가공 경화

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1. 개요

가공 경화는 금속과 같은 연성 재료에 소성 변형을 가하여 강도와 경도를 증가시키는 현상이다. 가공 경화는 가열이 필요 없고, 표면 상태 개선, 치수 제어, 제품 복제 능력 향상 등의 장점이 있지만, 더 많은 힘, 강력한 장비 필요, 연성 감소, 원치 않는 잔류 응력 발생 등의 단점도 있다. 가공 경화는 금속 결정 내 전위의 축적과 이동으로 설명되며, 전위 밀도 증가와 전단 강도 간의 관계를 통해 정량적으로 분석할 수 있다. 가공 경화는 의도적인 냉간 가공 공정이나 기계 가공 중 의도치 않게 발생할 수 있으며, 강철, 구리, 금, 알루미늄 등 다양한 재료에서 나타난다.

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가공 경화
개요
이름	가공 경화
다른 이름	변형 경화 냉간 가공
영어 이름	Work hardening Strain hardening
독일어 이름	Kaltverfestigung
일본어 이름	加工硬化 (Kakō kōka)
정의
정의	금속 또는 중합체의 소성 변형을 통해 재료를 강화하는 것.
설명
설명	재료의 항복 강도 및 인장 강도를 증가시키는 현상. 연성을 감소시키는 경향이 있음.
관련 정보
관련 정보	소성 변형 전위 (결함) 응력-변형률 곡선
수식
진 변형률	ε = εe + εp
구성 방정식 (Voce 등방성 경화 법칙)	σ = σ0 + Q∞(1 − exp(−Cεp))

2. 이점과 단점

가공 경화는 가열이 필요하지 않다는 이점이 있다.^[17] 또한, 더 나은 표면 상태를 얻을 수 있으며, 뛰어난 차원 제어가 가능하다.^[17] 가공 경화를 통해 제품의 복제 능력 및 교환 능력을 향상시킬 수 있다.^[17] 금속에 방향적 특성을 주입할 수 있고, 오염 문제를 최소화할 수 있다는 점도 장점이다.^[17]

가공 경화에는 다음과 같은 단점이 있다.^[17]

더 많은 힘이 필요하다.
더 무겁고 강력한 장비와 도구가 필요하다.
금속의 연성이 낮다.
금속 표면은 깨끗해야 하고, 무척도 특성이어야 한다.
원치 않는 잔여 강도가 발생할 수 있다.

가공 경화의 원치 않는 예로는 기계 가공 중에 초기 절삭 공구 통과 시 공작물 표면이 의도치 않게 가공 경화되어, 후속 통과 시 절삭 공구에 손상을 입히는 경우가 있다. 인코넬과 같은 초합금은 이러한 경향이 강하므로, 이를 고려한 재료 과학 기계 가공 전략이 필요하다.^[17]

스프링과 같이 구부리도록 설계된 금속 물체의 경우, 가공 경화(소성 변형의 결과)와 금속 피로를 피하기 위해 특수 합금이 일반적으로 사용되며, 필요한 특성을 얻기 위해 특정 열처리가 필요하다.

2. 1. 이점

가공 경화는 가열이 필요하지 않다는 이점이 있다.^[17] 또한, 더 나은 표면 상태를 얻을 수 있으며, 뛰어난 차원 제어가 가능하다.^[17] 가공 경화를 통해 제품의 복제 능력 및 교환 능력을 향상시킬 수 있다.^[17] 금속에 방향적 특성을 주입할 수 있고, 오염 문제를 최소화할 수 있다는 점도 장점이다.^[17]

2. 2. 단점

가공 경화에는 다음과 같은 단점이 있다.^[17]

더 많은 힘이 필요하다.
더 무겁고 강력한 장비와 도구가 필요하다.
금속의 연성이 낮다.
금속 표면은 깨끗해야 하고, 무척도 특성이어야 한다.
원치 않는 잔여 강도가 발생할 수 있다.

