[6] 전위가 원인으로 발생하는 현상들_yield point 현상, strain aging, 바우싱거 효과

[6] 전위가 원인으로 발생하는 현상들__yield point 현상, strain aging,  바우싱거 효과

 

 

공부 목표

 

- yield point 현상의 이해

- strain aging 현상의 이해

- bausinger effect 현상의 이해

 

 

 

(1) yield point phenomenon

Fig. 1 일반적인 elongation과  yield point elongation

 

low C steel의 기계적 물성을 평가할때

 

Fig. 1 과같은 일반적인 strain-stress 커브가 아닌 탄성구간에서 소성구간으로 넘어가는 부분에서

 

지그재그 현상이 나타나는데, 이것을 yield point 현상이라고 합니다.

 

 

Fig. 2 yield point 현상 

 

Fig. 2의 그래프에서 나타내듯이 upper yield point, lower yield point로 구분하여 나눌 수 있으며

 

지그재그로 물성이 나타내는 구간을 yield elongation이록 부릅니다.

 

이러한 yield elongation 구간 이후에는 강도가 다시 상승하는 하고  이후에 파단까지 나타납니다.

 

또한, yield elongation 구간에는 루더스 밴드가 나타나게 되는데

 

이는 strain이 걸리며 45도 각도로 인장 방향으로 생성되어 파단까지 갑니다.

 

 

 

 

Fig. 3 전위가 solute 원자에 끌리는 현상

 

이러한 yield point 현상은 왜 low C steel에서 관측 될까요 ?

 

-upper yield point-

low C steel의 solute atom (C, N)이 재료에 고르게 퍼져 있는데

 

이러한 C, N이 전위의 움직임을 막아 초기에 yield stress를 상승 시키는것 (Fig. 3)

 

-lower yield point-

 

초기에 전위의 움직임을 막은 이후 부터는 일정하게 감소된 상태로 전위가 움직이게 되는데

 

전위가 C, N으로 부터 빠져나오게 되어도 C, N 다시 전위로 이동하여 방해하고

 

전위가 이동하여도 다시 붙어 방해를 하는 과정에서 지그재그로 강도가 형성되는것

 

여기에서도 온도에 따라 solute atom의 거동이 달라지게 된다.

 

 

 

Fig. 4 열처리 온도에 따른 yield point 현상 비교

 

Fig. 4를 보게되면 50 -> 343 도로 온도가 올라 갈수로 yield elongation 길이가 증가 하는 현상이 나타난다.

 

 

 

Fig. 5 고온에서의 yield elongation이 길어지는 이유

 

이는 온도가 올라 가게 되면 C, N이 이동할 수있는 에너지가 많아지며

 

전위가 solute atom을 지나 이동 하였을대 C, N이 다시 전위로 고착화될 수 있는 충분한 에너지를 지속적으로 

 

가질 수 있기 때문이다. 

 

 

*yield point를 해결 할 수 있는 방법 2가지

 

- Al, Ti, B, Nb 등의 원소를 합금에 추가하면 C, N을 포함하는 2차 상을 형성하게 되고

 

C, N은 solute atom으로 존재 하게 되지 않기 때문에 yield point 현상 감소 (C, N 소비해 버리기)

 

- yield point 보다 큰 strain을 미리 주어 (pre-strain) 물서 평가시에 바로 강도를 올라가게 할 수 있는 방법이 있다.

 

 

 

 

(2) strain aging 현상

 

Fig. 6 strain aging 그래프

 

 

strain aging 현상이란

 

yield point 현상을 나타내는 재료를 계속 테스트 하면

 

이미 소성영역까지 넘어가게 되는데 이를  aging 하였을때  C, N이 전위로 다시 고착화가 될 수 있다.

이는 시편을 다시 테스트 하였을때 연성과 인성을 감소시키며 다시 yield point 현상을 나타난다.

 

strain aging 현상은 N가 C 보다 많이 나타난다.

 

 

Fig. 7 온도별 strain aging 현상 / solute 원자의 이동 모식도

 

고온 기계적 테스트에서도 온도에 따른 특징이 있다. (Fig. 7 a)

 

상온 같은 경우에는 solute atom의 이동이 전위를 따라 갈 수 없기 때문에 

 

중온 100~200도 온도에서는 Fig. 7 (b)와 같이 solute atom의 확산 속도가 빨라지기 때문에

 

이동하는 전위를 따라 잡으며 반복적으로 고착화가 일어난다. 

 

따라서, yield point 현상이 발생하며 온도 상승에따라 yield elongation 구간이 길어진다

 

하지만, 300도 이상의 고온에서는 solute atom이 자유롭게 움직일 수 있어 전위에 고착화 하지 않아도

 

안정화를 이룰 수 있다.

 

따라서, yield point 현상이 발생하는 온도 구간이 존재하는것

 

 

 

(3) 전위의 pile up과 bausinger effect

 

Fig. 8 전위의 pile up으로 부터의 back stress 모식도

 

grain boundary나 2차상의 경계에서 전위가 넘어가지 못하고 pile up 즉 쌓이는 현상이 존재한다.

 

계속해서 전위가 쌓이면 계면에 stress가 쌓이게 되는데 

 

여기서 작용, 반작용의 법칙으로 오히려 전위가 쌓이는 반대 방향으로 back stress가 발생한다.

 

 

 

Fig. 9 bausinger effect

 

위에서 설명한 back stress에 의해 나타나는 bausinger effect애 대해서 설명해 보겠습니다.

 

시편을 압축/인장/압축/인장으로 반복적으로 실험하게 되면 항복강도가 매 시험이 진행 될때마다 약해지게 됩니다.

 

 

Fig. 10 back stress로 인해 발생하는 현상

 

예를 들어 전위가 쌓이며 생기는 힘에 1/10 정도 back stress가 생긴다고 가정 하였을때

 

첫 압축 시험에서는 100 까지 항복강도로 버텨 냈다고 가정하면 약 10정도의 back stress가 생성됩니다.

 

이러한 시편을 인장 시험 (반대 방향으로 ) 다시 시험을 했을때 90 정도의 항복강도만을 나타내는 이유는

 

첫 압축 시험 이후에 10의 back stress가 재료 내에 걸려 있기 때문입니다.

 

 

이렇게 압축/인장 시험을 반복하면 항복강도가 점점 낮게 측정이 되는 현상을 bausinger effect 라고 합니다.