금속의 기계적 특성 이해

금속 재료의 특성에는 서비스 성능과 공정 성능이 포함됩니다. 서비스 성능은 사용 중에 나타나는 특성(기계적 특성, 물리적 특성, 화학적 특성 등)을 말합니다. 공정 성능은 다양한 가공 과정에서 금속 소재가 나타내는 특성(주조 성능, 단조 성능, 용접 성능, 열처리 성능, 절삭 성능 등)을 말합니다.

일반적으로 금속 재료의 선택은 주로 기계적 특성을 기반으로 합니다. 금속 재료의 기계적 특성은 힘의 작용 하에서 금속 재료가 나타내는 응력-변형률 관계, 즉 힘의 작용 하에서 금속 재료가 나타내는 저항과 관련되거나 이를 포함하는 특성을 말합니다. 일반적인 기계적 특성에는 강도, 가소성, 경도, 인성, 피로 강도 등이 포함됩니다.

I. 강도 및 가소성

1. 힘

금속 재료가 힘의 작용에 의해 변형 및 파손에 저항하는 능력을 강도라고 하며, 일반적으로 인장 시험 방법으로 측정합니다.

테스트 전에 테스트할 금속 재료는 표준 GB/T 228.1-2010에 따라 특정 모양과 크기의 인장 시편으로 만들어집니다. 시험하는 동안 표준 시편을 인장 시험기에 고정하고 천천히 하중을 가합니다(정하중).

시편 연신율은 시편이 파단될 때까지 힘이 증가함에 따라 증가합니다. 시험기의 자동 기록 장치는 전체 인장 시험 과정에서 힘과 해당 연신율 사이의 관계를 보여주는 힘-신장 곡선을 그릴 수 있습니다. 그림 1은 어닐링된 저탄소강의 힘-신장 곡선을 보여줍니다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 힘 F가 0일 때 연신율 ΔL은 0입니다. 힘이 0에서 점 a까지 점차 증가하면 시편의 연신율은 힘에 비례하여 증가합니다. 이때 힘을 제거하면 시편은 원래 모양과 크기로 완전히 돌아올 수 있으며, 이는 시편이 탄성 변형 단계에 있음을 나타냅니다.

힘이 점 a를 초과하면 시편은 탄성 변형뿐만 아니라 소성 변형(또는 영구 변형)을 겪게 되며, 이는 힘을 제거한 후에도 시편이 원래 모양과 크기로 완전히 돌아갈 수 없음을 의미합니다. 힘이 점 b까지 증가하면 곡선에 수평(또는 톱니 모양) 세그먼트가 나타나 힘이 증가하지 않고 시편이 계속 늘어나는 것을 나타냅니다. 이 현상을 "굴곡"이라고 합니다.

힘이 점 d를 초과하는 경우(해당 힘 F_eL ), 힘의 증가에 따라 시편의 연신율이 증가하여 시편이 많은 양의 소성 변형을 겪었음을 나타냅니다. 힘이 점 c까지 계속 증가하면(해당 힘 F_m ), 시편은 일반적으로 "넥킹"으로 알려진 국부적인 직경 감소 현상을 보입니다. 힘이 점 K까지 서서히 감소하면 시편은 네킹 지점에서 부러집니다.

(1) 수율 강도

금속 재료가 항복하는 최소 응력을 항복 강도라고 하며, 기호 R로 표시됩니다. _eL (MPa), 즉

R_eL=F_eL/S₀

어디

• F_eL --재료가 항복하는 동안 견디는 최소 힘(N);
• S₀ -시료의 원래 단면적(mm) ² ).

일부 금속 재료(예: 고탄소강, 주철 등)는 인장 시험 중에 항복이 뚜렷하게 나타나지 않아 항복 강도를 측정하기 어렵습니다.

이러한 경우 엔지니어링에서 지정된 잔류 연신율 강도 R은 인장력을 제거한 후 게이지 길이의 지정된 비율에 해당하는 응력인 재료의 항복 저항을 반영하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 지정된 잔류 연신율 0.2%에서의 응력은 R로 표시됩니다._r0.2 .

R_r0.2=F_r0.2/S₀

공식에서 F _r0.2 는 인장력을 제거한 후 잔류 연신율이 0.2%일 때 시편이 견디는 힘(N)을 나타냅니다.

항복 강도는 금속 재료가 약간의 소성 변형에 견디는 능력을 나타냅니다. 재료에 가해지는 응력이 항복 강도보다 낮으면 약간의 소성 변형만 발생하고, 항복 강도를 초과하면 상당한 소성 변형이 발생합니다.

