 위해 최대 사용온도보다 높은 온도에서 뜨임해야 한다. ⑤ 응력제거 : 650℃~675℃로 가열하고 실온으로 냉각한다. 초벌가공한 부품의 응력을 제거하고 최종 기계가공을 하여 원하는 경도로 열처리함으로써 큰 치수 정확성을 얻기 위해 사용한다. ⑥ 질화 : 마모저항을 증가시키기 위해 최종 기계가공과 열처리한 부품은 질화처리한다. 약 525℃에서 가스 또는 액체질화한다. Dept, of Mechatronics Eng. H13 강 ① 노말라이징 : H13에 권장되지는 않으나 약 790℃로 예열하고 1,040~1,065℃로 서서히 균일하게 가열하여 두께 25mm마다 1시간 유지한 다음 공냉함으로써 균질성이 약간 향상될 수 있다. 실온에 도달하기 바로 직전이나 실온에 도달할 때 노에 다시 장입하여 완전 구상화풀림을 한다. 이때 특히 표면탈탄을 방지하기 위한 분위기처리를 하지 않으면 균열의 위험이 있다. ② 풀림 : 탈탄을 방지하기 위해 조절된 분위기에서 860~900℃로 균일하게 가열하고 온도가 동일할 때까지 유지한 다음 약 480℃로 노에서 매우 서서히 냉각하고 실온으로 더욱 빠르게 냉각시킨다. 이때 결정입계에 망상 탄화물이 없는 완전히 구상화된 조직이 생겨야 한다. ③ 경화 : 790℃~815℃로 예열하고 995~1,025℃로 균일하게 온도를 증가시켜 20분 유지(두께 25mm마다 5분 추가)한 다음 공냉한다. ④ 뜨임 : 최대경도와 강도를 위해 약 510℃의 이차경화 피크온도에서 뜨임하거나 인성과 연성을 증가시키고 약간 낮은 경도 및 강도로 뜨임하기 위해 더 높은 온도에서 행한다. 이중뜨임이 권장된다(2시간 유지, 공냉, 2시간 더 유지). ⑤ 응력제거 : 650~675℃로 가열하여 1시간 또는 그 이상 유지하고 실온으로 서서히 냉각하는 것으로 큰 치수 정확성을 얻기 위해 사용된다. ⑥ 질화 : 최종 기계가공과 열처리한 부품은 질화처리한다. 정상적인 뜨임온도에서 행하기 때문에 이중뜨임에서 2차 뜨임의 역할을 할 수 있다. Dept, of Mechatronics Eng. 일반적인 공구강의 열처리 •노말라이징 •풀림 •응력제거 •오스테나이징 •오스테나이징을 위한 예열 •담금질 •마르템퍼링 •뜨임 •노말라이징 - 과잉의 구성성분을 분해하기 위해 변태온도 이상으로 서서히 균일하게 가열하여 공냉 - 불균일한 조직이 파괴되고 잔류응력이 제거되며 더욱 균일한 결정립이 생성 - 노말라이징 후에 구상화, 풀림, 경화를 하기 위해 강의 성질을 조절 •풀림 - 공구강은 대개 풀림처리한 조건으로 공급자로부터 받게 되지만 열간 및 냉간성형을 하려면 보통 후속처리하기 전에 다시 완전히 풀림해야 함 Dept, of Mechatronics Eng. 일반적인 공구강의 열처리 •응력제거 - 심한 기계가공이나 냉간가공에 의해 생긴 잔류응력을 감소시키거나 제거 - 공구를 경화시키는 동안 뒤틀림이나 균열의 가능성이 감소 - 높은 잔류응력이 있는 연마된 공구는 특정한 경도를 유지하기 위해 뜨임온도 또는 그보다 낮은 온도에서 연마 후 즉시 응력제거를 함으로써 안전하게 사용할 수 있음 - 뜨임하기 위해 사용하는 염욕이나 공기로에서 수행 •오스테나이징 - 오스테니타이징은 공구강에서 가장 중요한 열처리과정 - 지나치게 높은 오스테니타이징 온도 또는 비정상적으로 긴 유지시간은 과잉의 뒤틀림, 비정상적인 결정립 성장, 연성의 감소 및 낮은 강도를 일으킬 수 있음 - 담금질할 때 공구의 중심이 외부보다 온도가 낮으면 모서리가 깨지거나 파괴될 수 있음 •오스테나이징을 위한 예열 •고온의 오스테니타이징 온도에 노출될 때 차가운 부품이 겪는 열적 충격의 결과로 생기는 균열과 심한 뒤틀림에 대한 예방책으로 사용 •담금질 •조성과 단면두께에 따라서 물, 염수, 기름, 염 및 공기에서 실시 •완전한 경도를 얻기 위해 제품을 충분하게 급냉시켜야 하지만, 필요 이상으로 냉각시키는 것은 균열발생의 가능성이 있음 •공냉하는 동안 경화되는 공구강은 오스테니타이징 후에 대개 540～650℃로 뜨거운 담금질한 후 실온까지 공냉하거나 유냉 Dept, of Mechatronics Eng. 특수 공구강의 열처리 1. 수냉하여 경화되는 공구강 2. 내충격용 공구강(shock-resisting tool steels) 3. 유냉으로 경화되는 냉간가공 공구강 4. 공냉하여 경화되는 중합금 공구강 및 고탄소, 고크롬 냉간가공 공구강 5. 열간가공용 공구강 6. 고속도 공구강 7. 특별한 용도용 저합금 공구강 Dept, of Mechatronics Eng. 수냉하여 경화되는 공구강 •노말라이징 : 권장되지 않음 •풀림 - 단조나 냉간가공 한 탄소공구강에 적용하며, 기계가공을 쉽게 하기 위해 연화시키거나 잔류응력을 제거 •응력제거 - 응력제거는 뒤틀림이나 균열을 최소로 하기 위해 경화하기 전에 650～720℃로 가열하고 공냉 •오스테니타이징 - 온도는 대개 760～845℃이며 온도가 증가할수록 경화능은 증가 - 오스테니타이징 온도에서 최적시간은 10～30분이며 산화와 탈탄을 방지하는 것이 중요 Dept, of Mechatronics Eng. 