가공 경화의 원치 않는 예로는 기계 가공 중에 초기 절삭 공구 통과 시 공작물 표면이 의도치 않게 가공 경화되어, 후속 통과 시 절삭 공구에 손상을 입히는 경우가 있다. 인코넬과 같은 초합금은 이러한 경향이 강하므로, 이를 고려한 재료 과학 기계 가공 전략이 필요하다.^[17]

스프링과 같이 구부리도록 설계된 금속 물체의 경우, 가공 경화(소성 변형의 결과)와 금속 피로를 피하기 위해 특수 합금이 일반적으로 사용되며, 필요한 특성을 얻기 위해 특정 열처리가 필요하다.

3. 가공 경화의 원리

가공 경화 전에는 재료의 격자가 규칙적이고 결함이 거의 없는 패턴을 나타낸다(전위가 거의 없음). 결함이 없는 격자는 풀림을 통해 언제든지 생성하거나 복원할 수 있다. 재료가 가공 경화됨에 따라 새로운 전위로 점점 더 포화되고, 더 많은 전위의 핵 생성(전위 형성 저항)이 방지된다. 이러한 전위 형성 저항은 소성 변형에 대한 저항으로 나타나며, 따라서 관찰된 강화가 발생한다.^[8]

금속 결정에서 이는 가역적인 과정이며 일반적으로 미세한 수준에서 전위라고 하는 결함에 의해 수행된다. 전위는 재료 내의 국부적인 응력장의 변동에 의해 생성되며, 전위가 격자를 통해 전파되면서 격자 재배열을 초래한다. 상온에서는 풀림에 의해 전위가 소멸되지 않는다. 대신 전위가 축적되어 서로 상호 작용하며, 움직임을 상당히 방해하는 핀닝 포인트 또는 장애물 역할을 한다. 이는 재료의 항복 강도 증가와 그에 따른 연성 감소로 이어진다.^[8]

이러한 변형은 전위의 농도를 증가시키고, 이후에는 서브 그레인을 둘러싸는 저각 결정립계를 형성할 수 있다. 냉간 가공은 일반적으로 전위 수 증가와 서브 그레인의 홀-페치 효과의 결과로 더 높은 항복 강도를 나타내며, 연성은 감소한다. 냉간 가공의 효과는 회복 및 재결정화가 전위 밀도를 감소시키는 고온에서 재료를 풀림함으로써 되돌릴 수 있다.^[8]

재료의 가공 경화성은 응력-변형률 곡선을 분석하여 예측할 수 있으며, 공정 전후에 경도 시험을 수행하여 맥락에서 연구할 수 있다.^[8]^[9]

가공 경화는 영구적인 형태 변화인 소성 변형의 결과이다. 이는 가역적인 탄성 변형과는 구별된다. 대부분의 재료는 둘 중 하나만 나타내는 것이 아니라 두 가지의 조합을 나타낸다. 다음 설명은 특히 잘 연구된 강철을 포함한 금속에 주로 적용된다. 가공 경화는 금속과 같은 연성 재료에서 특히 두드러지게 발생한다. 연성은 재료가 파괴되기 전에 소성 변형을 겪는 능력이다(예: 강철 막대를 최종적으로 부러질 때까지 구부리는 것).^[8]

인장 시험은 변형 메커니즘을 연구하는 데 널리 사용된다. 이는 압축 하에서 대부분의 재료가 소성 변형 또는 파괴가 발생하기 전에 사소한(격자 불일치) 및 사소하지 않은(좌굴) 현상을 경험하기 때문이다. 따라서 소성 변형이 발생하기 전에 단축 압축 하에서 재료에 발생하는 중간 과정은 압축 시험을 어려움으로 가득 차게 만든다.^[8]

재료는 일반적으로 작은 힘의 영향을 받아 탄성적으로 변형된다. 변형력이 제거되면 재료는 원래 모양으로 빠르게 돌아간다. 이러한 현상을 ''탄성 변형''이라고 한다. 재료의 이러한 거동은 후크의 법칙에 의해 설명된다. 재료는 변형력이 탄성 한계, 즉 항복 강도를 초과할 때까지 탄성적으로 거동한다. 그 시점에서 재료는 영구적으로 변형되고 힘이 제거되어도 원래 모양으로 돌아가지 못한다. 이러한 현상을 ''소성 변형''이라고 한다. 예를 들어, 코일 스프링을 특정 지점까지 늘리면 원래 모양으로 돌아가지만 탄성 한계를 넘어 늘어나면 변형된 상태로 유지되며 원래 상태로 돌아가지 않는다.^[8]