(2) 인장 강도

시편이 파단되기 전에 견딜 수 있는 최대 인장 응력을 인장 강도라고 하며, 기호 R로 표시됩니다._m (MPa).

R_m=F_m/S₀

공식에서 F_m 는 시편이 부러지기 전에 견딜 수 있는 최대 힘(N)입니다.

인장 강도는 금속 재료가 최대 균일한 소성 변형 또는 파단에 견디는 능력을 나타냅니다. 가소성이 좋지 않은 일부 재료는 인장 시험 중에 뚜렷한 항복이 나타나지 않지만 인장 강도는 비교적 쉽게 측정할 수 있습니다. 따라서 인장 강도는 재료의 강도를 측정하는 중요한 지표이기도 합니다.

2. 가소성

금속 재료가 힘의 작용으로 부서지기 전에 최대 소성 변형을 겪는 능력을 가소성이라고 합니다. 파단 전 소성 변형이 클수록 가소성이 좋은 것입니다. 일반적인 가소성 지표로는 파단 후 연신율과 면적 감소가 있으며, 이는 시편의 인장 시험으로 측정하기도 합니다.

(1) 골절 후 연신율

시편이 파단된 후 원래 게이지 길이에 대한 게이지 길이의 잔류 연신율의 백분율을 파단 후 연신율이라고 하며, 기호 A로 표시됩니다.

A=(L_u-L_o)/L_o×100%

어디

• L_u -시편 파손 후 게이지 길이(mm);
• L_o -시편의 원래 게이지 길이(mm).

(2) 면적 감소

파단 후 시편의 단면적에서 시편의 원래 단면적에 대한 최대 감소율의 백분율을 면적 감소율이라고 하며, 기호 Z로 표시됩니다.

Z=(S_o-S_u)/S_o×100%

어디

• S_u - 골절 후 시편의 최소 단면적 (mm)² );
• S_o - 시료의 원래 단면적(mm)² ).

파단 후 연신율과 면적 감소는 모두 소재의 중요한 성능 지표입니다. 값이 클수록 소재의 가소성이 우수하다는 것을 의미합니다.

II. 경도

경도는 금속 재료가 변형, 특히 움푹 패이거나 긁힘과 같은 영구적인 변형에 저항하는 능력, 즉 국부적인 소성 변형 및 손상에 저항하는 능력을 말합니다. 일반적으로 경도가 높을수록 내마모성이 우수하고 강도가 높습니다.

현재 생산 공정에서 경도를 측정하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법은 압입 경도 테스트입니다. 이 방법은 특정 기하학적 모양의 압자를 사용하여 특정 하중을 가하여 테스트 대상 금속 재료의 표면에 압입합니다. 압입 후 변형 정도에 따라 경도 값이 결정됩니다.

동일한 압자를 사용하여 동일한 하중을 가했을 때 압입 후 변형 정도가 크면 재료의 경도가 낮아지고 반대로 경도가 높아집니다. 브리넬 경도 및 로크웰 경도 테스트는 생산에 가장 널리 사용되는 테스트입니다.

1. 브리넬 경도

브리넬 경도 측정의 원리는 특정 직경 D의 경질 합금 볼을 압입구로 사용하여 지정된 시험력 F로 시험 대상 금속의 표면에 압입하는 것입니다(그림 2 참조). 지정된 시간 동안 힘을 유지한 후 테스트 힘을 제거하고 테스트 대상 금속 표면의 압흔의 직경 d를 측정합니다. 브리넬 경도 값은 압흔의 구형 표면적에 대한 시험 힘의 비율에 HBW 기호로 표시된 상수(0.102)를 곱하여 계산합니다. 브리넬 경도 테스트 범위의 상한은 650HBW입니다.

브리넬 경도 값은 경도 숫자, 경도 기호, 시험 조건(볼 직경, 시험 힘, 유지 시간)으로 표시됩니다. 예를 들어 350HBW5/750은 직경 5mm의 경질 합금 볼에 7.35kN의 시험력을 가하여 10~15초 동안 측정한 브리넬 경도 값 350을 나타냅니다. 경도 값이 클수록 테스트한 재료의 경도가 높다는 것을 의미합니다.

2. 로크웰 경도

로크웰 경도 측정의 원리는 정점 각도가 120°인 다이아몬드 콘 압자 또는 직경 1.5875mm의 경화 강철 볼 압자를 사용하는 것입니다. 압자는 초기 테스트 힘과 초기 및 주 테스트 힘을 합친 힘으로 테스트 대상 금속의 표면에 압착됩니다(그림 3 참조). 지정된 시간 동안 힘을 유지한 후 주 시험력이 제거되고 잔류 압입 깊이의 증가에 따라 금속 재료의 경도가 결정됩니다.