수냉하여 경화되는 공구강 •담금질 - 가능한 급격히 담금질하는 것이 중요하며 대부분의 경우 물이나 10% 소금을 포함하는 염수, 그리고 매우 빠르게 담금질하기 위해 얼음을 넣은 염수를 사용 - 냉각속도는 냉각제 뿐 아니라 재료크기의 함수 •뜨임 - 경화 후 실온에 도달하기 전에 즉시 뜨임해야 함 - 175℃ 이하에서 뜨임해서는 안되며, 유지시간은 1시간이 적당 - 뜨임온도가 증가함에 따라 약 180℃까지 충격파괴에 대한 저항은 증가하지만 약 260℃에서 최소값으로 급격히 떨어짐 Dept, of Mechatronics Eng. 수냉하여 경화되는 공구강 공구강 W1의 미세조직 - 925℃에서 오스테니타이징에 의해 노말라이징하고 공냉. - 입계에 얇은 시멘타이트가 덮고 있는 층상 퍼얼라이트 조직 Dept, of Mechatronics Eng. 수냉하여 경화되는 공구강 공구강 W1의 미세조직 - 790℃에서 오스테니타이징 하고 얼음 물에 급냉 - 일부 미용해 탄화물을 포함하고 있는 마르텐사이트 조직 Dept, of Mechatronics Eng. 수냉하여 경화되는 공구강 공구강 W1의 미세조직 - (b)를 165℃에서 뜨임 - 구형의 탄화물(백색 점)을 포함하는 템퍼드 마르텐사이트 조직 Dept, of Mechatronics Eng. 수냉하여 경화되는 공구강 공구강 W1의 미세조직 - b)와 동일한 강을 760℃에서 오스테니타이징 하고 얼음 물에 급냉 - 퍼얼라이트(어두운 부분)와 템퍼드 마르텐사이트(회색) 및 페라이트 Dept, of Mechatronics Eng. 내충격용 공구강 •노말라이징 : 권장되지 않음 •풀림 •Si양이 많은 S2, S4, S5 및 S6강은 흑연화와 탈탄에 예민 •표 5-3에 나타낸 온도보다 높은 온도에서의 풀림은 더 연한 조직을 생기게 하지만 흑연화의 위험 또한 증가함 •응력제거 •단면의 크기가 다양한 매우 복잡한 부품을 제외하면 경화시키기 전에 응력제거는 거의 필요하지 않음 Dept, of Mechatronics Eng. 내충격용 공구강 •오스테니타이징 •온도는 815～955℃이고 예열은 필수적인 것은 아니나, 뒤틀림을 최소로 하고, 유지시간을 단축하기 위해 큰 공구에서는 바람직 •뜨임 •이들 강의 텅스텐형과 실리콘형은 탄소공구강보다 뜨임에 의한 연화에 저항함 •텅스텐형의 일부조성에서 약간 일어나기도 하지만 이들 강에서 이차경화는 발생하지 않음 •이러한 강으로 만든 공구는 담금질 후 즉시 뜨임해야 한다. 그렇지 않으면 물이나 염수에 담금질할 때 균열이 발생함 Dept, of Mechatronics Eng. 유냉으로 경화되는 냉간가공 공구강 •노말라이징 •노말라이징을 하기 전에 적당한 오스테니타이징 온도보다 훨씬 높은 온도로 가열되었거나 단조한 제품은 노말라이징을 하는 것이 바람직하고 때때로 필요 •노말라이징 후 경화시킬 때는 노말라이징 하는 동안 탈탄을 피하기 위해 주의해야 함 •풀림 •풀림하는 동안 탈탄이나 침탄이 일어나는 것을 방지해야 하는데 이를 위해 흔히 포장풀림을 함 •포장풀림은 개방된 노의 사용을 허용하고 느린 가열과 냉각이 자연적으로 발생함 Dept, of Mechatronics Eng. 유냉으로 경화되는 냉간가공 공구강 •응력제거 •정확한 치수가 요구되면 공구는 초벌가공 후 그러나 최종가공 전에 응력제거처리 해야 함 •권장되는 처리온도는 650～675℃이고 유지시간은 단면두께 25mm당 1시간이며 공냉함 •예열 •나중에 경화하는 동안 뒤틀림을 최소로 할 것이며, 액체욕에서 오스테니타이징 하는 공구에는 항상 필요함 •오스테니타이징 •탈탄과 산화는 염욕이나 납욕 그리고 분위기가 조절된 노에서 효과적으로 최소화할 수 있음 Dept, of Mechatronics Eng. 유냉으로 경화되는 냉간가공 공구강 •담금질 •기름을 사용하는 담금질욕의 최적 온도범위는 40～60℃ •마르템퍼링 •마르텐사이트 변태범위를 지나 서냉하면 재료 전체에서 균일하게 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하여 뒤틀림이 최소로 됨 •뜨임 •담금질 후 실온에 도달하기 전에 즉시 뜨임해야 함 •가장 일반적으로 사용하는 온도범위는 175～205 ℃ •뜨임시간은 단면두께에 따라 변함 Dept, of Mechatronics Eng. 유냉으로 경화되는 냉간가공 공구강 O1 공구강의 미세조직 페라이트 기지에 구형의 탄화물 입자가 분산되어 있는 완전 풀림한 조직 Dept, of Mechatronics Eng. 유냉으로 경화되는 냉간가공 공구강 O1 공구강의 미세조직 -900℃에서 1시간 동안 오스테니타이징 하고 공냉 -템퍼드 마르텐사이트 조직이며 일부 베이나이트와 잔류 오스테나이트(백색) 조직을 보임 Dept, of Mechatronics Eng. 유냉으로 경화되는 냉간가공 공구강 O1 공구강의 미세조직 - 815℃에서 오스테니타이징 하고 유냉 - 마르텐사이트 기지에 구형의 탄화물 입자 Dept, of Mechatronics Eng. 