꿀잼 기계항공공학

안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!

기계공학 하면서 가장 먼저접하는 정역학... 그 중에서 오래봐야하고 또 재료역학에도 영향을 미치는

보(BEAM)에 관한 해석법을 계속 업로드하고 있습니다. 이번에는 외팔보가 아닌 단순보로 갖고 왔고요. 

단순보에서 많이 보이는 문제 유형인...

여러개의 집중하중이 있다면 어떻게 풀어나갈것인가 알아보도록 하겠습니다!

풀이법

문제는 그렇게 어렵지 않습니다. 어렵지 않은데... 좀 번거로워요. 문제 역시 제 정역학 교재였던..

BEER 외 2명, VECTOR MECHANICS FOR ENGINEER STATICS에서 가지고 왔습니다.  연습문제 7.36번입니다. 

문제 설명을 잠시 하자면.. A점과 B점은 모두 모멘트 반력은 없는 지지점입니다. 정역학 책에 지지대와 반력에 대해서 설명한 도표들이 있을테니 거기를 참고하시면 더 자세한 설명을 볼 수 있을 겁니다. 추후에 다시 다뤄봐야겠네용...ㅎㅎ

여기까지 해서 A, B 점의 반력을 구했습니다. 반력을 구하는데 총 두 개의 방정식을 사용하였네요. 첫 번째는 힘의 평형 방정식을 이용했고, 두 번째는 모멘트 평형 방정식을 이용했습니다. 미지수가 두 개 (Ra, Rb) 였고 방정식도 두 개였으니 풀릴 수 있었네요. 

 보 문제는 이것만 기억하세요. 첫 번째는 F.B.D (Free Body Diagram)을 그리고!

 두 번째! 힘과 모멘트 평형 방정식을 푼다. 그러면 반력을 구할 수 있고 S.F.D, B.M.D를 그려낼 수 있을 겁니다! 

하지만 이 유형은 S.F.D랑 B.M.D 그려내는게 많이 귀찮고 번거롭습니다. 왜냐면... 집중 하중이 3개나 되다보니 이 하중 구간별로 나눠야하는데 그 구간이 무려 4개나 됩니다. 또한... B.M.D 그릴때도 똑같이 4개 구간으로 나뉘게되니 한 번에 처리해봅시다. 

 왜 구간별로 나뉘어야하냐면 하중이 어느 지점에서 갑자기 툭 툭 내려가다가 반력이 마지막에 작용해서 보의 하중이 0이되는... 불연속적인 조건이기 때문에 그렇습니다. 

 이런 유형은 S.F.D, B.M.D 그리기가 귀찮을 겁니다. 하중이 세 개나 있다보니 구간 별로 나눠야하고..

구간이 네 개나 되다보니 엄청 ... 어려운건 아닌데 번거롭다는 느낌이 드는 문제 유형입니다.

구간이 나눠지다보니 이 문제 유형에서는 모멘트 선도(B.M.D)가 불연속은 아니지만, 전단력선도(S.F.D)는 불연속적인 모양이 되네요. 번거롭고 불연속적이긴 하지만 검산을 하면 틀렸는지 맞았는지 바로 알 수 있지요. 

절대로 어려운 유형은 아니기 때문에 이 정도 레벨은... 잘 마무리해서 좋은 점수를 받아야겠지요?

안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!

저번에는 보 문제 중 외팔보의 단순한 단위하중에 이어서 이번에는 좀 더 어려운 하중에 대한 문제풀이를 해보고 적응해보는 시간을 가져보려고 해용!

문제의 출처는 BEER 외 2인, VECTOR MECHANICS FOR ENGINEERS 10th 에서 가지고 왔습니다.

 첫 번째는 어디를 중심으로 문제풀이를 시작할 지 정하는 것입니다. 저는 A 점을 기준으로 문제풀이합니다. 이 문제같은 경우 직접해보면 왜 A 점 기준으로 문제풀이해야하는지 명확히 보입니다. B 점 기준으로 해도 되지만 그럴 경우 도심 지옥을 맛볼 것입니다... 

 그리고 저는 늘 언제나 오른쪽이 +x 방향이며 위쪽이 +y 방향입니다. 

 이 문제처럼 삼각형이나 다른 도형의 모양으로 단위하중 그래프가 그려지면 그 때부터 도심의 위치를 찾고 그 곳에 하중이 작용하는 것으로 계산해야합니다. 그렇게 해야 반력을 구할 수 있습니다. 그리고 지지점의 모멘트 또한 구할 수 있죠. 즉, 분포하중이 복잡한 모양인 경우에는 분포하중의 면적과 함께 분포 하중 그래프의 도심 위치를 정확히 찾아내지 못하면 문제 풀이가 안될 겁니다.  이것이 이전 포스팅에서 다뤘던 단순 단위하중분포와의 차이점입니다. 

 이렇게 수식으로 풀이하는 방법도 있겠으나, 단위하중은 단위로 표현하면 N/m 로 하중에 보의 길이를 나눈 값입니다. 즉, 1m 당 보가 받는 하중이란 말과도 같은것인데요. 공학적으로 보면 하중 단위가 되기 위해서는 보의 길이와 같이 어떤.. 길이와 관련된 수치를 곱하면 하중이 됨을 짐작해볼 수도 있습니다. 

 이 그림은 단위하중에서 하중으로 보를 변환한 모습입니다. 실제 보에 작용하는 하중은 wL/2 이며 하중이 작용하는 위치는 삼각형의 도심부... 즉 A점에서 x방향으로 2L/3 지점 떨어진 곳이네요.  

 이것은 B 지점에서의 반력과 반력 모멘트를 구한 것입니다. ㅎㅎ

 이 것은 A 지점에서 x 만큼 떨어진 지점에서의 하중의 함수를 그리기 위해서 수식을 사용한 것입니다. 검은색으로만 그리면 헷갈릴 것 같아 하중은 녹색으로, 모멘트는 붉은색으로 표기했습니다. 

 여기에선 전단력의 선도가 나오고...

 모멘트의 선도입니다. 외팔보의 경우 SFD, BMD 검산이 간단한데요. L( 보의 전체 길이) 를 넣어서 B 지점에서의 반력과 모멘트값이 나오면 풀이가 성공한 것입니다.  여기서는 삼각형만 대응했지만, 단위하중이 2차, 3차 여러 복잡한 모형으로 나와도 함수의 넓이 구할 줄 알고, 도심 구할 줄 알면 어떤 문제도 대응 가능합니다!

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!

정역학 이야기를 너무 오랬동안 안했네요 허허허...이번에는 드디어! 정역학 이야기를 좀 해보려고 합니다. 저는 역학을 너무 좋아하기에... 이번 포스팅은 행복하게 해보겠습니다!

참고자료

 본문의 문제는 VECTOR MECHANICS FOR ENGINEERS STATICS 10th 의 연습문제 7.29번을 참고하여 풀이 만들었습니다. 