탄성 변형은 원자 간 결합을 파괴할 만큼 충분한 에너지를 가하지 않고 원자 간의 결합을 평형 분리 반경에서 멀어지게 한다. 반면에 소성 변형은 원자 간 결합을 파괴하므로 고체 재료에서 원자의 재배열이 수반된다.^[8]

=== 전위의 역할 ===

재료 과학에서 전위는 재료의 결정 구조 내의 선 결함을 의미한다. 전위를 둘러싼 결합은 일반 결정 격자의 결합에 비해 탄성적으로 변형되어, 비교적 낮은 응력에서도 소성 변형을 유발한다.

전위 주변의 변형된 결합은 격자 변형장으로 특징지어진다. 가장자리 전위 바로 옆에는 압축 변형 결합이, 끝 부분에는 인장 변형 결합이 존재하여 각각 압축 변형장과 인장 변형장을 형성한다. 이러한 변형장은 전기장과 유사하게 인력 및 척력 법칙을 따르며, 전반적인 변형을 줄이기 위해 서로 끌어당긴다.

소성 변형의 거시적 결과는 미시적 전위 이동의 결과이다. 예를 들어, 인장 시험기에서 강철 막대가 늘어나는 것은 원자 수준에서의 전위 이동을 통해 이루어진다.

=== 전위 밀도 증가 ===

'''그림 1:''' 정렬된 재료의 항복 응력은 존재하는 전위의 수의 제곱근에 따라 달라집니다.

전위 수의 증가는 가공 경화의 정량화이다. 소성 변형은 재료에 일이 가해짐에 따라 발생하며, 에너지가 재료에 추가된다. 에너지는 거의 항상 기존 전위를 이동시킬 뿐만 아니라 재료를 충분히 충격하거나 가공하여 많은 수의 새로운 전위를 ''생성''할 수 있을 만큼 충분히 빠르고 큰 크기로 가해진다. 새로운 전위는 프랭크-리드 소스 근처에서 생성된다.

항복 강도는 냉간 가공된 재료에서 증가한다. 격자 변형 필드를 사용하면 전위로 가득 찬 환경은 임의의 하나의 전위의 이동을 방해한다는 것을 알 수 있다. 전위 이동이 방해받기 때문에, 일반적인 응력에서 소성 변형이 발생할 수 없다. 냉간 가공되지 않은 재료의 항복 강도를 약간 초과하는 응력이 가해지면 냉간 가공된 재료는 사용할 수 있는 유일한 메커니즘인 탄성 변형을 사용하여 계속 변형된다. 즉, 전기적 결합의 늘임 또는 압축(전위 이동 없이)이 계속 발생하며, 탄성 계수는 변경되지 않는다. 결국, 응력이 변형-장 상호 작용을 극복할 수 있을 만큼 커지면 소성 변형이 재개된다.

그러나 가공 경화된 재료의 연성은 감소한다. 연성은 재료가 소성 변형을 겪을 수 있는 정도, 즉 파괴되기 전에 재료가 얼마나 소성 변형될 수 있는지를 나타낸다. 냉간 가공된 재료는 실제로 허용된 소성 변형의 일부를 통해 이미 연장된 일반적인(취성) 재료이다. 전위 축적으로 인해 전위 이동과 소성 변형이 충분히 방해받고, 전자 결합의 늘임과 탄성 변형이 한계에 도달하면 세 번째 변형 모드가 발생한다. 바로 파괴이다.

3. 1. 전위의 역할

재료 과학에서 전위는 재료의 결정 구조 내의 선 결함을 의미한다. 전위를 둘러싼 결합은 일반 결정 격자의 결합에 비해 탄성적으로 변형되어, 비교적 낮은 응력에서도 소성 변형을 유발한다.

전위 주변의 변형된 결합은 격자 변형장으로 특징지어진다. 가장자리 전위 바로 옆에는 압축 변형 결합이, 끝 부분에는 인장 변형 결합이 존재하여 각각 압축 변형장과 인장 변형장을 형성한다. 이러한 변형장은 전기장과 유사하게 인력 및 척력 법칙을 따르며, 전반적인 변형을 줄이기 위해 서로 끌어당긴다.

