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가공 경화의 뜻

소성 변형으로 전위가 늘어나 서로 얽히면서 변형에 필요한 응력이 높아지는 현상. 강도는 오르지만 연성은 떨어진다. 변형 경화라고도 한다.

일본어 명칭: 加工硬化

‘가공 경화’ 관련 연습 문제는 6개 분야에 9문제가 있습니다(금속 재료와 합금, 열처리와 금속 재료, 기계적 성질과 파괴 등).

이 용어의 분야: 금속 재료와 합금

전위가 늘어나 강해진다

금속을 소성 변형시키면 전위가 증식하여 밀도가 몇 자릿수나 늘어나고, 서로의 응력장으로 끌어당기거나 얽히면서 움직이기 어려워집니다. 그래서 더 변형시키려면 더 큰 응력이 필요해집니다. 이것이 가공 경화입니다. 냉간 압연한 판이나 인발한 선재가 가공 전보다 강한 것은 이 때문이며, 열처리로 강화할 수 없는 순금속이나 5000계 알루미늄 합금, 오스테나이트계 스테인리스강 등에서는 가공 경화가 주된 강화법으로 쓰입니다. 그 대신 연성과 인성은 떨어집니다.

가공 경화 지수 n

소성 영역의 진응력과 진변형률의 관계는 많은 금속에서 σ = Kεⁿ으로 근사할 수 있으며, n을 가공 경화 지수(변형률 경화 지수), K를 강도 계수라고 합니다. n이 클수록 변형이 진행됨에 따라 강해지기 쉽고 국부적인 변형이 퍼지기 어려우므로, 네킹이 늦어져 균일 연신율이 커집니다. 부피가 일정하다는 조건에서는 진변형률이 n과 같아지는 지점에서 네킹이 시작된다고 어림할 수 있습니다. 풀림한 FCC의 구리나 오스테나이트계 스테인리스강은 n이 커서, 장출 성형처럼 판이 늘어나며 얇아지는 성형에 적합합니다(딥 드로잉성은 주로 r값으로 정해집니다).

가열에 의한 연화

가공 경화한 금속을 가열하면, 먼저 전위의 재배열로 내부 응력이 낮아지는 회복이 일어나고, 더 고온에서는 새로운 결정립이 생기는 재결정에 의해 강도가 크게 떨어지고 연성이 되돌아옵니다. 냉간 가공과 풀림을 반복하면 큰 변형을 균열 없이 가할 수 있습니다. 재결정 온도보다 높은 온도에서 가공하는 열간 가공에서는 가공 중에 회복과 재결정이 진행되므로 가공 경화가 거의 남지 않아 큰 변형을 작은 힘으로 가할 수 있지만, 표면 산화와 치수 정밀도 면에서는 냉간 가공보다 불리합니다.

가공 경화 연습 문제에 도전

강의 영률에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A담금질이나 냉간 가공으로 강도가 2배가 되면, 영률도 거의 2배가 된다
  2. B원자 간 결합의 세기로 정해지며, 열처리나 가공에 의한 변화는 작다
  3. C항복 응력을 항복까지의 전체 변형률로 나눈 값으로, 소성 영역의 기울기를 나타낸다
정답과 해설 보기

정답: B. 원자 간 결합의 세기로 정해지며, 열처리나 가공에 의한 변화는 작다

영률은 탄성 영역에서의 응력과 변형률의 비 E = σ/ε로, 원자 간 결합의 세기(원자 간 퍼텐셜의 곡률)로 정해지는, 조직에 둔감한 성질입니다. 그래서 연강이든 담금질강이든 약 200 GPa 전후로 거의 변하지 않으며, 강도가 2배가 되어도 영률은 2배가 되지 않습니다. 항복 강도나 경도는 전위의 움직이기 쉬움으로 정해지는 조직에 민감한 성질로, 열처리나 가공으로 크게 변합니다. 영률은 탄성 영역 직선의 기울기이며, 소성 영역의 기울기(가공 경화율)와는 다른 것입니다. 온도가 올라가면 결합이 약해져 영률은 완만하게 저하됩니다.

다음 알루미늄 합금 중 석출 경화에 의한 열처리로 강화할 수 없는(비열처리형) 것은 무엇인가?

  1. A2000계(Al-Cu계)
  2. B5000계(Al-Mg계)
  3. C6000계(Al-Mg-Si계)
정답과 해설 보기

정답: B. 5000계(Al-Mg계)

5000계(Al-Mg계)는 Mg의 고용 강화와 냉간 가공에 의한 가공 경화로 강도를 얻는 비열처리형 합금으로, 내식성과 용접성이 뛰어나 선박이나 탱크에 사용됩니다. 2000계(Al-Cu계)는 두랄루민으로 대표되는 열처리형으로, Al-Cu계 석출물로 강화됩니다. 6000계(Al-Mg-Si계)도 Mg-Si계 석출물에 의한 열처리형으로, 압출 형재에 널리 사용됩니다. 그 밖에 7000계(Al-Zn-Mg계)는 가장 고강도인 열처리형이고, 1000계(순알루미늄)와 3000계(Al-Mn계)는 비열처리형입니다. 합금계로부터 강화 기구가 석출인지 가공 경화인지를 판단할 수 있도록 해 둡시다.

자주 묻는 질문

가공 경화와 석출 경화의 차이는 무엇입니까?

둘 다 전위의 운동을 방해하여 강하게 만들지만, 가공 경화에서는 변형으로 늘어난 전위끼리의 얽힘이, 석출 경화에서는 시효로 생긴 미세한 석출물이 장애물이 됩니다.

가공도는 어떻게 나타냅니까?

인발이나 압연에서는 단면적의 감소율(냉간 가공도)로 나타내는 것이 일반적입니다. 지름이 아니라 단면적으로 계산한다는 점에 주의해야 합니다.

가공 경화한 재료를 원래의 연한 상태로 되돌릴 수 있습니까?

재결정 온도보다 높은 온도에서 풀림하면 변형이 없는 새로운 결정립이 생겨, 강도와 연성이 거의 가공 전 상태로 돌아갑니다.

해설 속의 ‘가공 경화’

‘가공 경화’ 관련 문제(9문제)

  1. 강의 영률에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  2. 다음 알루미늄 합금 중 석출 경화에 의한 열처리로 강화할 수 없는(비열처리형) 것은 무엇인가?
  3. 지름 10.0 mm의 구리선을 인발하여 지름 8.0 mm로 만들었다. 냉간 가공도(단면 감소율)는 얼마인가?
  4. 알루미늄 합금의 기호 'A6061-T6'에서 'T6'이 나타내는 처리는 무엇인가?
  5. 풀림한 구리의 소성 영역에서 진응력 σ와 진변형률 ε의 관계가 σ = Kεⁿ으로 표시되고, K = 530 MPa, n = 0.44라고 한다. 진변형률 0.10일 때의 진응력에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  6. 재결정 온도의 기준을 융점(절대 온도)의 0.4배로 할 때, 열간 가공에 해당하는 것은 무엇인가? 융점은 납 327℃, 텅스텐 3422℃, 철 1538℃로 한다.
  7. 같은 형상의 탄소강 부품을 주조로 만든 경우와 열간 단조로 만든 경우를 비교하면, 일반적으로 단조품 쪽이 인성이나 피로 강도가 우수하다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?
  8. 금속 유리의 상온에서의 소성 변형에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  9. 일정한 하중과 온도에서 측정한 크리프 곡선(변형률과 시간의 관계)의 세 단계에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

관련 용어

전위 재결정 회복 영률 원자 간 퍼텐셜 석출 경화 고용 강화 압출 스테인리스강 주상정

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