잔류응력 측정 - 잔류 응력 측정 정의와 방식

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잔류응력(residual stress) 이란 무엇이며, 어떻게 발생하는가?

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외부 하중을 가하지 않고 재료에 존재하는 모든 응력을 잔류 응력이라고 합니다.

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잔류 응력은 처음 구성 요소에 존재할 수 있으며 적용되는 하중에 자연스럽게 응력으로 추가가 될 수도 있습니다.

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결과적으로, 잔류 응력은 기계 부품의 작동에 영향을 미치고 구조 및 치수 안정성, 부품의 피로를 주며,

파손의 원인이 되기도 합니다.

 

잔류 인장 응력은 실제로 균열을 촉진하여 기계 부품의 피로 수명을 감소시킵니다.

또한 작동 중 기계 구성품의 적재 용량과 안전을 제한합니다.

따라서 소재의 잔류응력에 대해서는 계측이 필요하며, 데이터를 활용하여야 합니다.

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잔류응력이 실제로 필요한 경우도 있습니다.

터빈 블레이드 및 기타 금속 부품은 종종 균열 및 피로를 제한하기 위해 잔류 응력을 이용하기도 합니다.

이러한 경우, 섬세한 제어 및 교정으로 생산 중 원하는 수준의 잔류응력을 결정합니다.

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잔류 응력은 다음과 같은 주요 요인으로 인해 발생할 수 있습니다.

1. 제조 과정에서 부품의 불균일 한 가열 또는 냉각

2. 제조 공정 (주조, 용접, 성형 및 열처리 방법)

3. 소성 변형을 제거하기위한 가공 공정 (터닝, 밀링 및 단조)

4. 관통 또는 표면 열처리 (템퍼링, 질화 및 시멘 테이션)

5. 표면 처리 (쇼트 피이닝 및 샌드 블라스팅)

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​ 잔류응력 발생 분야

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잔류응력측정은?

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보통 잔류응력측정에 많이 적용되는 홀드릴링 측정 방식(HDM), X선 회절방식 (XRD), 기계적 변형률 방출(MSR) 기법 등 다양한 잔류응력측정 방식이 있습니다.

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​홀드릴링 잔류응력측정 방식은 ASTM E837 규격에 의해 규정되는 측정 방식으로 스트레인게이지를 이용하여 잔류응력을 측정하고자 하는 제품에 1mm 의 홀을 뚫으면서 잔류응력을 측정하는 방식입니다.

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소재의 잔류응력을 직접적으로 측정하는 방식으로 정밀하나 반파괴 측정 방식이며 금속, 고분자소재 (플라스틱) 등 재질에 대해 제약이 없으나 드릴링을 위한 복잡한 형상에는 측정 하기 어려운 제약이 있습니다.

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아래 그래프는 실제 알루미늄 소재 용접 부위를 홀 드릴링 방식으로 측정한 잔류응력 측정 데이터 입니다.

 

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두번째 잔류 응력을 측정하는 또 다른 방법은 X선 회절 (XRD)방법입니다.

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XRD 방식은 비파괴, 비접촉식 측정 방식이며, 재료의 세로 방향과 가로 방향 모두 잔류응력 측정이 가능합니다.

또한 재료의 결정 구조 및 방향에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있으며, 깊이 전체의 잔류응력 프로파일을 얻을 수 있습니다.

반면 최대 수백 미크론 깊이의 재료 표면 근처 영역의 잔류응력만 측정이 되며 시스템의 금액이 비싼 것이 단점이 될 수 있습니다.

PANalytical사 XRD

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마지막으로 음향 방출법과 같은 초음파 방법을 사용하여 용접 부품의 잔류 응력을 측정할 수도 있습니다.

​초음파 검사는 재료를 손상시키지 않고 잔류 응력을 측정할 수 있는 비파괴 검사 방법입니다.

다양한 형태와 크기의 재료에 적용할 수 있어 활용도가 높습니다.

또한 다양한 깊이에서 잔류 응력을 측정하여 재료 전체의 응력 프로파일에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

​단점으로는 정확도는 재료의 유형, 초음파의 주파수와 강도, 장비의 보정 등 여러 요인에 따라 달라지며 재료의 표면 상태는 측정 정확도에 영향을 줄 수도 있으며 잔류응력 방향은 측정할 수 없으며 크기만 측정이 가능합니다.

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전반적으로 잔류 응력을 측정하는 가장 정확한 방법은 다음과 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다. 제품의 재질, 기하학 및 크기, 애플리케이션의 특정 요구 사항 및 제한 사항에 따라 가장 적절한 방법을 선택해야 합니다.

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저희 씨앤디테크는 스트레인게이지를 이용한 잔류응력측정 시스템을 전문적으로 취급, 계측 지원을 하고 있습니다.

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아래는 여러 산업분야, 부품에 잔류응력을 측정한 여러 사례들입니다.

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✓ 철로

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✓ 컴프레셔 & 터빈 부품

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✓ 자동차부품

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✓ 플렌트 (스팀, 풍력, 원자력 발전)

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✓ H형강

 

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잔류응력측정 방식에 대해 궁금하신 사항 있으시면 언제든지 연락 부탁 드립니다.

포스팅 내용은 이탈리아 SINT사 한국 대리점인 씨앤디테크에서 작성한 내용입니다.

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