소성 변형의 거시적 결과는 미시적 전위 이동의 결과이다. 예를 들어, 인장 시험기에서 강철 막대가 늘어나는 것은 원자 수준에서의 전위 이동을 통해 이루어진다.

3. 2. 전위 밀도 증가

전위 수의 증가는 가공 경화의 정량화이다. 소성 변형은 재료에 일이 가해짐에 따라 발생하며, 에너지가 재료에 추가된다. 에너지는 거의 항상 기존 전위를 이동시킬 뿐만 아니라 재료를 충분히 충격하거나 가공하여 많은 수의 새로운 전위를 ''생성''할 수 있을 만큼 충분히 빠르고 큰 크기로 가해진다. 새로운 전위는 프랭크-리드 소스 근처에서 생성된다.

항복 강도는 냉간 가공된 재료에서 증가한다. 격자 변형 필드를 사용하면 전위로 가득 찬 환경은 임의의 하나의 전위의 이동을 방해한다는 것을 알 수 있다. 전위 이동이 방해받기 때문에, 일반적인 응력에서 소성 변형이 발생할 수 없다. 냉간 가공되지 않은 재료의 항복 강도를 약간 초과하는 응력이 가해지면 냉간 가공된 재료는 사용할 수 있는 유일한 메커니즘인 탄성 변형을 사용하여 계속 변형된다. 즉, 전기적 결합의 늘임 또는 압축(전위 이동 없이)이 계속 발생하며, 탄성 계수는 변경되지 않는다. 결국, 응력이 변형-장 상호 작용을 극복할 수 있을 만큼 커지면 소성 변형이 재개된다.

그러나 가공 경화된 재료의 연성은 감소한다. 연성은 재료가 소성 변형을 겪을 수 있는 정도, 즉 파괴되기 전에 재료가 얼마나 소성 변형될 수 있는지를 나타낸다. 냉간 가공된 재료는 실제로 허용된 소성 변형의 일부를 통해 이미 연장된 일반적인(취성) 재료이다. 전위 축적으로 인해 전위 이동과 소성 변형이 충분히 방해받고, 전자 결합의 늘임과 탄성 변형이 한계에 도달하면 세 번째 변형 모드가 발생한다. 바로 파괴이다.

3. 3. 가공 경화와 항복 강도

4. 가공 경화의 종류

4. 1. 의도적인 가공 경화

의도적인 가공 경화는 형태 변화를 유도하기 위해 소성 변형을 일으키는 금속 가공 공정에서 발생한다. 이러한 공정은 냉간 가공 또는 냉간 성형 공정으로 알려져 있으며, 통상적으로 상온에서 재결정 온도 이하의 온도에서 공작물을 성형하는 특징을 갖는다.^[6] 냉간 성형 기술은 일반적으로 압착, 굽힘, 인발, 전단의 4가지 주요 그룹으로 분류된다. 볼트와 캡 스크류의 머리 부분 제작 및 냉간 압연 강의 마감 처리에 적용된다. 금속의 냉간 가공은 경도, 항복 강도, 인장 강도를 증가시킨다.^[7] 금속은 공구강 또는 초경 합금 다이를 사용하여 고속 및 고압에서 성형된다.

4. 2. 의도하지 않은 가공 경화

기계 가공 중에 초기 절삭 공구 통과 시 공작물 표면이 의도치 않게 가공 경화되어 후속 통과 시 절삭 공구에 손상을 입는 경우가 있다. 특정 합금이 다른 합금보다 이러한 경향이 더 강하며, 인코넬과 같은 초합금은 이를 고려한 재료 과학 기계 가공 전략이 필요하다.

스프링과 같이 구부리도록 설계된 금속 물체의 경우, 가공 경화(소성 변형의 결과)와 금속 피로를 피하기 위해 특수 합금이 일반적으로 사용되며, 필요한 특성을 얻기 위해 특정 열처리가 필요하다.