공냉하여 경화되는 중합금 공구강 및 고탄소, 고크롬 냉간가공 공구강 •노말라이징 : 권장안함 •풀림 •단조 후 다시 경화시키기 전에 풀림을 해야 함 •경화된 공구를 풀림하려면 특히 서서히 가열해야 함 •응력제거 •경화 후에 연마할 수 없는 A, D강으로 만든 공구는 초벌가공 후에 때때로 응력제거처리를 함 •예열 •오스테니타이징 하는 동안 불균일한 치수변화를 최소화함으로써 나중에 뒤틀림을 감소시킴 Dept, of Mechatronics Eng. 공냉하여 경화되는 중합금 공구강 및 고탄소, 고크롬 냉간가공 공구강 •오스테니타이징 •A, D계열의 강은 용융염이나 가스분위기 노에서 실시 •A4, A5, A6 및 A10은 오스테니타이징 온도가 낮기 때문에 용융납이나 산화 분위기의 개방된 노에서 실시 •A, D계열의 강은 최대경도를 얻으려면 필요한 탄화물의 용해를 얻기 위해 충분히 오랫동안 오스테니타이징 온도에서 유지해야 함 •담금질 •단면이 너무 크지 않으면 D3를 제외한 A, D계열의 강은 공냉에 의해 최대경도를 얻을 수 있음 •뜨임 •A, D강의 뜨임은 앞서 언급한 O강과 동일 Dept, of Mechatronics Eng. 공냉하여 경화되는 중합금 공구강 및 고탄소, 고크롬 냉간가공 공구강 중합금 공기 경화강의 경도에 미치는 뜨임 온도의 영향 Dept, of Mechatronics Eng. 열간가공용 공구강 •노말라이징 : 권장안함 •풀림 •가열은 균열을 방지하기 위해 서서히 균일하게 해야 함 •대부분의 경우 425℃로 약 22℃/시간의 속도로 노냉한 다음 공냉 •산화와 탈탄을 최소화하기 위해 작은 부품은 포장풀림하고, 큰 다이블록은 대개 분위기가 조절된 노에서 실시 •응력제거 •초벌 기계가공 후 그러나 최종가공 전에 650～730℃로 가열하여 응력제거 하는 것이 유리 •예열 •6G, 6F2, 6F3 및 6F5를 제외한 거의 모든 강에 권장 Dept, of Mechatronics Eng. 열간가공용 공구강 •오스테니타이징 •예열온도에서 오스테니타이징 온도로 급속히 가열하는 것이 H16-H43 및 6F4강에 바람직 •H10-H14강을 제외하면 오스테니타이징 온도에서 시간은 재료를 완전히 가열할 수 있게 충분해야 하나 장시간 유지하는 것은 권장되지 않음 •담금질 •이들 강은 경화능이 매우 커서 대부분 공기 중에서 냉각함으로써 완전한 경도를 얻을 것 •뜨임 •담금질 후 즉시 뜨임 •다중뜨임은 또한 경화로부터 생긴 응력에 기인한 균열을 최소로 함 Dept, of Mechatronics Eng. 고속도 공구강 •노말라이징 : 권장안함 •풀림 •탈탄을 최소로 하기 위해 철저히 밀폐된 용기에서 단조 후 또는 다시 경화시킬 필요가 있을 때 완전히 풀림처리를 해야 함 •예열 •오스테나이트가 약 760℃에서 형성하기 시작하므로 이 온도보다 약간 높게 가열하는 것이 변태로 생기는 응력을 최소로 함 •부분적인 탈탄을 방지하는 것이 중요하면 일반적으로 705～790℃의 예열온도를 사용 •그렇지 않은 경우에는 815～900℃로 가열 •열적 충격을 최소로 하기 위해 이중예열이 흔히 권장됨(한 노에서 540～650℃로 가열하고 또 다른 노에서 845～870℃로 가열) Dept, of Mechatronics Eng. 고속도 공구강 •오스테니타이징 •고속도강의 열에 저항하는 성질과 절삭능력은 오스테니타이징 하는 동안 다양하고 복잡한 합금탄화물의 용해에 의존 •이러한 탄화물은 강이 용융점 근처로 가열되지 않으면 실질적으로 분해되지 않으므로 오스테나이타이징을 하는 동안 매우 정확한 온도조절이 필요 •온도가 높을수록 합금용해, 뜨임저항이 증가하나 인성이 감소 •담금질 •공기 중에서 담금질하는 얇은 공구를 제외하면 기름이나 용융염에서 담금질하는 것이 보통 •담금질 후 대개 높은 잔류응력이 생기므로 균열을 방지하기 위해 65℃ 이하로 냉각되기 전에 냉각제에서 뜨임 노로 옮기는 것이 좋음 Dept, of Mechatronics Eng. 고속도 공구강 •뜨임 •M2는 약 370℃ 이상의 온도에서 이차경화 되고 약 595℃까지 계속됨 •더 낮은 온도는 이차경화를 일으키지 않고 더 높은 온도는 경도를 크게 감소시킴 •고속도강은 일반적으로 540～595℃ 범위에서 최소 두 번의 뜨임처리를 하며 각각의 처리시간은 대개 2시간 또는 그 이상 •이렇게 함으로써 일관되게 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있음 •잔류 오스테나이트를 조절하기 위해 최초 뜨임공정의 시간-온도 조합을 적절히 하는 것이 중요 •결과적으로 2차 뜨임처리는 1차 뜨임하고 냉각하는 동안 발달하는 새롭게 형성된 마르텐사이트를 뜨임하기 위해 실시함 Dept, of Mechatronics Eng. 강의 표면경화 물리적 경화법 : 표면층의 조성은 변화시키지 않고 조직만을 변화시켜서 경 화층을 얻는 방법 화 염 경화법 고주파 경화법 화학적 경화법 : 강의 표면층에 여러가지 원소들을 확산침투시켜서 표면조성 의 변화에 의한 경화층을 얻는 방법 침 탄 법 질 화 법 침탄질화법 금속침투법 Dept, of Mechatronics Eng. 