문제에 대한 풀이

참고 자료의 7.29에 대한 내용을 그림으로 나타내면 아래와 같습니다. 

 우선 좌표 방향을 설정해줍시다. 저는 늘 위쪽방향을 +y, 오른쪽 방향을 +x 로 둡니다. 이렇게 하는게 습관이 되어서 그렇게 문제를 푼답니다. 

  단위 하중 문제는 단위 하중을 하중으로 변경해야합니다. 정역학에서 나오는 단위 하중은 단위 길이당 하중의 크기를 나타내는데요. 단위 하중은 길이를 곱하면 하중으로 변환할 수 있습니다. 이 상황에서는 우선 하중만 필요하니까 P=wL로 표기한 후 하중의 위치는 L/2 로 두었습니다. 하중의 위치 정하는 것은 이전에 언급했던 도심 개념을 이해하면 바로 하중의 위치를 정할 수 있습니다. 이 문제에서는 하중이 일정한... 사각형 형상인데 사각형의 도심은 중심부에 위치하므로 L의 중심부인 L/2에 두었습니다. 이 다음 문제인 7.30에서는 삼각형으로 단위하중이 표기되는데 그런 경우에는 하중의 위치를 삼각형의 도심에 두면 됩니다.  다음 포스팅에서 자세히 언급하도록 하겠습니다. 

Step 2는 B 지점의 반력을 구하는 과정입니다. 이건 쉽죠?

Step 3는 B 지점의 모멘트를 구하는 것입니다.  이것도 쉽지요?

Step 4 부터는 S.F.D를 그려봅시다. S.F.D는 Shear Force Diagram이라해서 전단력 선도라고 하는 것입니다. 이 그림을 그리는 능력... 별거 아닌거 같지만 나중에 꼭 필요한 것이니까 여기서 확실히 마스터해봅시다!

 저는 S.F.D의 시작점을 A점으로 정했습니다.  시작점을 어디다 정하는지는 본인이 맘대로 정하시면 됩니다. 단, 부호가 달라질 수 있으니까..부호 잘 설정해야합니다. 부호는 풀다보면 헷갈려서 잘 틀리니까요.

 이건 임의의 X 지점에서 V(전단력)의 함수를 구하는 과정입니다. 임의의 x 길이에서 하중은 wx로 표현이되며 이 하중과 V라는 하중의 식을 통해 전단력의 함수를 구할 수 있습니다. 아래 그림처럼요. 

 이렇게 함수가 구해지면 그림은 바로 그려낼 수 있습니다. 

 여기서 주의할 것은 A 점을 시작으로 함수를 그렸지만, x가 L인 지점에서는 반력이 적용됩니다.  반력이 작용해야 전체 보에서 하중은 0이 되며 이를 수식으로 표현한 것입니다. 그리고 위 그림에서 x=L인 지점의 함수값을 불연속값으로 만들었는데 이렇게 해야 x=L인 지점에서 0이 된다는 것을 표현하려고 한 것입니다. 고등학생 시절 배운 불연속 개념을 여기 적용했습니다. 

B.M.D (Bending Moment Diagram)도 S.F.D와 같은 방식으로 해결하면 됩니다. 

굽힘 모멘트 역시 x=L인 지점에서 반력으로 작용하는게 있기 때문에 빼줘야합니다. 그래야 x=L, 즉 B 지점에서의 모멘트 역시나 0이 되니까요. 

 이 풀이는 단위하중과 하중간의 관계식을 이용해 문제를 해결하는 방법입니다. 눈치가 빠르신 분들은 단위 하중이 왠지 하중과 어떤 수식 관계에 있을 것이라는 생각을 하셨을 텐데... 맞습니다. 이 내용은 참고자료로 쓴 책의 373 페이지에도 자세히 나와있습니다. 

이 수식을 한 번 자세히 보도록 할까요?

C점과 C' 지점은 아주 미세한 간격을 가진 지점으로 가정한 것입니다. 이 상태에서 두 지점들의 힘과 모멘트의 수식을 정리하면 아래그림과 같습니다. 

 위의 V와 w 간의 내용은 이해하는데 어려움이 없을 거라 생각합니다. 하지만...

 여기는 좀 어려울 수도 있는데.. 요약하면 w는 같이 곱해진 △x 가 0이 되어버리는 바람에 소거되어서 결국 V와 M만 남는 관계식이 되는 것이지요.  

 즉, 이 두 관계식 V와 w의 관계, 그리고 M과 V의 관계식이 이렇게 증명되며 두 개의 관계식을 잘 이용하면 보 (Beam)문제를 적분을 이용해 쉽게 해결할 수 있다는게 요지입니다.  같은 원리로 모멘트도 적분을 이용하면 쉽게 구할 수 있습니다. 

 적분을 이용해 V, M의 함수를 구하고 x=L 지점에서  반력과 반력모멘트의 영향을 고려해 선도를 그리면 문제는 쉽게 해결할 수 있습니다.  이제 다음 번 포스팅은 단위하중이 간단한 형상이 아니라 복잡한 삼각형 형상일 경우 어떻게 해결해야할 지 한 번 도전해봐야겠네요!

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!

강의 열처리편도 이제 슬슬 마무리하려고 합니다. 정말 길었네요 허허허..

이제 풀림끝내고 나머지 한 편 마무리하고 열처리는 끝내려고 합니다. 이제 그 마지막! 풀림에 대한 이야기입니다. 

풀림(Annealing, 소둔)?

 풀림은 간단히 말하면 노 내에서 천천히 냉각하는 것입니다. 간단히 한 문장으로 더 비유하자면 1 시간에 1도 냉각한다 그렇게 이해하시면 될 것 같네요. 냉각이란 것은 같지만 불림과는 달리 노 내에서 아주 천천히 냉각하는 것입니다. 아주 천천히...

 이렇게 하면 냉간가공(재결정 온도 이하에서 변형 가공)을 한 소재의 가공성 개선, 절삭성 개선, 내부 응력 제거가 가능합니다. 이렇게 되는 이유는 풀림하는 동안 금속 조직 내에서 재결정화되기 때문입니다. 풀림도 여러가지가 있습니다. 

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1. 완전 풀림 (Full anneal)

 보통 풀림이라고 하면 완전 풀림을 말합니다. 이 풀림은 탄소량을 기준으로 가열 온도가 결정됩니다. 탄소량이 0.76% (공석점 탄소량)이상인 경우(과공석강) 가열은 A3선 이상, 아그 이하(아공석강)면 A1선 이상의 온도로 가열 후 5~30˚C/h 의 속도로 냉각시키는 풀림방법입니다. 이 풀림방법은 보통 냉간가공 혹은 담금질 영향을 없에기 위해서 하며 잔류응력 제거가 가능합니다. 아..

과공석강인 경우 층상펄라이트와 초입 시멘타이트 조직이, 아공석강에서는 페라이트와 층상펄라이트조직이 나옵니다. 

