강도학 (응력집중효과, 강화기구 이해, 피로이론의 이해)

목차

목차
1.응력집중효과의 이해
1.1실생활에서의 응력집중
1.2응력집중 억제방안

2.강화기구 이해
2.1Mg-Zn 합금
2.2Mg-Ti 합금

3.피로이론의 이해
3.1피로특성 향상 방안

본문내용

피로 특성을 향상하기 위해서는 여러 가지 방법이 쓰인다. 이 방법은 크게 두 가지로 나타낼 수 있는데 바로 표면 처리와 열처리를 통해 피로에 잘 이겨낼 수 있게 할 수가 있다. 하지만 티타늄이 열에 아주 강한 특성을 가지고 있으므로 열처리 보다는 표면처리를 통해 금속의 피로특성향상을 가할 수 있다. 금속 시편 표면에 부식으로 인해 작은 구멍이나 notch등이 생긴다면 그 부분에 응력집중형상이 발생하게 된다. 따라서 금속의 표면에 흠집이나 구멍이 없도록 하는 설계와 혹은 후처리 공정으로 표면에 발생하는 압축잔류 응력을 향상시키는 방법이 존재 한다. 먼저 금속 시편에 부식의 부식을 방지하기위해서 금속 혹은 비금속 도금을 하는 방법이 있다. 도금에는 금속도금으로 구리, 주석, 니켈, 아연등 밀착성이 좋은 물질들을 사용하며, 알루미늄, 크롬, 스테인레스는 밀착성이 좋지 않으므로 주의가 필요하다. 이러한 금속 도금외에 전기로 도금을 할 수 있으며, 금속이든 비금속간에 광범위한 재료를 도금할 수 있는 진공 도금 또한 많이 사용된다. 도금이나 코팅이외에 이온주입법을 이용하여 금속 표면을 정리하는 방법도 존재한다. 이온주입기술은 이온을 고 에너지로 가속시켜 재료의 표면에 주입하여 표면에 개질된 층을 만드는 대표적인 표면개질 기술 중 하나이다. 이온주입기술은 주입되는 이온의 양이나 에너지에 따라서 주입 깊이, 분포 및 조성을 쉽게 조절할 수 있으므로 고집적회로(IC)를 위한 반도체의 도핑(doping)과정에 주로 사용되고 있다.
최근에는 이를 이용한 금속, 세라믹, 고분자 등 첨단소재의 표면개질을 통하여 이들 소재의 표면특성을 향상시키려는 연구가 활발히 이루어지고 있는데 특히, 금속소재에 대한 이온주입 중 질소 이온주입에 의한 공구강 등의 내구성 및 수명 향상은 잘 알려져 있다. 질소이온주입은 100 keV로 가속된 질소이온이 재료표면에 수 천 A 깊이를 들어가 결함과 질화물을 형성하여 표면경도 및 강도가 증가하게 되며 재료의 내구성이 향상되게 된다. 이러한 이온주입 기술의 장점으로는 (1) 모재 자체(bulk)로서의 좋은 특성은 변화시키지 않으면서 표면특성만 향상시킬 수 있으며, (2) 코팅(coating)등의 표면개질에서 주로 제기되는 치수변화나 모재와의 접착력 등의 문제가 없으며, (3) 주입양(dose)이나 에너지를 쉽게 조절하여 최적 원소분포를 얻기가 용이하며, (4) 비평형 공정(non-equilibrium)이므로 solubility, diffusion등의 열역학적 제한을 받지 않고, (5) 상온 공정이므로 온도 상승에 따른 재료의 열화를 막을 수 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 반도체 제조공정 분야를 제외하고 실제로 이온 주입을 이용한 재료의 표면 개질 기술이 실용화된 분야는 그리 넓지 못하다. 그 이유는 다른 표면 개질 기술에 비해서 상대적으로 많은 비용이 들기 때문이다.. 비용이 높은 원인은 이온 주입 장치와 공정(工程)의 두가지 측면으로 나누어 생각할 수 있다. 장치의 측면에서 볼 때, 이온 주입 장치는 기본적으로 이온 발생원과 가속 장치, 그리고 고진공(高眞空) 장치를 갖추어야 하며, 이온빔(ion beam)의 구경을 크게 하고 가속 전압을 높일수록 장비 제작비용은 크게 높아진다.