화염 경화법 산소-아세틸렌 불꽃을 사용하여 강 표면을 빨리 가열하고 이것이 담금질온 도에 이르렀을 때 냉각수로써 급랭시켜 표면만 경화하는 것 산소와 아세틸렌의 혼합비가 1 : 1일 때 가장 좋음 Dept, of Mechatronics Eng. 고주파 경화법 경화처리를 위한 열을 전기적 유도에 의해 얻음 고주파 교류전류가 코일 또는 인덕터에 흐를 때 자기장이 발생 도체재료가 코일 중심에 위치하면 열이 발생 발생한 열은 표면에 집중되며, 열이 유도되는 깊이는 코일에 흐르는 전류의 주 파수에 비례 고주파 유도가열장치는 재료의 모양에 따라 다양한 형상으로 설계하여 사용 강이 적절한 온도로 가열된 후에는 인덕터 코일 사이의 공간에 설치한 물 분사 구를 통해 물을 공급하거나, 피처리물을 냉각제 탱크로 떨어뜨려 담금질 크랭크 축, 기어, 캠, 공작기계의 부품, 농경기 날 등 기계부품의 표면경화에 사용 Dept, of Mechatronics Eng. 침탄법 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소강으로 만든 다음에 이것이 담금 질하여 경화하는 방법 고체침탄 침탄제로는 목탄, 입상 코우크스, 골탄 등을 사용하며 침탄촉진제로는 탄산바 륨이나 탄산소다를 사용 밀폐된 침탄로 중에서 900-950℃ 정도로 가열하여 4-6시간동안 유지하면 재 료표면에 0.5-2.0mm정도의 침탄층을 얻을 수 있음 기체침 변성가스에 메탄이나 프로판가스를 혼합하여 침탄시킴 침탄부품은 내마모성과 강인성을 구비 고체침탄에 비해 가열시간이 짧고 조작이 간단하며 표면의 탄소농도 조절이 가능한 것이 특징임 Dept, of Mechatronics Eng. 질화법 Al이나 Cr을 함유한 강을 무수 NH3기체 중에서 약 500℃로 장시간 가열하여 단단하고 내식성 높은 질화물을 형성시켜 경화 담금질, 뜨임처리한 것을 질화시키므로 열처리가 필요없음 질화방지부분 : Ni, Sn 도금이나 페이스트 도포 장점 침탄경화와는 달리 담금질에 의한 경화가 아니므로 변형이 적고 저온에서 행하므로 가열에 의한 변형이나 결정립 성장이 없고 경도는 침탄층에 비해 훨씬 높음 단점 처리온도가 낮으므로 장시간 가열 특수강 사용 Dept, of Mechatronics Eng. 침탄법과 질화법의 비교 침탄법 질화법 1. 경도는 질화법보다 낮다 1. 경도는 침탄층보다 높다 2. 침탄후의 열처리가 필요 2. 질화 후의 열처리가 불필요 3. 침탄후에도 수정이 가능 3. 질화후의 수정이 불가능 4. 단시간에 높은 경화깊이를 얻을 수 있음 4. 질화층을 깊게 하려면 긴 시간이 걸림 5. 경화에 의한 변형이 생김 5. 경화에 의한 변형이 적음 6. 고온으로 가열되면 템퍼링되어 경도가 낮아짐 6. 고온으로 가열되어도 경도는 낮 아지지 않음 7. 침탄층은 질화층처럼 취화되지 않음 7. 질화층은 취화되기 쉬움 8. 처리강의 종류에 많은 제한을 받 음 8. 침탄강은 질화강처럼 강재종류에 대한 제한이 적음 Dept, of Mechatronics Eng. 목 제4편 차 경도 제1장 경도의 개요 제2장 경도시험의 종류 제3장 로크웰 경도 제4장 브리넬 경도 제5장 Vickers hardness 제6장 Knoop hardness 제7장 경도변환 제8장 경도와 인장강도의 관계 Dept, of Mechatronics Eng. 경도 (hardness) 국부적인 소성변형에 대한 재료의 저항. 모스(Mohs) 경도 : 석회(1), 다이아몬드(10). 장점 1. 간단하고 저렴하며, 별도로 시편을 준비할 필요가 없다. 2. 비파괴 시험법 3. 인장 강도와 같은 다른 기계적 성질 유추가능. 주의점 1. 시편의 두께는 적어도 압입 깊이의 10배. 2. 시편 가장자리에서 측정. 3. 측정간격. Dept, of Mechatronics Eng. 경도시험의 종류 시험 방법에 따라 긋기경도 (Scratch hardness), 반발경도 (Rebound hardness), 압입경도 (Indentation hardeness) 1) 긋기 경도 (Scratch hardness) – 광물의 경도측정에 주로 이용. : 다른 재료를 서로 긁었을 때 긁고 긁히는 정도의 비교로써 측정. :활석<석고(1)<방해석<형석<인회석< 정장석<수정<황옥<강옥<금강석(diamond, 10) Dept, of Mechatronics Eng. 경도시험의 종류 2) 반발 경도 (Rebound gardness) Ex) 쇼어경도(Shore hardness) : 수평한 금속 표면에 압입자(Indenter)를 떨어뜨려 반발한 높 이의 정도로써 경도를 측정. 10, 000 h HS 65 h0 h0 : diamond 해머의 낙하높이, h : 반발높이 Dept, of Mechatronics Eng. 경도시험의 종류 3) 압입경도 (Indentation hardness) ; Brinell hardness ; Rockwell hardness ; Vicker’s hardness ; Knoop hardness Dept, of Mechatronics Eng. 