2. 항온 풀림 (Isothermal anneal)

 이 방법은 완전 풀림과 약간 다릅니다. 완전풀림은 가열 후 냉각을 진행하지요? 하지만 항온 풀림은 가열 후 냉각을 하지만.. 중간에 600~650˚C에서 일정 시간동안 이 온도를 유지한 후 다시 냉각을 진행하는 방법입니다. 이렇게 하는 이유는 빠른 연화를 통해 공정시간을 단축가능하기 때문입니다. 이 방법은 공구강이나 특수강을 풀림하는데 주로 사용됩니다. 

3. 공정 풀림 (Process anneal)

 이 풀림은 냉간 압연된 제품 (강판, 형강 등) 혹은 드로잉된 제품에 생긴 내부 응력을 제거하고 소성변형으로 높아진 경도를 줄이기 위해 하는 풀림입니다.  온도 범위는 그림1. 참조 바랍니다. 그림1은 완전 풀림 설명란에 있습니다. 

4. 구상화 풀림 (Spheroidizing anneal)

 이 풀림은 강 중의 탄소를 구상형태로 바꾸기 위해 시도하는 작업입니다. 강 내에 시멘타이트(Fe_3C)를 석출하여 강의 내피로, 내충격성, 담금질 효과를 키우고 가공성을 개선하기 위한 작업으로 보시면 됩니다. 

5. 응력 제거 풀림 (Stress-relief anneal)

 용접을 하면 금속 재료가 뒤틀리거나, 잔류응력이 남아 파손이 될 수 있습니다. 용접 뿐만 아니라 소성 가공에서도 발생할 수 있는 잔류응력을 제거해야할 경우가 생기는데 이 경우 풀림을 이용해 잔류 응력을 제거할 수 있습니다.  그림 1에서는 응력 제거 풀림 온도 범위가 표기되지 않아서 다른 그림 하나 더 올립니다. 

이 풀림은 다른 풀림들과 달리 재결정 온도 미만의 온도에서 열처리를 시행합니다. 

그럼 이 열처리는 주로 용접을 하였을 때 시행하게 될 텐데 왜 용접을 하면 열처리를 해줘야하는지도 궁금할 수 있습니다. 

용접은 엄청난 열을 가해 재료를 붙이는 과정입니다. 이 열로 인하여 금속은 눈에 보이지 않는.. 결정과 조직이 변하게 됩니다. 강 또한 마찬가지며 변형이 일어나기 때문에 약해지는 부분이 생기고 이는 곧 용접부가 파괴됨을 말합니다. 이런 파괴를 막기 위해서 열처리를 하는 것이죠. 

마무리..

 길고 길었던 열처리 분야가 드디어 마무리되었네요.  강에 대해 배우고, 열처리에 대해 배우면서 느낀 것은 기계 재료에도 어마어마한 지식들이 녹아 있다는 점이었습니다. 내가 기계를 설계하면서 이런 사항들을 모르고 넘어간다면 좋은 설계자가 될 수 있을까 하는 생각이 우선 들었습니다. 그리고 공장에서 면발뽑듯 나오는 재료들도 사실은 다양한 규격과 다양한 열처리 방법에 의해 만들어지고 완성됨을 알 수 있었습니다. 

이제 어떤걸 할까...좀 더 고민도 하고 마무리 못한 이전 포스팅들도 있으면 그것들도 슬슬 마무리해야겠네요. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!

다들 잘 지내고 계신가요? 저는 지금도 열심히 공부중입니다...

이번 포스팅은 강의 열처리 중 불림(Normalizing, 소준) 이라는 과정에 대해서 알아보도록 합시다.

불림은 그렇게 어려운 열처리가 아니니까 간단하게 마무리하도록 하겠습니다. 

불림(Normalizing, 소준) 열처리

불림 열처리는 A3선 또는 Acm선 온도보다 약 30~60도 (온도는 서적이나 영상등 기록에 따라 다 다르나 보통 저 범위내에 들어갑니다.) 더 가열한 후 공기 중에 냉각시키는 열처리 방법입니다.  즉, 오스테나이트 조직을 공냉시켜 서서히 냉각시킨 후 초석 펄라이트와 페라이트 조직 또는 초석 시멘타이트와 펄라이트 혼합 조직으로 바꿔버리는 것이죠. 이렇게 공냉을 시키면 어떤 좋은 점이 발생할까요?

 위 사진과 같이 강의 결정 조직이 작아지게 됩니다. 커졌던 조직이 작아지면 어떤 좋은 점이 발생할까요?

 결정 조직의 크기가 작아진다면 기계적 성질 (강도, 인성,  연성)이 개선되고 동시에 잔류응력을 제거할 수 있습니다.  다만 중탄소강 및 합금강에서 많이 사용하며 이들 강재의 담금 및 뜨임 (QT)열처리 대용으로도 활용할 수 있지요. 

 보기좋게 이 내용을 정리한다면 다음 5가지로 요약 가능합니다. 

(1)  열간 가공 시 커져버린 강의 결정을 미세화시키고 내부 응력을 제거할 수 있음.

(2) 저탄소강을 불림하면 절삭성을 개선시킬 수 있음. 

(3) 탄소가 0.77% 이상인 경우 결정립 경계에서 그물망 모양으로 석출되는 탄화물을 제거해 결정립 내의 펄라이트 층 간격을 작게하고 구상화처리하여 균일한 탄화물을 생성하기 쉽게 하도록 함.

(4) 고주파 가열 및 화염 가열 같은 표면 열처리 시 급속 가열되는 표면이 오스테나이트화가 쉽게 되도록 표면의 결정립을 미세하고 균일하게 함. 이렇게하면 표면의 경도가 높아지기도 함과 동시에 균일하게 높아질 수 있음. 

(5)중탄소강 (보통 0.3~0.5% 탄소 함유량을 가진 강) 및 저합금강은 담금과 뜨임 열처리 대용으로 활용

 그리고 불림을 하였을 경우 물성치가 변한다고 했잖아요?

물성치 중 인장강도, 항복강도, 연신율이 변하기는 합니다. 보여드리려고 하는 자료를 보시면 안하는 것 보다 하는게 더 나을 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 

 이 자료는 불림  열처리를 한 것과 안한 샘플의 인장강도 차이를 보여주는 자료입니다.

이 자료는 불림 열처리를  하면 항복강도와 연신율이 얼마나 향상되는지 보여주는 자료입니다. 

소재로 쓰인 강재는 AISI 441로 탄소 함량이 적은 저탄소강입니다. (C 0.022%)

불림 열처리 방법

1. 보통 불림 방법

 이 방법은 대기중에 공냉하는 방법입니다. 주의할 것은 바람 부는 곳이나 양지 바른 곳 등 장소에 따라, 그리고 여름이냐 겨울이냐와 같이 바깥 기온에 따라 냉각속도가 달라지게 되며 냉각속도가 달라지면 불림 열처리 효과에 영향을 미치게 되므로 주의가 필요합니다. 

