1. 정의
변형 응력이라고도 불리는 구조적 응력은 강철 열처리, 특히 담금질 중에 발생하는 내부 응력의 한 유형입니다. 이는 비동기 상 변환과 미세구조 간의 비체적 차이로 인해 발생합니다. 서로 다른 공작물 섹션의 부피 변화에 대한 상호 제한은 열처리 변형 및 균열의 핵심 원인입니다.
2. 에센스 & 생성 메커니즘
핵심 원인
강철의 여러 단계에는 고유한 비체적(단위 질량당 체적)이 있습니다.
오스테나이트(γ) < 페라이트(α) < 펄라이트 < 베이나이트 < 마르텐사이트(M)
오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태는 3%~5%의 상당한 부피 팽창을 가져옵니다.
공작물의 표면과 코어는 냉각 속도가 일정하지 않아 비동기식 상 변환과 조정되지 않은 부피 변화로 이어져 결국 구조적 응력을 유발합니다.
일반적인 담금질 공정
초기 냉각 단계(Ms점 이상)
표면은 더 빨리 냉각되어 Ms 온도에 먼저 도달하고 부피 팽창에 따라 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변태됩니다. 코어는 팽창하지 않고 오스테나이트 상태로 유지됩니다. 코어에 의해 구속되어 표면은 압축 응력을 받고 코어는 인장 응력을 받습니다.
후기 냉각 단계(Ms점 미만)
코어는 Ms점까지 냉각되어 부피 팽창과 함께 마르텐사이트로 변태됩니다. 변형 능력이 제한되어 표면이 단단하고 부서지기 쉽습니다. 팽창하는 코어가 표면을 압착하여 응력 반전을 일으킵니다.
최종 응력 분포: 표면 인장 응력, 코어 압축 응력(열 응력의 반대).
3. 구조적 응력의 주요 영향요인
화학 성분
탄소 함량이 높을수록 마르텐사이트의 비체적 차이가 커지고 구조적 응력이 증가합니다.
Cr, Ni, Mo 등의 합금 원소는 Ms 온도를 낮추고 상변태 온도차를 확대하며 담금질성을 향상시키고 불균일한 단면 변태를 심화시켜 구조적 응력을 증가시킵니다.
공작물 크기 및 모양
더 큰 단면 크기, 불균일한 두께, 더 날카로운 모서리와 홈은 비동기 위상 변환을 악화시켜 구조적 응력과 응력 집중을 증가시킵니다. 작은 공작물은 구조적 응력의 영향을 받는 반면, 큰 공작물은 열 응력의 영향을 받습니다.
프로세스 매개변수
담금질 온도가 높을수록 오스테나이트 조성이 균질화되고 결정립이 거칠어져 상 변태 및 응력의 부피 효과가 증폭됩니다. Ms 미만의 냉각 속도가 빠르고 경화성이 높을수록 상 변태 시간 차이와 마르텐사이트 변태 구배가 확대되어 구조적 응력이 더욱 증가합니다.
초기 미세구조
라멜라 펄라이트와 줄무늬 구조는 불균일한 상변태와 높은 응력을 유발합니다. 구상화 어닐링 미세 구조는 균일한 상 변환을 가능하게 하고 구조적 응력을 감소시킵니다.
4. 요약
구조적 응력은 표면 장력과 코어 압축으로 특징지어지는 비동기 상 변환과 비체적 차이의 불가피한 결과입니다. 담금질 변형 및 균열의 주요 유도입니다.
제어 조치: Ms 영역의 냉각 속도를 줄이고, 상 변형을 균질화하고, 적시에 템퍼링을 수행하고, 공작물 구조 및 재료 선택을 최적화합니다. 생산 시 성능, 변형 및 균열 위험을 조화시키기 위해 구조적 응력과 열 응력의 균형을 맞추는 것이 필요합니다.