로크웰(Rockwell) 경도 Dept, of Mechatronics Eng. 로크웰(Rockwell) 경도 Indenter : Diamond cone, 1 1 1 1 , , , in diameter steel spheres 16 8 4 2 60kg, 100kg, 150kg (Rockwell) 15kg, 30kg, 45kg (superficial Rockwell) Dept, of Mechatronics Eng. 로크웰(Rockwell) 경도 Rockwell Hardness Scales Ex) 80 HRB 60 HR30W Ex) 80 HRB 60 HR30W Dept, of Mechatronics Eng. 브리넬(Brinell) 경도 압입자 (Indenter) : 10mm sphere of steel or tungsten carbide 하중 : 500 - 3000 kg 10-30초 현미경의 접안렌즈에 새겨진 눈금을 이용하여 눌린 자국의 지름을 측정. → 지름을 도표를 이용하여 HB지수로 변환. 연한재료 Dept, of Mechatronics Eng. 브리넬(Brinell) 경도 HB = 가해진하중(kg) 2P = 눌림의표면적(mm 2 ) πD[D - D2 - d 2 ] P=하중(kg), D=구의 직경(mm), d=눌림의 직경(mm) 정확한 Brinell 값을 얻기 위해서는 d값이 0.25D~0.5D ∴강의 경우, P = 30 2 D 구리합금의 경우, P = 10 2 D Dept, of Mechatronics Eng. 브리넬(Brinell) 경도 단점 ① 눌림 자국이 큰 경우 : 부품의 응력을 높이는 요인으로 작용 ② 눌림 자국이 깊은 경우 : 밑에 높여진 조직의 경도로 측정하 기 때문에 도금되거나 표면경화된 재료에 부적당. ③ 매우 단단한 재료는 압자를 변형시킨다. Steel : <450HB Tungsten carbide : <600HB Dept, of Mechatronics Eng. Vickers hardness 하중 : 1 - 1000 g 현미경 관찰 후 도표를 이용하여 환산. 정확한 측정을 위해서 시편의 표면 처리(연삭 및 연마)에 주의. HV = 1.854P/d12 Dept, of Mechatronics Eng. Vickers hardness 장점( Brinell에 비해) ① 연한 재료 뿐 아니라 단단한 재료에도 적용가능. ② Vickers 경도범위는 비례적이므로, HV=400인 재료는 HV=200인 재료에 비해 두 배 만큼 더 단단하다. 단점 ① 자국이 작아 육안으로 관찰 개인적인 시각차이 ② 상대적으로 긴 시간이 필요. Dept, of Mechatronics Eng. Knoop hardness 하중 : 1 - 1000 g 현미경 관찰 후 도표를 이용하여 환산. 정확한 측정을 위해서 시편의 표면 처리(연삭 및 연마)에 주의. 매우 얇은 층에 대한 경도의 측정에는 Vickers보다는 knoop시험이 이용 취성이 강한 재료의 시험 HK = 14.2P/l 2 Dept, of Mechatronics Eng. 경도변환 Dept, of Mechatronics Eng. 경도와 인장강도의 관계 모든 재료에서 비례관계가 성립하는 것은 아님. 대부분의 강은 다음과 같은 HB와 인장 강도의 관계를 만족. TS(MPa) = 3.45 x HB TS(psi) = 500 x HB Dept, of Mechatronics Eng. 목 제5편 차 굽힘시험 제1장 굽힘시험 제2장 압축시험 제3장 피로시험 Dept, of Mechatronics Eng. 굽힘 시험(Bending test) 재료에 굽힘모멘트가 걸렸을 때 변형저항이나 파단 강도를 측정하는 시험. 항절시험(transverse test) : 주철이나 초경합금과 같은 취성재료의 굽힘파단강도를 측정 굽힘시험(bend test) : 재료의 소성가공성이나 용접부분의 변형 등을 측정. 시험자는 어떤 표면이 균열이 생겼는지를 판단. 굽힘 연성시험은 성공/실패의 질, 단순성 및 저렴한 공구 가격 때문에 매장 바닥재료 조사로써 개발. 그 결과 굽힘 연성 시험법 및 장비의 개발은 기계적 시험 장비 제조자 보다는 사용자에 의해 수행. Dept, of Mechatronics Eng. 압축시험(compression test) 재료에 응력을 가하였을 때 변형이나 파단강도를 구하기 위하여 행함. 압축강도는 취성재료를 시험하였을 때 잘 나타남. 편의상 시편에 균열이 발생하는 응력으로 압축강도를 취급하는 예도 있다. 압축시험은 주로 내압에 사용되는 재료를 사용. 예) 주철, 베어링 합금, 연화, 콘크리트, 목재, 타일, 플라스틱, 경질고 무에 사용. 인장시험과 유사한 점이 많으나, 압축시험에 필요한 시험편의 길이와 단면적 과의 비는 시험결과에 중요한 영향을 미친다. 