2. 2단 불림

 이 방법은 550도 까지 공냉 후 그 이후에는 다른 곳에서 서서히 냉각시키는 방법입니다. 이렇게 하면 구조용 강 (중탄소강, 0.3~0.5%)은 초석 페라이트가 펄라이트 조직으로 변하면서 강인성이 향상되는 것을 기대할 수 있습니다 

3. 등온  불림

 이 방법은 위에서 이야기했던 가열온도 (A3 또는 Acm 선보다 30~60도 더 가열한 상태의 온도)에서 등온 변태 곡선 코의 온도 부근인 550도 부근에서 등온 변태 시킨 후 상온까지 공냉하는 방법입니다. 그러니까, 550도까지 냉각후 여기서 온도를 유지한다는 거죠.  550도를 유지하는 이유는 이 온도로 5~7분 등온 상태 유지 후 베이나이트라고 하는 조직을 얻기 위해서 인것 같습니다.  베이나이트 조직이 되면 마텐사이트 조직과 달리 경도가 낮아지긴 하지만 그 만큼 인성이 늘어나고 강도도 적당해지기 때문이죠. 또한 저탄소 합금강의 경우 절삭성이 향상되기도 합니다. 

4. 2중 불림

 930도 온도까지 가열 후 공냉을 시킨 후 820도 온도로 한 번 더 가열 후 공냉시키는 방법입니다.  이 방법으로는 미세화된 펄라이트 조직을 얻을 수 있으며 차축재와 저온용 저탄소강 강인화에 주로 이 방법을 활용합니다. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다! 다들 겨울 준비는 잘 하고 계신가요? 저도 겨울에 일하면서 동시에 돈을 한푼한푼 차곡차곡 모으기 위해 글을 쓰고 있습니다. 이번 편은 강재의 기본 열처리 방법 중 하나인 뜨임에 대해 논해보려고 합니다. 뜨임.. 이것도 어려운 게 아니니까 같이 즐겁게 알아보도록 해볼까요!\

뜨임이란? (Tempering?)

 제가 강의 열처리 7편에서 담금에 대해 이야기했습니다. 뜨임은 보통 담금과 같이 진행이 됩니다. 담금과 뜨임을 현장에서는 QT 열처리라고 하거나 아니면 조질 처리했다고도 합니다. 그렇다면 뜨임이란 무엇일까요?

 강의 열처리 7편에서 담금을 하면 경도가 상승한다고 이야기했지요.  그렇지만 경도만 상승하면 과연 좋은 일일까요? 경도가 상승하면 겉은 단단해질지라도 충격에 굉장히 약해집니다.  구조물에 쓰이는 강은 충격에도 어느 정도 버틸 수 있어야 하기 때문에 조그마한 충격에도 쉽게 부서진다면 그것은 구조물로 쓰기 적합하지 않은 재료가 되지요. 그렇기 때문에 경도를 조금 희생하지만 대신 내충격성 (충격을 버티는 물성, 인성이라고도 함)을 향상시키는 작업이 필요한데 이를 뜨임이라고 합니다.  그럼 뜨임은 어떻게 진행되는걸까요?

뜨임의 방식

위의 그림은 뜨임(소려)를 간단하게 소개할 수 있는 그래프입니다.  간단히 말하면 물이나 기름으로 식힌 강재를 다시 한 번 더 구운 다음 식힌다는 내용입니다. 

 뜨임은  크게 두 가지 방법이 있습니다. 고온 뜨임이라는 방법이 있고 저온 뜨임이라는 방법이 있죠. 우선 고온 뜨임부터 설명드리도록 하겠습니다.

 고온 뜨임은 담금질 후 550℃~650℃ 까지 가열하는 것을 말합니다. 이렇게 했을 경우 마텐사이트 조직이 소르바이트 조직으로 변하게됩니다. 이렇게 높은 온도로 가열하는데는 몇 가지 목적이 있습니다. 

    - 잔류 응력 제거

    - 치수 및 형상 안정화

    - 경도와 인성을 조정함

  잔류 응력이라는 건 재료 내부에 남은 응력을 말합니다. 왜 재료 내부에 응력이 남느냐면 담금질을 할 때 무슨 효과가 생긴다고 했죠? 담금질을 하면 표면과 내부의 온도 차이 때문에 경도가 달라지는 질량 효과가 생깁니다. 내부와 표면의 온도가 다르다는 것은 수축되는 정도가 다르다는 것이고 이는 재료 내부에 응력을 발생시킬 수 있게 됩니다.  이 응력을 잔류응력이라고 하며 잔류응력이 남아있을 경우 재료가 인장이나 압축하중을 받을 경우 재료가 갈라지거나 피로 강도가 낮아질 수 있습니다. 이런 건 빨리 제거해야되겠죠? 

 그리고 담금질 된 강은 불안정한 상태기 때문에 담금질만 해놓고 오랬동안 방치해놓으면 마르텐사이트로 변하지 못한 오스테나이트들이 서서히 마르텐사이트로 변하게 되면서 재료가 팽창하게 됩니다. 이 때 조직이 변하면서 팽창하면 재료의 형상과 치수가 변하게 될 수 있는데 이를 방지하고자 뜨임을 하여 잔류 오스테나이트들을 최대한 많이 제거하는 것입니다. 

다만 이렇게 할 경우 고온 뜨임 취성이라는 현상이 발생하게 됩니다. 뜨임 중 500℃ 부근에서 강의 충격저항값이 떨어지는 현상이며 이 현상은 뜨임 후 급냉시키거나 몰리브덴, 텅스텐 등을 첨가하면 방지할 수 있습니다. 

 저온 뜨임은 담금질 후 150℃~200℃로 가열하여 냉각하는 방법입니다.  보통 침탄 처리 후 고탄소강 및 냉간공구강을 뜨임처리하는데 사용합니다. 인성보다 경도와 내마모성이 더 필요할 경우에는 이 온도에서 뜨임을 합니다. 이  온도 범위에서 나오는 마르텐사이트는 일반적으로 나오는 마르텐사이트에 비해서 내식성이 떨어지는 조직입니다.  

  저온 뜨임 시에도 취성이 발생하는데 이 경우 내충격성이 굉장히 많이 감소하게 되는 현상입니다. 

200℃~400℃ 범위에서 발생하는 취성이며 이 취성의 원인은 다양한데 크게 세 가지로 나뉘어집니다. 

   - 인, 질소 등의 불순물이 오스테나이트 결정을 만듦

    - 이 온도 범위에서 석출되는 얇은 판상의 시멘타이트

 방지책으로는 해당 온도 범위에서 뜨임을 피하는 것과 규소를 첨가하여 취성 발생 영역을 400

℃ 이상의 영역으로 이동시키는 방법이 있겠습니다. 

