잔류응력 (Residual Stress)

한 줄 정의: 외부에서 가하던 힘을 다 없앤 뒤에도 재료 내부에 그대로 남아있는 응력입니다.

쉽게 풀면

철사를 손으로 억지로 구부렸다가 놓으면, 힘을 뺐는데도 완전히 원래 모양으로 돌아가지 않고 살짝 휘어진 채로 남는 경우가 있습니다. 이는 철사 내부의 어떤 부분은 늘어난 채로, 어떤 부분은 눌린 채로 서로 밀고 당기며 평형을 이루고 있기 때문입니다. 잔류응력도 이와 비슷합니다. 용접이나 열처리처럼 부분적으로 뜨겁게 가열했다가 식히는 과정에서, 먼저 식는 부분과 나중에 식는 부분이 서로 다르게 수축하면서 재료 내부에 응력이 갇혀버립니다. 겉보기에는 아무 힘도 받지 않는 것 같지만, 실제로는 내부에서 서로 잡아당기고 미는 힘이 계속 존재하는 것입니다.

왜 중요한가

잔류응력은 설계 도면상의 하중 계산만으로는 드러나지 않는 숨은 변수이기 때문에, 구조물의 실제 파손 원인을 규명하거나 수명을 예측하는 공학 연구에서 반드시 고려되는 요소입니다. 용접 구조물, 항공기 부품, 표면 처리된 소재처럼 제조 과정에서 열과 변형을 거치는 대부분의 금속 부품에서 잔류응력을 무시하면 실제보다 낙관적인 안전성 평가로 이어질 수 있습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"용접부 주변에 형성된 인장 잔류응력이 피로균열의 시작점 역할을 한 것으로 확인되었다."

이 문장은 용접한 부위 근처에 남아있던 내부 응력이, 외부 하중과 겹치면서 그 자리에서부터 미세균열이 자라나기 시작했다는 뜻입니다.

"쇼트피닝 공정을 통해 시편 표면에 압축 잔류응력을 인위적으로 형성시킨 결과, 무처리 시편 대비 피로수명이 유의하게 증가하였다."

표면에 일부러 압축 잔류응력을 남기는 강화 공정이 실제로 부품의 피로수명 향상에 기여한다는 점을 실험적으로 보여주는 예문입니다.

"레이저 클래딩으로 적층된 금속층 내부에는 급격한 냉각 과정에서 기인한 인장 잔류응력이 잔존하는 것으로 나타나, 후속 열처리를 통한 응력 완화 공정의 필요성이 제기되었다."

적층 제조나 표면 클래딩처럼 국부적으로 급격히 가열·냉각되는 공정에서 잔류응력이 문제가 되고, 이를 줄이기 위한 후속 공정이 필요하다는 논의를 보여줍니다.

조금 더 깊게 보면

잔류응력은 재료 내부에서 항상 인장 부분과 압축 부분이 서로 힘의 평형을 이루며 공존하는데, 어느 위치에 어떤 방향의 잔류응력이 남는지는 가열·냉각 속도, 구속 조건, 재료의 열팽창 특성에 따라 달라집니다. 공학적으로는 표면의 인장잔류응력이 균열의 시작점을 만들기 쉬운 반면, 표면의 압축잔류응력은 균열이 벌어지는 것을 억제하는 방향으로 작용한다고 알려져 있어, 쇼트피닝이나 롤러버니싱 같은 공정이 의도적으로 표면에 압축 잔류응력을 형성시켜 피로수명을 늘리는 데 활용됩니다. 실제 크기와 분포를 확인하려면 잔류응력 측정 기법이 별도로 필요합니다.

주의할 점

잔류응력은 항상 나쁜 것만은 아닙니다. 인장 방향의 잔류응력은 피로파괴를 앞당길 수 있지만, 반대로 표면에 압축 잔류응력을 일부러 남기는 쇼트피닝 같은 공정은 오히려 부품의 피로수명을 늘리는 데 활용되기도 합니다.