단면적에 비교하여 길이가 지나치게 길면 가한 하중이 재료를 압축하는 힘이 되지 않고 재료를 굽히기 때문에 파괴되는 결과를 초래하고 이와 반대로 너 무 짧을 때에는 실제 압축력이 표시되지 않는다. ∴ 실용적인 길이로써 비교적 취성이 있는 재료에는 직경의 1-1.5 배 로 한다. Dept, of Mechatronics Eng. 피로 시험(fatigue test) 피로는 교량, 비행기, 기계 부품 등과 같이 동적인 변동 응력을 받는 구조물 에서 나타나는 파손의 일종으로, 항복강도나 인장강도(정적 하중에 대한)보 다 매우 낮은 응력 상태에서 일어나는 파손이다. 이와 같은 파손 형태는 오랜 시간 동안 응력 및 변형률 사이클이 반복된 후에 일어나므로 “피로”라고 부른다. 모든 금속 파손의 약 90%가 피로에 의해 일어나므로, 피로는 금속 파손의 가 장 큰 원인이며 아주 중요한 파손 형태이다. 피로 파손은 어떠한 파손 징후를 나타내지 않고 갑자기 일어나므로 아주 위 험한 대형 사고를 일으킨다. 피로 파손에는 소성변형이 거의 수반되지 않으므로 연성 금속의 피로 파손도 취성파괴와 같은 양상을 나타낸다. 피로 파손의 과정은 균열 생성 및 균열 전파로 구성되며, 파단면은 일반적으 로 작용 인장응력 방향에 수직이다. Dept, of Mechatronics Eng. 목 제6편 차 인장 제1장 재료 시험법 제 11 장 공칭 변형률 제2장 기계적 성질 제 12 장 탄성변형 제3장 정적 시험 제 13 장 재료의 탄성 성질 제4장 동적 시험 제 14 장 소성변형 제5장 특수(목적)재료시험 제 15 장 항복현상과 항복응력 제6장 비파괴시험 제 16 장 인장강도 제7장 재료시험 규격 제 17 장 연성 제8장 재료시험기의 구비조건 제 18 장 인성 제9장 인장시험 제 19 장 진응력과 진변형률 제 10 장 공칭응력 Dept, of Mechatronics Eng. 재료 시험법(materials testing method) 재료가 사용 목적 및 사용 조건에 적당한가를 시험. 안전한 하중의 한계와 재료의 변형 능력을 검토. 기계적, 물리적, 화학적 성질 등을 시험. 공학적 의미 : 재료의 기계적 성질(mechanical properties)을 시험. ; 탄성계수, 강도, 경도, 인성 및 연성 등 • Tacoma Narrows Bridge Collapse (1940) : poor design Dept, of Mechatronics Eng. 기계적 성질 재료들은 사용 중에 힘(하중)을 받게 됨. → 과도한 변형이나 파괴가 일어나지 않도록 설계. 재료의 기계적 거동 : 외부 작용에 대한 재료의 반응 정도. 즉, 외부의 힘(하중)과 이에 따른 재료의 변형 사이의 관계를 나타냄. 강도(strength), 경도(hardness), 연성(ductility) 및 강성도 (stiffness) 등. 재료의 기계적 성질 : 재료 생산자, 재료 소비자, 연구 단체, 정부 기관 등 관심. → 시험 방법과 결과의 해석에 일관성 필요. ⇒ 표준 시험법 사용. Korea:KS, Japan:JIS, USA:ASTM, etc. Dept, of Mechatronics Eng. 정적 시험(static test) 정적 하중을 가함 인장시험 (tensile test) 압축시험 (compressive test) ; 만능 시험기 (universal testing machine) 전단시험 (shearing test) 굽힙시험 (bending test) 비틀림시험 (torsion test): 짧은 시간 필요 크리프시험 (creep test): 긴 시간 필요 경도시험 (hardness test) Dept, of Mechatronics Eng. 동적시험(dynamic test) 동적 하중을 가하면서 시험 (실제 상태와 근사) 충격시험 (impact test) 피로시험 (fatigue test) Dept, of Mechatronics Eng. 특수(목적)재료시험 연성시험 (ductility test) 마모시험 (wear test) 스프링시험 (spring test) Dept, of Mechatronics Eng. 비파괴 시험 (non-destructive test) 각종 주물, 단조물, 용접물, 기계 부분품 : 내부결함 평가 방사선 탐상 시험 초음파 탐상 시험 침투 탐상 시험 음향방출 탐상 시험 → 기계적 성질 시험과는 달리, 재료의 결함을 검사. Dept, of Mechatronics Eng. 재료시험 규격 미국 : ASTM (American Society for Testing Materials) : SAE (Society for Automotive Engineers) 영국 : BS (British Standard Specification) 독일 : DIN (Deutsche Ingenier Normen) 일본 : JIS (Japan Industrial Standard) 한국 : KS (Korean Standard) 국제규격 : ISO (International Standard Organization) Dept, of Mechatronics Eng. 재료시험기의 구비조건 정밀도 및 감도가 우수할 것 : 마찰에 의한 오차 ↓, 하중에 의한 변형 X 안정성이 있을 것 : 동일한 측정치. 