소성변형의 특징에 대해서 공부하기

소성변형의 특징에 대해서 알아보려고 한다.

소성변형

다른 금속학적인 현장작업 경험을 바탕으로 볼 때, 열간과 냉간의 차이를 정의하는 것은 쉽지 않다. 금속을 열간가공할 때, 변형에 필요한 하중은 냉간보다 낮으며 계적 특성은 상대적으로 변화가 없다. 금속을 냉간가공할 때, 더 큰 힘이 필요하며 금속의 강도가 증가한다. 열간가공에서는 재료의 두께가 상당히 큰 폭으로 변화하지만 판재의 다듬질압연과 같은 냉간가공에서는 두께가 거의 변하지 않는다.

 

금속제품의 제작에 있어 원하는 형상을 만들기 위해 사용 할 수 있는 기본적인 방법으로는 주조, 기계가공, 용접과 변형공정이 있다. 열간가공은 변형공정이다. 금속변형은 금속의 흥미 있는 특성, 즉 금속이 고체상태에서 물리화학적 성질의 악화를 동반하지 않고 유동할 수 있는 능력을 이용한다. 또한 원하는 형상으로 만들기 위해 금속에 힘을 가할 때 재료의 손실이 거의 없다.

 

열간가공은 금속마다 다른 그 금속의 재결정 온도 이상에서 소성변형시키는 것이다. 열간가공은 반드시 높은 절대온도를 의미하는 것은 아니다. 예를 들어 납과 주석은 상온에서 열간가공한다. 몇 가지 일반적인 금속의 재결정온도는 다음과 같다.

• 알루미늄 : 150°C
• 구리 : 200°C
• 금 : 200°C
• 철 : 450°C
• 납 : 상온이하
• 마그네슘 : 150°C
• 니켈 : 590°C
• 은 : 200°C
• 주석 : 상온이하
• 아연 : 상온

열간가공은 재결정온도 이상에서 소성변형을 일으키므로 가공경화는 발생하지 않는다. 또한 열간가공된 금속은 탄성한계가 커지거나 강해지지 않고, 금속은 일반적으로 가하여지는 응력의 증가없이 부가적인 변형이 발생하는 점인 항복강도가 감소한다. 파단이 일어나지 않고 변형이 생기는 능력인 인성이 증가한다. 따라서 열간가공으로써 파단이 일어나지 않도록 힘을 가하여 금속의 형상을 심하게 변화시키는 것이 가능하다. 

 

금속의 재결정 온도는 열간인지 냉간인지를 결정한다. 강의 재결정은 500~700°C 부근에서 시작되지만 열간가공은 대부분 이 온도보다 높은 온도에서 행하여진다. 온도차이는 합금성분 때문이다. 재결정온도 범위의 하한에 이르기까지 기계적 가공에 의해서 경화되지 않는다. 납과 주석 같은  금속은 낮은 재결정온도를 가지므로 상온에서도 열간가공이 가능하다. 하지만 대부분의 상용 금속은 가열이 필요하다. 이러한 금속의 합금성분은 적절한 가공온도에 영향을 준다. 이러한 영향의 전형적인 결과는 재결정온도 범위를 증가시킨다. 또한 이 범위는 재료가 이전에 받은 냉간가공에 의해서도 변화한다.

 

열간가공 공정중에 금속은 소성상태에 있고 가압에 의해 즉시 변형을 일으킨다. 추가로 열간 가공은 다음과 같은 이점이 있다.

• 금속내부의 기공이 상당히 제거된다. 대부분의 잉곳에는 작은 구멍이 많이 있다. 이러한 구멍들은 가압되면 서로 합쳐져서 사라진다.
• 재개물 형태의 불순물이 파괴되어 금속 전체에 분포된다.
• 기둥형상 및 조대한 입자가 미세화된다. 열간가공이 재결정온도범위에서 이루어지므로 하한온도에 으를 때까지 미세화된 결정립자를 얻기 위한 작업을 계속한다.
• 주로 결정립 미세화에 따른 결과로서 물리적 성질이 향상된다. 인성과 충격에 대한 저항이 증가하고 강도가 증가하며, 금속의 균질화가 증대된다. 압연강재에서 최대강도는 금속의 유동방향인 압연방향에 있다.
• 열간에서 강의 형상을 바꾸는 데에 필요한 에너지의 양은 냉간에서 강이 필요로 하는 것보다 상당히 적다.

열간가공공정은  몇가지 무시할 수 없는 단점이 있다. 금속이 고온상태이므로 표면에서의 불량한 표면거칠기를 동반하는 급속한 산화 또는 스케일이 생긴다. 이러한 스케일의 결과로 정밀한 공차를 유지할 수 없다. 열간가공 장비의 가격과 그 유지비용은 많이 들지만 낮은 온도에서 작업하는 것에 비하면 열간공정은 더 경제적이며 작업의 목적도 냉간과 비슷하다.

 

열간 다듬질제품은 열간가공 작업을 통하여 "압연된 상태"로 구입된 강봉재, 판재, 또는 형재를 의미한다. 약간의 스케일을 제거하는 것 이외에 강재는 정밀한 치수공차를 필요로 하지 않는 교량, 선박, 철도차량과 같은 응용분야에 곧바로 사용된다. 이러한 제품은 탄소함유량이 0.25% 이하이므로 양호한 용접성과 기계가공성을 갖는다.