5. 가공 경화의 정량적 분석

가공 경화 현상에 대한 두 가지 일반적인 수학적 설명이 있다. 홀로몬 방정식은 응력과 소성 변형량 사이의 멱법칙 관계이다:^[10]

:σ^영어 = Kε_p^영어ⁿ

여기서 ''σ''는 응력, ''K''는 강도 지수 또는 강도 계수, ''ε_p''는 소성 변형률, ''n''은 가공 경화 지수이다. 루드윅 방정식은 유사하지만 항복 응력을 포함한다:^[11]

:σ^영어 = σ_y^영어 + Kε_p^영어ⁿ

재료가 이전 변형(저온에서)을 겪었다면 항복 응력은 이전 소성 변형률 ''ε₀''의 양에 따라 증가한다.

:σ^영어 = σ_y^영어 + K(ε₀^영어 + ε_p^영어)ⁿ

상수 K는 구조 의존적이며 공정에 영향을 받는 반면, n은 일반적으로 0.2~0.5 범위에 있는 재료 특성이다. 가공 경화 지수는 다음과 같이 설명할 수 있다.

:n = d log(σ)/d log(ε)^영어 = ε/σ^영어dσ/dε^영어

이 방정식은 log(σ) – log(ε) 플롯의 기울기에서 평가할 수 있다. 재배열을 통해 주어진 응력과 변형률에서 가공 경화율을 결정할 수 있다.

:dσ/dε^영어 = n σ/ε^영어

5. 1. 전위 밀도와 전단 강도

전단 강도

\tau

는 전위의 전단 탄성 계수 G, 버거스 벡터의 크기 b, 전위 밀도

\rho_\perp

에 따라 달라진다.

:

\tau = \tau_0 + G \alpha b \rho_\perp^{1/2}

여기서

\tau_0

는 낮은 전위 밀도를 가진 재료의 고유 강도이며,

\alpha

는 재료에 특정한 보정 계수이다.

가공 경화는 전위 수에 대해 제곱근의 의존성을 갖는다. 재료는 높은 수준의 전위 (제곱미터당 10¹⁴개 이상의 전위)가 있거나 전위가 전혀 없을 경우 높은 강도를 나타낸다. 중간 정도의 전위 수 (제곱미터당 10⁷개에서 10⁹개 사이의 전위)는 일반적으로 낮은 강도를 나타낸다.

5. 2. 가공 경화 지수 (n값)

가공 경화 현상에 대한 두 가지 일반적인 수학적 설명이 있다. 홀로몬 방정식은 응력과 소성 변형량 사이의 멱법칙 관계이다:^[10]

:σ = Kε_pⁿ

여기서 ''σ''는 응력, ''K''는 강도 지수 또는 강도 계수, ''ε_p''는 소성 변형률, ''n''은 가공 경화 지수이다. 루드윅 방정식은 유사하지만 항복 응력을 포함한다:^[11]

:σ = σ_y + Kε_pⁿ

재료가 이전 변형(저온에서)을 겪었다면 항복 응력은 이전 소성 변형률 ''ε₀''의 양에 따라 증가한다.

:σ = σ_y + K(ε₀ + ε_p)ⁿ

상수 K는 구조 의존적이며 공정에 영향을 받는 반면, n은 일반적으로 0.2~0.5 범위에 있는 재료 특성이다. 가공 경화 지수는 다음과 같이 설명할 수 있다.

:n = dlog(σ)/dlog(ε) = ε/σ * dσ/dε

이 방정식은 log(σ) – log(ε) 플롯의 기울기에서 평가할 수 있다. 재배열을 통해 주어진 응력과 변형률에서 가공 경화율을 결정할 수 있다.

:dσ/dε = nσ/ε

가공 경화 계수(또는 변형 경화 지수^[14], n값)는 드로잉 가공성의 지표가 되는 특성값이다. 항복점 이상의 소성 영역(이를 균일 소성 변형 영역이라고 부름)에서의 진응력 σ_a와 변형률 ε과의 관계를 근사시켰을 때의 지수 ''n''으로 정의된다. 근사식은 가장 단순하게 진응력 σ_a와 대수 변형률

\hat\varepsilon

의 관계식,

:σ_a=F

\hat{\varepsilon}

ⁿ

의 n승 경화 법칙^[15] 외에 강철 재료에 잘 맞는 Swift의 식, 또는 알루미늄에 잘 맞는 Voce의 식 등이 있다. 근사식은 재료에 따라 다르다.