간단하고 정밀한 검사가 가능할 것 : calibration 용이 내구성이 클 것 : 반복 사용에 의한 고장이 적어야 함. 취급이 간편할 것 : 조작 간편. Dept, of Mechatronics Eng. 인장시험 (tensile test) 응력(stress)-변형률(strain) 시험 가장 보편화된 재료의 강도 평가 시험 : 표준시편을 한 방향으로 지속적인 속도로 파괴가 일어날 때까지 당겨 가해진 힘과 변형을 기록하는 시험 탄성계수(Elastic Modulus) 0.2% offset 항복강도(Yield Strength) 최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength) 파괴 시까지 연신율 및 단면 감소율(Elongation) Dept, of Mechatronics Eng. 인장시험 (tensile test) Dept, of Mechatronics Eng. 인장시험 (tensile test) Dept, of Mechatronics Eng. 공칭응력(Engineering Stress) 공칭 응력(engineering stress) F A0 F : 시편에 수직으로 가해지는 하중 (lbf 또는N) A0 : 시편의 초기 단면적(in.2 또는 m2) 응력의 단위 : lb/in2(psi), N/m2 (pascal), kg/mm2 1 MPa = 106 N/m2 Dept, of Mechatronics Eng. 공칭변형률(Engineering Strain) li l 0 l l0 l0 l0 : 시편의 초기길이 li : 시편의 순간길이 단위는 없음 Dept, of Mechatronics Eng. 탄성변형(elastic deformation) 작은 인장응력을 받는 금속재료에서, 응력과 변형률은 다음의 관계식을 만족. E Hooke's law E : 탄성계수 (modulus of elasticity) or 영의 계수 (Young’s modulus) (단위 : psi 또or GPa) 탄성변형 : 응력과 변형률이 비례하는 변형 : 영구적인 변형이 아니며, 응력을 제거시키면 재료는 원래의 모양으로 되돌아 감. 탄성계수(E) : 재료의 강성도(stiffness)로 볼 수 있으며, 탄성변형에 대한 재료의 저항을 나타냄. : E가 클수록 재료가 변형을 잘 일으키지 않음. Dept, of Mechatronics Eng. 재료의 탄성성질 프와송비(Poisson’s ratio) : 축방향 변형률에 대한 횡방향 변형률의 비. y x z z 등방성 재료 : ¼ 최대값 (부피 변화가 없다고 가정한 경우) : 0.5 대부분의 금속과 합금 : 0.25 < ν < 0.35 Dept, of Mechatronics Eng. 소성변형(plastic deformation) 대부분의 금속 재료는 변형률이 약 0.005 정도까지만 탄성변형. → 초과하면 영구변형(소성변형) 발생. • 수많은 원자 또는 분자가 상대적으로 움직이면서 원래의 이웃 원자와의 결합을 끊고 새로운 원자와 결합하는 현상. • 응력을 제거해도 원자들은 원래의 위치로 돌아가지 않음. • 결정재료 : 전위의 움직임에 따른 slip • 비정질 고체나 액체 : viscous flow mechanism. Dept, of Mechatronics Eng. 상 부 항 복 점 (Yu) : 시 편 의 평 행 부 가 항 복 을 시 작 하 기 이 전 의 최 대 하중을 평행부 원단면적으로 나눈 값. 하 부 항 복 점 (YL) : 시 편 의 평 행 부 가 항 복 을 시 작 한 후 에 유 지 되 는 거의 일정한 하중상태에서의 최소 하중을 평행부의 원단면적으로 나눈 값. 비례한계 (proportional limit, P) : 인장곡선이 직선에서 벗어나는 점 탄성한계 (elastic limit, E) 인장강도(M) 파괴(F) Dept, of Mechatronics Eng. 항복현상과 항복응력 구조물은 응력이 가해질 때 탄성변형만이 일어나도록 설계되어야 함. ∴ 소성변형이 시작되는 응력(항복응력, yield stress)을 알아야 함. 항복점(yield point) : 응력-변형률 곡선이 직선에서 벗어나는 점(P) → 비례한계(proportional limit) 0.2% 상쇄 항복 강도 (offset yield strength, YS, σy). 비선형 탄성거동 재료 : 정해진 변형률(예, ε= 0.005)을 일으키는 데 요구되는 응력을 항복 강도로 정의. 금속의 항복강도는 소성가공에 대한 저항성을 나타냄. Dept, of Mechatronics Eng. 인장강도 (tensile strength) 공칭응력-변형률 곡선에서의 최대 응력점. 네킹(necking) 파괴강도 : 파괴가 일어나는 응력. Dept, of Mechatronics Eng. 연성(ductility) 파괴가 일어날 때까지의 소성변형의 정도를 나타냄. 취성(brittle) 재료 : 파괴 시 소성변형이 거의 수반되지 않는 재료. : 파괴 변형률이 5% 미만. 