기타 - 2차 경화

 뜨임을 하면 2차 경화라는 현상이 생깁니다. 이 현상은 600℃ 전후의 온도에서 재료가 다시 경화가되는 현상입니다. 탄소강에서는 일어나지 않으나 합금강에서는 일어나는 현상입니다. 간단히 말해 합금 원소 양이 많아질 경우 연화되는 듯 하다가 다시 경화되는 현상입니다. 

 이해하기 쉽게 이야기하면 재료가 부드러워지는듯 하다가 다시 단단해진다는 뜻입니다.  합금강 내에 있는 탄화물 생성 경향이 큰 원소들(Mo, V, Ti, W, Cr 등)이 탄소와 결합된 조직이 마르텐사이트 내에서 녹아서 생기는 현상입니다. 

 방지할 수 있는 방법은 다음과 같습니다. 

    - P, Sb, N 등 불순물 감소

    - 고온 뜨임 후 급냉 시킬 것

    - 담금질을 할 때 잔류 오스테나이트는 최대한 많이 제거해둘 것

    - 오스템퍼링을 통해 인성을 높인다.

다만 이 경화 현상은 고속도강과 같이 높은 온도에서도 경도를 유지해야하는 재료에는 특별히 나쁜 현상은 아니기 때문에 용도에 따라 2차경화를 활용하거나 아니면 최대한 피해야할 것 같네요. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 티스토리에 다시 오랜만에 역학에 관련된 이야기를 해보는군요. 철의 열처리 이야기만 하다가  한 번쯤은 다른 이야기를 해보는 것도 좋을 것 같아 주제를 바꿔서 이야기를 해보도록 하겠습니다. 

 이번 이야기는 역학에서 가장 기본 중 하나인 뉴턴 법칙에 대해 이야기를 짧게하려고 합니다. 어쩌피 뉴턴 법칙은 많은 예제와 많은 연구가 되어있는 만큼 제가 할 이야기는 많이 없을 것 같아요. 다만 다수의 사람들이 정리하지 않은 뉴턴 법칙의 한계점과 그 극복에 대해서 말해보려고 합니다. 

뉴턴의 1, 2, 3 법칙의 전제 사항

 뉴턴의 법칙은 중학생들도 다들 알 정도로  중학교 과학에 일찌감치 등장하는 내용입니다. 이렇게 빨리 배운다는 것은 그 만큼 누구나 알아야할 정도로 중요한 내용이라는 뜻이죠.  그렇지만 대다수의 사람들이 뉴턴의 법칙은 사실만 외울 뿐 어떤 상황에서 적용되는지는 잘 모르는 경우가 많은 것 같았습니다. 

 우선 뉴턴의 법칙은 점질량의 합력과 운동량의 관계에 대한 것이란 걸 알아야합니다. 

     -  점질량은 부피가 없고 질량만 있는 점임.

즉, 힘을 받는 물체가 점질량임을 알고 뉴턴의 법칙을 활용해야하는 것이죠. 만약 점질량이 아닌 강체라면 강체역학으로 물체의 운동을 해석하면 됩니다.  혹은 유체의 움직임을 분석하겠다고 하면 나중에 말할 검사 체적 개념으로 접근하시면 됩니다. 

그럼 이제 뉴턴의 법칙 3가지를 짧게 이야기하도록 하겠습니다. 

1. 관성의 법칙

 관성의 법칙은 모두가 알고 있듯이 정지하는 물체는 계속 정지하려고 하고 등속 운동하는 물체는 계속 등속운동을 한다는 법칙을 말합니다. 이야기의 뜻은 그렇게 어렵지 않습니다. 다만 관성과 헷갈리는 관성력이라는 개념은 여기서 정리해야할 듯 합니다. 

 관성이라는 것은 물체가 계속 그 상태를 유지하려는 성질을 말하는 것입니다. 반면 관성력이라는 개념은 원래는 존재하지 않는 힘이지만 물체 운동상태가 갑자기 변하면서 생기는 힘을 말합니다. 또는 구심력이 작용하는 물체 위에 정지 상태로 가만있는 물체가 받는 원심력도 관성력에 해당하지요.  

 즉, 관성과 관성력을 구분할 줄 안다면 뉴턴의 1 법칙은 크게 어려운 사항이 없다고 말씀드릴 수 있습니다. 

2.  힘, 질량, 가속도의 관계

 F = ma 라는 수식으로 유명한 2법칙입니다. 저는 정확히 요렇게 쓰는 것을 권합니다. 

이렇게 쓰든 F=ma라 쓰든 넓게 보면 틀린 것은 아니나  F=ma라고 쓰면 마치 질량이 변하지 않는 것 처럼 느껴지기 때문이죠. 사실 역학에서는 보는 관점에 따라 질량이 변하는 경우도 있다는 거 참고 하시기 바랍니다. 그런 문제들을 만났을 때 제가 권하는 방식으로 접근해야 고민하는 시간을 줄일 수 있을 겁니다.  그런 예시를 몇 개 들자면 우선 물체가 광속에 가까운 속도로 이동할 경우 질량이 변할 수 있습니다. 그리고 로켓이 발사될 때 역시 질량유량이라는 게 존재하고 이 때 로켓의 질량은 시간이 지나면 줄어드니까 질량이 변한다고 볼 수 있겠지요? 

3.  작용 반작용의 법칙

 작용 반작용은 프린시피아에 있는 그대로 옮겨오면 다음과 같습니다. 

"모든 작용(힘)에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 수반된다. 두 물체 사이에 교환되는 힘은 항상 그 크기가 같고 방향은 반대이다. " 라는 뜻입니다. 이 작용과 반작용을 이런 예시로 많이 이야기합니다. 

1. 지구가 나를 당길 때 

2. 나 또한 지구를 같은 힘으로 당기고 있다. 

요렇게 이야기를 합니다. 

 아니면 두 물체가 충돌했을 경우에도 이 법칙을 이용해 문제 해결을 많이 하죠. 

4.  2법칙과 3법칙의 예시

이 2 법칙과 3법칙을 쉽게 설명할 수 있는 것을 찾아봤습니다.  

 위 그림 처럼 두 물체가 실에 연결된 상태로 3kg 인 물체에 10 N이라는 힘을 작용해봅시다. 그러면 두 물체는 연결되어 있고 하나의 물체로 움직인다고 가정하면 

2 법칙의 수식에 의해 다음과 같이 표시됩니다.

여기서 dv/dt는 가속도입니다.  그럼 이 수식을 통해 두 물체는 각각 가속도 2m/s^2만큼 작용함을 알 수 있습니다. 

두 물체의 FBD 을 그려보면 위 그림과 같습니다. FBD에 관한 이야기는 여기 포스팅을 참고해주세요.  ①의 물체의 FBD는 오른쪽으로 장력만 작용합니다. 장력의 크기는 아까 위에서 구한 가속도를 이용하면 구할 수 있습니다. 2m/s^2이었으므로 4N이 되겠네요. 