그림 3에서 위치 0-0은 원뿔 압자의 초기 위치, 즉 압자가 테스트 금속의 표면에 닿지 않은 위치이고, 위치 1-1은 깊이 h입니다._o 의 초기 시험력 98.07N(10kgf)에서 압자의 위치 2-2는 깊이 h입니다.₁ 의 압자의 주 시험력을 가한 후; 주 시험력을 제거한 후, 시험된 금속의 탄성 변형이 회복되어 압자가 3-3 위치로 h만큼 상승합니다.₂ .

따라서 테스트된 금속의 경도는 주 테스트 힘으로 인한 소성 변형의 깊이 h(잔류 압입 깊이)로 측정할 수 있습니다. 압입 깊이 h가 클수록 테스트한 금속의 경도는 낮아지고 반대로 경도가 높아집니다.

값이 클수록 경도가 높다는 개념에 따라, 일반적으로 상수 N에서 h/0.002를 뺀 값이 로크웰 경도 값으로 사용되며, 이는 기호 HR로 표시됩니다. 로크웰 경도 값은 경도 시험기의 다이얼에서 직접 읽을 수 있습니다.

HR=N1-h/0.002

공식에서 N은 상수입니다. 다이아몬드 압자를 사용하는 경우 N=100, 경화 강철 볼 압자를 사용하는 경우 N=130입니다.

로크웰 경도는 60HRC와 같이 기호 앞에 경도 값을 써서 표시합니다. 로크웰 경도의 일반적인 테스트 조건과 적용 범위는 표 1에 나와 있습니다.

표 1 로크웰 경도의 일반적인 테스트 조건 및 적용 범위(GB/T 230.1-2009에서 발췌)

III. 충격 인성

강도, 가소성, 경도는 정하중 하에서 측정되는 기계적 성능 지표입니다. 실제로 많은 기계 부품과 공구는 충격 하중을 받고 작동하는 경우가 많습니다. 이때 정하중 하에서 강도, 가소성, 경도를 충족하는 것 외에도 충격 하중을 견딜 수 있는 충분한 능력을 갖춰야 합니다.

금속이 손상되지 않고 충격 하중에 견디는 능력을 충격 인성이라고 하며, 금속 재료의 충격 인성은 충격 테스트를 통해 확인할 수 있습니다.

진자 충격 테스트는 현재 엔지니어링 기술에서 가장 널리 사용되는 방법입니다. 테스트할 금속 소재를 표준 충격 시험편으로 만들어 특수 진자 시험기에서 테스트합니다.

테스트 중에 시편을 테스트 기계의 지지대 위에 놓고 질량 m의 진자를 높이 h까지 올립니다.₁ 를 눌러 일정량의 에너지를 얻은 다음 진자가 자유롭게 떨어지도록 하여 시편을 부러뜨립니다. 시편을 부러뜨린 후 진자는 계속해서 높이 h까지 앞으로 올라갑니다.₂ . 이 과정에서 진자의 위치 에너지 차이는 시편을 부수는 데 소비되는 에너지로, 충격 흡수 에너지이며 단위 J(줄)로 표시되는 K로 표시됩니다.

충격 흡수 에너지가 클수록 소재의 충격 인성이 좋아지고, 반대로 충격 인성이 나빠지면 취성이 커집니다.

IV. 피로 강도

엔진 크랭크샤프트, 커넥팅 로드, 기어, 스프링 등과 같은 많은 기계 부품은 주기적으로 크기와 방향이 바뀌는 하중을 받는 경우가 많습니다. 이러한 유형의 하중을 교대 하중이라고 합니다.

교번 하중의 작용으로 부품이 받는 최대 응력 값이 항복 강도보다 훨씬 낮더라도 여러 사이클이 지나면 부품은 큰 외부 변형 없이 파단됩니다. 이러한 유형의 골절을 피로 골절이라고 합니다. 피로 골절은 종종 갑자기 발생하므로 매우 위험하며 종종 심각한 사고를 유발할 수 있습니다.

금속 재료가 무수히 많은 교대 하중에서 파단을 일으키지 않고 견딜 수 있는 최대 응력값을 재료의 피로 강도라고 합니다.

실제 시험에서 수많은 응력 사이클을 수행 할 수 없으므로 강철의 경우 응력 사이클 수가 10에 도달하면 다음과 같이 규정되어 있습니다.⁷ 회, 부품이 파단되지 않는 최대 응력을 피로 강도로 간주하며, 비철금속 및 일부 초고강도강의 경우 응력 사이클 수가 10인 경우 피로 강도로 간주합니다.⁸ 배를 초과하면 부품이 파손되지 않는 최대 응력을 피로 강도로 간주합니다.