이와 같이 코팅이나, 도금, 이온 주입법등을 사용하면 금속 표면에서 일어나는 notch 부식등을 방지 할수 있으며 그로인한 응력집중현상을 방지하고, 특히, 이온주입법은 재료 표면에 압축 잔류 응력을 가해줌으로써 반복 하중에 의한 표면 미세 균열의 발생 및 성장을 억제하기 때문에 피로특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
금속 표면처리의 다른 방법이 있는데 그것은 바로 쇼트 피닝(shot peening)이다. 쇼트피닝의 대표적인 예로서 옛날 마차의 스프링을 만들 때, 그리고 대장간에서 식칼을 벼를 때를 관찰하면 단조온도 훨씬 이상 또는 다 식은 후에도 오랫동안 망치로 두들긴다. 이것은 칼날의 수명을 길게 하거나 또는 재질을 단단하게 하는 일종의 냉각단조 효과로서 그 이론을 따지지 않고 오랫동안 사용해왔다. 쉽게 말해 쇼트피닝 공법은 쇼트라고 불리는 작은 금속입자를 고속으로 제품표면에 투사하여 작은 쇼트입자가 표면을 Hammering 하는 공법이다.
우리 조가 사용하게 될 쇼트피닝의 원리를 구체적으로 살펴보면 작은 구형의 금속입자를 상당한 고속으로 금속표면에 충동시켜 얻은 냉간 단조공법이라 정의 할 수 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면 쇼트의 입자는 E=1/2mV²의 운동에너지를 갖고, 작은 헤머의 역활로 금속표면을 강타하여 순간적으로 국부적인 발열을 일으키고 표면에 박히며 국부적인 승복점을 가하게하여 영구변형을 주고 쇼트는 반발하여 표면에서 이탈하게 된다. 이때 곰보의 깊이는 표면에서 0.1-0.8mm에 달하게 된다. 변형층 바로 아래층은 항복점에는 달하지 아니하였으므로 강성은 존속하게 된다. 이층은 늘어나 표면층을 늘어나기 전의 상태로 유지 할려는 힘이 작용하고 있게되어 표면에는 잔유 압축응력, 내부는 인장 응력을 갖고 평형을 이루게 된다. 경험적으로 이 표면의 잔류 압축 응력은 내부 인장응력의 수배의 크기에 달한다. 일반적으로 부품에 사용 응력이 가해지면 표면에는 인장응력이 가해지는데 이 잔류 압축응력이 이를 상실하게 된다. 일반적으로 Fatigue Failure는 압축응력에서 오는 것이 아니고 인장응력의 누적에서 오는 것이므로 쇼트피닝 효과로서 피로강도가 상당히 추가되어, 부품의 수명을 상식이상으로 증대시키게 된다. 쇼트피닝은 내 마모 또는 내피로를 향상시키는 공법으로서 설계에서는 허용능력 을 수 10%증가시키는 공법이라고 말할 수 있다. 허용능력을 향상시키면 동일하중에서의 수명은 엄청난 배수로 승감한다. 이와 같은 사실을 가장 알기 쉽게 설명할 수 있는 간단한 실험의 예를 들어보면 6.35㎜ 두께의 펑 스프링을 AISI 9260 STEEL로 만들어 QUENCHING후 HRC 40-45 TEMPRING 한 것을 CONSTANT DEFLECTION TYPE FATIGUE MACHIN을 사용하여 STRESS CYCLE을 0에서 최대까지의 GRAPH를 작성한 것이 다음 그림이다.

키워드

강도학,   응력집중,   강화기구,   Mg,   피로이론,   실생활,   Zn,   Ti