②의 3kg 물체는 오른쪽으로 10N의 힘과 함께 왼쪽으로 장력 4N이 작용합니다. 10N의 힘과 4N의 힘은 한 물체에서 작용하고 있습니다. 두 힘은 같은 작용점에 위치하고 있기 때문에 연산이 가능합니다. 그러면 3kg의 물체는 10 - 4 = 6 N 이라는 계산결과가 나오지요. 이 계산결과는 질량 x 가속도를 한 값과 같습니다.  이 물체를 통해서 실습할 수 있는게 2 법칙과 3법칙에 대한 내용이죠. 2법칙이야 수식을 적용하면 된다 치고 3법칙은 어떻게 이해할 수 있을까요? 

 저는 이 문제에서 3법칙은 두 물체에 연결된 실을 통해 확인할 수 있다고 봅니다. 3kg 물체와 2kg물체는 실로 연결되어 있는데 3kg의 물체에서 10 N의 힘을 받음과 동시에 오른쪽으로 이동하지요. 근데 3kg의 물체는 실로 연결되어 있습니다. 2kg의 물체와 함께요. 그러면 2 kg의 물체에도 실을 통해 영향을 주게 됩니다. 그 때 2kg의 물체에 4N의 힘을 작용하게 되고 반대로 3kg의 물체에도 4N의 힘이 왼쪽으로 발생하게 되는 것이죠. 그것 때문에 원래 10 N의 힘이 4N만큼 감산되어 6N이 된 것이고요. 

 추가로 이 문제를 이해하는데 중요한 개념인 장력을 하나 이해해두면 좋겠네요.  장력은 실을 당길 때 생기는 힘입니다. 실이나 케이블에 물체를 연결하고 당기면 실이 탱탱해지면서 물체를 당기게 되겠죠. 그 때의 힘이라고 생각하시면  됩니다. 

 장력은 특징이 있습니다. 하나의 실에서 발생한 장력은 그 크기가 모두 같다는 점입니다. 위 그림처럼 벽에 붙은 실을 T 라는 크기의 장력으로 왼쪽으로 당기면 벽 또한 실을 반대방향으로 T 만큼 당기게 되는것과 같습니다. 사실 실이 양쪽으로 T 만큼 당겨져야 실 전체에 작용하는 합력은 0 이되어 안움직이기 때문에 이렇게 되야 합니다. 장력은 실, 케이블 외에도 트러스 구조물에도 나오는 힘이니까 기계공학과 분들은 꼭 기억해두시기 바랍니다. 

5.  한계..그리고 그 극복!

 뉴턴의 법칙은 기계공학에서 광범위하게 쓰이는 이론입니다. 유체역학, 재료역학, 기계설계에서 정말 지겹도록 쓰이고 있습니다. 이 법칙은 지구상에서는 맞을 수 있습니다. 허나, 지구가 아닌 다른 곳에서도 이 법칙이 맞아떨어질까요? 우선 그 첫 번째 경우가 물체가 광속으로 움직일 경우입니다. 

 이 때는 뉴턴의 법칙이 성립하지 않습니다. 물체가 광속으로 움직일 때는 뉴턴의 법칙이 아니라 아인슈타인의 상대성 이론을 적용해야합니다.  

 상대 속도를 구할 때를 생각해봅시다. 자신을 기준으로 상대방의 속도를 본 것이기 때문에 상대속도는 상대방의 속도 - 나의 속도라는 방법으로 계산하면 내가 본 상대방의 속도가 나오죠. 그런데 만약 이 방법이 광속 그 이상일 경우에도 통할 수 있을까요?  결론만 이야기하면 그럴 수 없다는 겁니다. 간단히 말하면 광속은 물체 운동 속도의 상한선이기 때문에 상대속도는 광속 이상이 될 수 없고 광속이 상수로 결정되었기 때문에 시간과 공간을 다시 정의해야한다는 겁니다.

( 참고로 광속이 상수로 결정된 건 맥스웰이 아인슈타인 이전에 자유 공간에서의 빛의 속력이 3x10^6임을 증명했기 때문입니다. ) 

광속이 상수이므로 변해야하는건 공간과 시간이라는 뜻이죠. 왜 광속이 상순데 변해야하는게 시간과 공간이 되느냐면...

속력은 일반적으로 이동거리/시간으로 계산하잖아요? 그런데 속력이 상수라면 그 거리나 시간이 변함으로써 일정한 값을 유지하는것이 맞다는 것이죠.  그래서 뉴턴의 2 법칙에서 운동량이 다음과 같이 보정되어야한다는 겁니다. 

보정계수 감마는 로런츠 인자(Lorentz factor)라고도 합니다. 

기계공학에서의 물체 속도는 광속에 비해 한참 느리기 때문에 1에 거의 가깝습니다.  이 보정은 아마 광속에 가까운 수준으로 가속된 전자나 원자에 적용해야할 것 같네요. 이것이 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 일부고, 이 특수 상대성 이론을 발전시켜 중력의 기하학적으로 해석한 것이 바로 일반 상대성 이론입니다. 

그리고 뉴턴역학은 눈에 보이지 않는 작은 세계, 원자의 세계에서도 딱 들어맞지 않았습니다.  우선 뉴턴의 역학으로는 불연속적으로 에너지를 발산하는 전자의 움직임을 설명할 수 없다는 것입니다. 전자가  원자주위를 지구와 달 처럼 돌게 된다면  전자가 원자핵으로 떨어져야하는데 그렇지 않다는 것과 전자의 궤도 반지름이 특정값의 정수배 만큼만 존재한다는 것입니다.

그런 현상을 뉴턴 법칙으로 설명할 수 없었고 그렇게 나온것이 바로 양자론이죠. 양자론에 대해서는 저도 딱 일반물리학 수준으로만 알고 있음으로 설명은 여기까지만 하겠습니다. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다! 이번에는 담금질에서 다루지 못했던 내용 중 질량효과에 대한 이야기를 해보려고 합니다. 

질량 효과?

질량효과는  간단히 말해 크고 뜨거운 강재가 식을 때 표면과 중심부가 식는 속도가 달라서 일어나는 일을 말합니다. 질량효과가 크다면 담금성이 나쁘다고 말하는데 담금성이 나쁜 재질은 경도가 높은 부위가 표면 근처에서만 발생한다는 뜻이죠. 다르게 말하면 질량효과가 작아 담금성이 좋은 재질은 경도가 재질 속 부위에까지 잘 나온다는 뜻도 됩니다. 그 전에 용어 하나만 알고 가야할 것 같네요. 임계경도라는 용어인데요. 

이를 간단히 그림으로 표현하면 다음 그림과 같습니다. 

a, b, c는 화학 구성물이 다른 강재입니다.  a는 탄소가 많이 들어간 소재며 b는 탄소가 적게 들어가고 대신 Ni, Cr, Mo, Mn같은 금속이 첨가된 합금강이고, c는 탄소도 적고 금속도 적게 들어가는 강재입니다. 이 세 종류의 강재를 담금 열처리 했을 때 깊이에 따른 경도를 나타낸 것입니다. 