일반적인 n값은 0.15 - 0.45 정도이며, 대표적인 부드러운 금속인 알루미늄에서는 0.27, 단단한 금속인 18-8 스테인리스강에서는 0.50이다.

6. 특정 재료에서의 가공 경화

6. 1. 강철

강철은 많은 분야에서 사용되는 중요한 엔지니어링 재료이다. 강철은 저온에서 변형시켜 가공 경화될 수 있으며, 이를 냉간 가공이라고 한다. 일반적으로 냉간 가공의 증가에 따라 가공 경화 지수는 감소한다. 마찬가지로, 고강도 강도 낮은 가공 경화 지수를 보이는 경향이 있다.

6. 2. 구리

구리는 산화되지 않은 형태로 구할 수 있는 몇 안 되는 금속 중 하나이므로 도구와 용기로 널리 사용된 최초의 금속이며, 광석을 제련할 필요가 없었다. 구리는 가열한 후 냉각하면 쉽게 연화된다(냉각수, 즉 찬물에 담가서 경화되지 않는다). 이 어닐링 상태에서 망치질, 늘이기 등으로 원하는 최종 형상으로 만들 수 있지만, 작업이 진행될수록 경도가 높아지고 연성이 감소한다. 경도가 일정 수준을 넘어서면 금속이 가공될 때 파괴되는 경향이 있으므로 성형을 계속할 때 주기적으로 재어닐링을 할 수 있다. 어닐링은 공작물이 최종 원하는 형상에 가까워지면 중단되므로, 최종 제품은 원하는 강도와 경도를 갖게 된다. ''르푸세'' 기법은 구리의 이러한 특성을 이용하여 내구성이 뛰어난 장신구와 조각품(예: 자유의 여신상)을 제작할 수 있게 한다.

6. 3. 금 및 귀금속

대부분의 금 장신구는 주조로 생산되며, 냉간 가공은 거의 또는 전혀 이루어지지 않는다. 합금 등급에 따라 금속이 비교적 무르고 구부러지기 쉬울 수 있다. 하지만, 세공인은 반지와 같이 스트레스를 받는 착용 가능한 물체를 강화하기 위해 의도적으로 가공 경화를 사용할 수 있다.

6. 4. 알루미늄

알루미늄 및 알루미늄 합금으로 만들어진 품목은 파국적인 실패로 이어질 수 있는 가공 경화 및 그에 따른 응력 균열을 최소화하거나 균등하게 분산하도록 신중하게 설계해야 한다. 이러한 이유로 현대식 알루미늄 항공기는 강제 사용 수명을 가지며, 이 기간이 지나면 해당 항공기는 퇴역해야 한다.

참조

_[1] 논문 Automated Calculation of Strain Hardening Parameters from Tensile Stress vs. Strain Data for Low Carbon Steel Exhibiting Yield Point Elongation https://doi.org/10.1[...] 2023-12-01
_[2] harvnb
_[3] 간행물 On the origin of strain hardening in glassy polymers
_[4] 간행물 Properties of Indium and Thallium at low temperatures
_[5] harvnb
_[6] harvnb
_[7] 웹사이트 Cold Forming and Cold Heading Process http://www.deringern[...] Deringer-Ney 2014-04-29
_[8] 간행물 Scaling approach to conical indentation in elastic-plastic solids with work hardening http://dspace.imech.[...]
_[9] 서적 Integration of Mechanics into Materials Science Research: A Guide for Material Researchers in Analytical, Computational and Experimental Methods https://books.google[...] Lulu.com 2013
_[10] 논문 Tensile deformation
_[11] 서적 Elemente der Technologischen Mechanik Springer Berlin Heidelberg
_[12] 문서 C.Kittel、pp.286-289、 20.転位、すべり - 転位
_[13] 문서 古沢、pp.112-113、9.鋼の塑性加工、9.1.3 加工硬化による鋼の強化
_[14] 서적 機械材料学日本材料学会
_[15] 문서 式中のFは、変形抵抗の大きさ
_[16] harvnb
_[17] harvnb

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