연신률(percent elongation) 단면수축률(reduction of area) %EL ( l f l0 l0 %RA ( ) 100 A0 A f A0 ) 100 Dept, of Mechatronics Eng. 연성(ductility) 일반적으로 한 재료의 %EL값과 %RA값은 서로 같지 않음. 대부분의 금속은 상온에서는 어느 정도의 연성을 갖지만 온도가 낮아짐에 따라 취성으로 변함. Engineering stress–strain behavior for iron at three temperatures. Dept, of Mechatronics Eng. 인성(toughness) 파괴가 일어나기까지의 재료의 에너지 흡수력. 시편의 기하학적 형상 또는 하중을 가하는 방법에 영향을 받음. 동적(dynamic; 높은 변형률 속도) 하중 조건과 노치(notch; 응력 집중점)가 존재하는 경우 → 충격시험으로 노치인성 (notch toughness)을 평가. 파괴인성(fracture toughness) : 균열이 존재할 때 재료가 갖는 파괴에 대한 저항성. 정적(static; 낮은 변형률 속도) 하중 조건 → 인장시험(파괴까지의 곡선의 밑면적) → 연성재료가 취성재료보다 인성이 큼. Engineering tensile stress, smaller toughness (ceramics) larger toughness (metals, PMCs) smaller toughnessunreinforced polymers Engineering tensile strain, Dept, of Mechatronics Eng. 진응력과 진변형률 인장시험 중 시편의 단면적은 계속 변화함으로 공칭응력은 재료의 실제적인 응력을 나타내지 못함. F 진응력(true stress) T Ai 진변형률 (true strain) T ln li l0 변형에 부피변화가 수반되지 않는다고 가정하면 Al Ai l i A0 l 0 Ai 0 0 li T Fl i l l l0 l0 F i i (1 ) Ai A0 l 0 l0 l0 T ln li l l0 l0 ln i ln( 1 ) l0 l0 ⇒ 네킹 현상이 일어나기 전까지만 유효. Dept, of Mechatronics Eng. 진응력과 진변형률 진응력은 인장점(M’)을 지나서도 변형률 증가에 따라 계속 증가. 네킹현상은 네킹영역에 복잡한 응력 상태를 유발. → 3축응력 상태 → 네킹 영역의 축방향 응력은 계산된 응력보다 작다. → corrected curve 소성의 시작부터 네킹이 일어날 때까지의 진응력-진변형률 곡선은 다음 식으로 나타냄. K, n : 상수 (소성변형 이력 및 열처리 T K n T 이력과 같은 재료 상태에 따라 값이 변함. N : 변형경화 지수 (strain-hardening exponent), < 1 Dept, of Mechatronics Eng. 목 차 제7편 충격시험 제1장 충격시험의 개요 제2장 샤르피 충격시험기 제3장 아이조드 충격시험기 Dept, of Mechatronics Eng. 충격시험(Impact Test) 목적 - 충격에 대한 재료의 저항, 즉 재료 의 충격하중에 대한 세기를 조사하 는 시험. - 재료(특히 강)의 연성-취성 천이 온도를 조사하는데 이용. Dept, of Mechatronics Eng. 충격시험(Impact Test) 재료의 인성은 정적인장시험에서 연신율 및 단면수축으로 어느 정도까지 판 단할 수 있으나, 이것으로는 불충분하다. 시편 인장시험 충격시험 비례한도 항복점 인장강도 연신율 단면수축율 충격치 1 40.0 47 55.5 28.6 64.0 74 2 39.6 45.9 54.3 26.5 63.7 9.1 Ni-Cr강 Dept, of Mechatronics Eng. 샤르피 (Charpy) 충격시험기 용량 : 10,30, 75, 250, kg-m 해머W의 위치에너지 : Wh1[kg m] (단, W를 kg, h를 m으로 측정) 해머가 h1위치에서 회전낙하 → 시편 S 파괴 → 남은 에너지로 상승하여 h2까지 올라갔다고 가정하면, 반대로 올라가는데 필요한 에너지는 ∴ 이때 시편에 흡수된 에너지는 Wh2 [kg m] W (h1 h2 )[kg m] Dept, of Mechatronics Eng. 샤르피 (Charpy) 충격시험기 중심P에 대한 각도를 각각 α와 β라고 하면 충격에너지는 E W (h1 h2 ) WR(cos cos ) 여기서 α와 β만 측정하면 흡수에너지를 쉽게 계산! 위 에너지 (kg-m)를 시편의 Notch부의 단면적으로 나눈값을 Charpy충격 치로 한다 Dept, of Mechatronics Eng. 아이조드(Izod) 충격시험기 영국이나 미국에서 주로 사용 Charpy와 유사한 원리 시편은 10mm의 정사각형 단면, notch는 u형 Charpy충격시험과는 달리 시편이 파괴할 때에 흡수한 에너지를 단면적으로 나누지 않고 그대로 충격치(kg-m)로 정함 Dept, of Mechatronics Eng. Dept, of Mechatronics Eng.