 이 그림들을 보면 확실히 알 수 있는 것은 다음과 같습니다.

1. 탄소가 많이 들어갈 수록 질량효과가 크다. (담금성이 나빠 임계경도가 깊게 나오지 못함)

2. Ni, Cr, Mo, Mn등이 포함될 경우 담금성이 좋아져 임계경도가 깊게 나옴.

그럼 이  담금성을 확인하는 방법은 무엇이 있을까요?

조미니 시험법 (Jominy Test)

 담금성 확인을 하는 방법으로는 조미니 시험법이란 방법이 있습니다.  이 방법은 아주 대표적인 방법이며 기계 재료에 대해서 공부하는 분들이라면 꼭 알아야하는 시험법입니다. 왜냐면 해당 시험 방법과 관련한 KS 규격까지 있을 정도니까요. 

KS D 0206 강의 한쪽 끝 퀜칭에 의한 경화능 시험 방법이라는 이름의 산업표준을 읽어보시면 시험 방법과 시편의 크기에 대한 내용이 있습니다.  시험편의 치수와 시험 방법, 경도 측정 위치, 시험 보고서에 포함되어야 할 내용이 있으니 자세히 알고 싶다면 이 규격을 읽어보시는 것이 도움이 될 것입니다. 

 빠르게 간략하게 아시고 싶다면 이렇게 요약하면 될 것 같습니다. 

1. 사용 시편  : 25mm, 길이 100mm 시험편

2.  시험편을 적절히 가열 한 후 물을 분사해 식힘. 

3. 시험편을 규격에 정해둔 측정점에서 경도 측정을 함

https://www.youtube.com/watch?v=JpuscwGnYqk

 그리고 이 영상을 통해 조미니 시험이 어떻게 진행되는지도 파악할 수 있습니다.  혹시 글로만 봤을 때 잘 이해가 안된다고 하시면 이 영상을 보시기 바랍니다. 

  안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!  열처리편이 정말 길어지네요... 열처리에 대해 알면 알 수록 정말 많은 내용이 나옵니다.  저번 7편에 이어서 이번에는 담금 열처리의 일종인 심냉 열처리에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 

심냉 열처리란?

 심냉열처리의 심냉은 0도씨 온도 이하의 온도에서 냉각시킨다는 뜻입니다. 

 일반적으로 심냉 열처리는 담금질 후 바로 시행합니다. 다만 너무 빠르게 냉각시키지는 않습니다. 그랬다간 제품이나 소재에 균열이 발생할테니까요. 보통 그렇게 시행하며, 특수한 경우에는 담금질 후 어느 정도 시간동안 뜨임을 한 후에 심냉 열처리를 진행하는 경우도 있다고 합니다. 하지만 ! 일반적으론 담금질 직후 바로 시행하는 겁니다.  하지만 조금 특수한 경우라면 제품의 크기가 크고 두께가 두껍거나 두께가 불균일한 경우에는 심냉 열처리 이전에 100 ºC 끓는 물속에서 1시간 정도 뜨임을 하여야 합니다. 즉, 이걸 간단히 요약하면 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

  -  1.  일반적인 심냉 열처리는 담금질 후 곧바로 심냉 열처리 절차에 들어가야함. 다만 냉각속도는 빠르

          게 하지 못함.  균열을 방지하기 위함임.

 -  2.  제품의 크기가 크고 두께가 두껍거나 불균일한 제품은 심냉 열처리 이전에 100ºC 끓는 물속에서

         1시간 정도 뜨임 열처리 후 심냉 열처리 절차에 들어감. 

 이 열처리가 여기서 바로 끝...일 리가 없겠죠? 심냉 열처리 후 탈탄층이 생기면 제거해줘야하며 심냉 열처리 후에는 공기 중에 방치하는 방법보다 수중에 재료를 넣어 해동시키는 방법도 있습니다. 

 이 사진은 심냉 열처리 후 제품의 사진입니다. 약간 하얘졌는데... 공기중의 수분이 얼어서 저렇게 된 것 같네요. 

심냉 열처리 그 목적

 이 열처리의 목적은 단 하나의 오스테나이트 결정 구조를 제품에 남기지 않기 위해서입니다. 왜 오스테나이트가 잔류하면 안되느냐? 

 오스테나이트가 제품에 잔류해버릴 경우 경도 저하, 치수불안정, 균열등의 불량이 발생할 수 있습니다. 특히 베어링류 제품이나 게이지류 제품에서 그런 불량이 발생하면 절대로 안되기 때문에 0ºC 보다 낮은 온도로 냉각시켜 잔류오스테나이트를 확실하게 제거해버리겠다는 것이죠. 잔류오스테나이트가 제거되면 ...

 -  1.  제품의 경도 및 성능 향상

 -  2.  게이지 및 베어링류 제품의 조직 안정화

 -  3.  균열 및 변형 방지

 -  4.  스테인레스 강에 심냉 열처리 할 경우 기계적 성질 향상

심냉 열처리용 냉매

 냉매는 보통 드라이아이스와 액체 질소를 많이 사용합니다.  냉매의 종류에 따라 심냉 열처리의 온도도 달라진다고 보면 됩니다.

 -  1.  드라이아이스 사용 시 

          -75 ºC 혹은 -78 ºC 온도에서 심냉 열처리를 진행

-  2.  액체 질소 사용 시 

          --190 ºC  온도에서 심냉 열처리를 진행

참고 자료

1. Totten G.E , Steel Heat Treatment Metallurgy and Technologies-(CRC) (2006)

2. https://likekderi.tistory.com/7 - 심냉열처리에 대해 설명하시오

3. 에듀인컴, 기계기술사, 예문사(2022년 7월 30일, 4차 개정) 

  안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 강의 열처리 7편부터 본격적으로 열처리 기법에 대해서 논해보려고 합니다. 그 첫 번째로 담금질(Quenching)에 대해서 말씀드려보려고 합니다.  그럼 글을 시작해보도록 하겠습니다!

담금질이란...

 담금질이란 쉽게 말해서 뜨거운 쇳덩어리를 찬 물이나 기름에 넣어서 급랭시키는 방법입니다. 위의 사진처럼 급랭을 시키면 뭐가 좋으냐? 결론만 말씀드리면 표면이 단단해집니다. 쉽게 말해 강 표면에 단단하지만 잘 깨지는 조직이 생성되죠. 

 그럼 왜 이 조직이 나오는지 복습을 좀 해야겠네요.  이전에  TTT 선도를 이야기할 때 잠깐 마텐사이트가 나왔는데 이 TTT 선도를 이해하면 담금에 대한 내용이 바로 이해가 될 것입니다. 

 제 포스팅  강의 열처리 4편에 있는 자료를 갖고 왔습니다.  700~800 사이에 있는 오스테나이트 상태의 강을 급속 냉동시키면 마텐사이트라는 조직으로 변해버립니다. 이 때의 그림이 b(파란색 실선)에 표시되어 있습니다. 

그럼 왜 급속 냉각을 했을 때 마텐사이트라는 조직으로 변하면서 경도가 더 강해지는 것일까요? 우선 강은 액체 상태일 때는 체심 입방 격자 구조로 원자가 배열되어 있다가 일정 온도로 내려가면 다시 면심 입방 격자구조로, 그리고 더 내려가게 되면 다시 체심 입방 격자 구조로 변합니다.

 다시 제 블로그에 올려둔 Fe-C 상태도를 가지고 와서 설명해봐야겠네요. 철은 액체일 때 체심입방격자였다가 오스테나이트 상태일 때 면심입방격자, 그리고 다시 페라이트 상태일때 체심입방격자로 변합니다. 즉 원자 배열이 온도에 따라 변화된다는 것이죠. 이걸 더 쉽게 말씀드리면..

강이 액체 상태일 때(액체 혹은 δ철 상태) - 체심입방격자

강이 액체와 고체 중간 상태일 때(오스테나이트 상태) - 면심입방격자

강이 고체 상태일 때 (마텐사이트 혹은 페라이트 상태) - 체심입방격자

요렇게 상태가 정리될 수 있습니다. 이제 열처리에 대해서 다시 말씀드리자면...

온도가 천천히 내려갈 경우 원자가 확산되면서 천천히 격자 구조가 변하게 됩니다. 강 내부에 있는 철과 탄소 원자도 천천히 이동하게 되겠죠.  그렇지만, 급속 냉각을 하게 될 경우 격자구조는 먼저 변하지만 탄소가 동시에 이동되지 못하게 됩니다.  격자 구조만 변하고, 그 내부에 탄소 원자는 격자 구조가 변할 때 같이 이동하지 못하게 되죠. 

 위 그림에서 큰 동그라미사이 간격을 주목하시기 바랍니다. 급속 냉각을 하게 될 경우 입자간 거리는 줄어들지만, 그 사이에 있는 탄소 원자는 이동하지 못하여 탄소원자가 정육면체 중심에서 육면체 모서리로 튕겨져 나갑니다.

 이 때 육면체 높이가 커지면서 불완전고용체로 변하게 됩니다. 격자 자체가 불안정해지기 때문에 충격에 쉽게 깨지게 되지요. 참고로 이렇게 상태변화하면 부피가 "팽창"해버립니다. 즉, 마텐사이트로 변하게 되면 부피가 팽창하면서 균열이나 불량이 발생할 수 있다는 거죠. 

담금에서 고려할 사항

 우선 고려할 사항 그 첫 번째! 

질량 효과라는 것입니다. 뜨거운 강재를 급속 냉각하기 위해 물에 넣을 때, 가장 먼저 식는 부위는 물과 바로 맞닿는 표면일 것입니다. 그렇다면 굉장히 두껍고 큰 강재가 물에 들어가면 강재의 중심부도 표면과 같이 바로 식을까요?

그렇지 않습니다.  그림으로 간단히 표현했는데 표면은 바로 식어도 중심부는 표면으로 열 전달을 하는데 약간 시간이 걸리기 때문에 중심부는 바로 식지 못합니다. 그래서 강재를 담금질 할 때 표면과 중심부의 경도가 약간 다른데 이를 질량효과(Mass Effect)라고 합니다. 질량효과로 인해 표면과 중심부의 경도가 달라지는 것이죠.  질량효과에 대해서는 다음 포스팅에서 더 자세히 다루도록 하고...

 두 번째 고려할 사항은 바로 변형 및 불량입니다. 담금질을 하면 소재의 온도가 급격히 내려가게 되면서 강의 조직이 마르텐사이트로 변화하게 되면서 부피가 팽창, 부피 팽창으로 인해 균열이 발생하게 됩니다. 이 균열은 두 가지가 있습니다. 

  첫 번째는 담금질 직후에 나타나는 균열로 이 균열은 강의 표면과 중심부의 온도 차에 의해 발생합니다. 표면은 급속히 냉각되어 마르텐사이트로 변하지만 중심은 천천히 냉각되어 펄라이트 조직으로 변하기 때문에 내부에 응력이 발생하게 되고 그 응력이 균열의 원인이 되지요. 

 두 번째는 담금질 후 2~3분 경과 후 나타나는 균열로 오스테나이트가 마텐사이트로 변하면서 생기는 체적 팽창에 의해 일어나는 응력인데 이 경우는 표면과 내부의 팽창이 같은 시간에 일어나지 않기 때문에 균열이 발생하는 것입니다. 

  이런 균열과 변형을 방지하기 위해서 다음과 같은 방법을 활용합니다.

    - 1. 급랭하는 대신 250도 부근에서는 서랭하는 방식으로 마텐사이트 변태를 서서히 진행시킴.

          (마템퍼)

    - 2. 부분 온도차이를 작게 함

    - 3. 수냉 대신 유냉을 선택

    - 4. 표면의 흑피 제거 ( 냉각수 및 냉각유와 더 접촉이 잘되게 함)

    - 5. 구멍이 있을 경우 점토나 석면으로 메울 것

    - 6. 소재를 담금질 액 속에서 흔들 것

    - 7. 형상이 복잡하거나 두께가 다르다면 최대 단면 부분이 먼저 냉각액에 닿게 함.

    - 8. 담금질 후 바로 뜨임 처리를 할 것

 여기서 뜨임이란 용어가 등장하네요. 뜨임은 담금질과 같이 행하는.. 실과 바늘 같은 관계입니다. 대부분의 강 소재들은 담금질만 하지 않죠. 뜨임도 같이 함으로써 더 강하고 더 좋은 소재가 될 수 있습니다. 그리고 마템퍼 오스템퍼 같은 방법으로 더 좋은 강재를 얻기도 하죠. 

 이래서 철강산업이 기술력이 없으면 하기가 힘든 산업입니다. 그냥 철만 대충 녹여서 끝날 일이 아닌 것이죠. 다음 번 포스팅은 뜨임(Tempering)에 대해서 글을 작성해보도록 하겠습니다!

출처 : 담금질에 대해 쓰는데 다음 자료들의 도움을 받았습니다.

1. 마르텐사이트 변태과정 이해 - https://www.youtube.com/watch?v=IUDdSia-mdk

2. 마르텐사이트 담금질 - https://www.youtube.com/watch?v=amkTuzDqlrA

3. 이건이, 최영, 기계공학도를 위한 알기 쉬운 실용 기계재료, 시그마프레스

4. 전언찬, 조규재, 기계공작법, 2013.02.27, P695~732

5. 에듀인컴, 기계기술사, 2022.07.30, P226~237