잔류응력 (Residual Stress)
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.
핵심 정리
- 잔류응력은 외력을 모두 제거한 뒤에도 재료 안에 남는 응력입니다. 스스로 평형을 이루므로 어느 단면에서든 힘의 합이 0, 모멘트의 합도 0입니다. 즉 인장 영역이 있으면 반드시 균형을 맞추는 압축 영역이 있습니다.
- 원인은 부분적으로 일어나는 소성 변형, 온도 불균일에 따른 열 수축 차이(용접·열처리·주조), 상변태에 따른 부피 변화, 가공(절삭·연삭), 표면 처리 등입니다(Withers & Bhadeshia 2001, Part 2).
- 크기 규모에 따라 거시 규모(수 mm 이상, 제I종), 결정립 규모(제II종), 원자 규모(제III종)로 나누어 설명합니다. 공학 문제에서는 대개 제I종을 말합니다.
- 영향은 방향에 달려 있습니다. 표면의 인장 잔류응력은 피로 균열의 시작과 응력부식균열을 돕고, 압축 잔류응력은 균열 발생을 늦춥니다. 쇼트피닝은 후자를 이용합니다. 내부의 잔류응력은 가공 후 변형(뒤틀림)의 원인이기도 합니다(Withers 2007).
- 측정은 X선 회절, 중성자 회절, 구멍뚫기법, 컨투어법 등 여러 방법이 있고, 방법마다 측정 깊이와 해상도, 파괴 여부가 다릅니다(Withers & Bhadeshia 2001, Part 1; Schajer 2013).
예시로 보기
평형 확인 (가상의 예, 단순 계산). 폭 100 mm의 판에 길이 방향으로 용접을 했더니 가운데 20 mm 폭에 +250 MPa의 인장 잔류응력이 생겼다고 합시다. 단면의 길이 방향 힘의 합이 0이어야 하므로 나머지 80 mm 폭에는 평균적으로 −250 × 20 / 80 = −62.5 MPa의 압축 응력이 걸립니다. 좁은 구역에 큰 인장이 집중되고 넓은 구역에 작은 압축이 퍼지는 것이 용접부 잔류응력의 전형적인 모양입니다. 실제 분포는 이 평균처럼 균일하지 않으며 모멘트 평형도 만족해야 합니다. 항복강도(항복강도)가 이 인장 응력의 상한 구실을 하는 점도 눈여겨볼 만합니다.
자주 하는 오해
| 오해 | 바로잡기 |
|---|---|
| 하중이 없으면 재료 안에 응력도 없다. | 잔류응력은 하중 없이도 존재하며, 눈으로 보이지 않습니다. |
| 잔류응력은 항상 해롭다. | 표면의 압축 잔류응력은 피로수명을 늘리는 데 의도적으로 이용됩니다. |
| 열처리를 하면 잔류응력이 모두 사라진다. | 응력 완화 열처리는 크기를 줄이지만 완전히 없애지는 못하는 경우가 많고, 처리 조건에 달려 있습니다. |
| 측정값은 한 숫자로 정해진다. | 위치·깊이·방향·측정법에 따라 달라지며 불확실성을 함께 보고해야 합니다. |
논문에서는 이렇게 쓰입니다
실제 논문에서
이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.
예시 문장
아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.
이 문장은 용접한 부위 근처에 남아있던 내부 응력이, 외부 하중과 겹치면서 그 자리에서부터 미세균열이 자라나기 시작했다는 뜻입니다.
표면에 일부러 압축 잔류응력을 남기는 강화 공정이 실제로 부품의 피로수명 향상에 기여한다는 점을 실험적으로 보여주는 예문입니다.
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.
헷갈리기 쉬운 용어
‘응력’ 앞에 붙은 말에 따라 원인과 지속성이 다릅니다.
| 용어 | 원인 | 하중 제거·온도 균일화 후 |
|---|---|---|
| 잔류응력 | 불균일한 소성 변형·열이력 등 | 남아 있음 |
| 열응력 | 온도 변화와 구속 | 온도가 균일해지고 구속이 풀리면 사라질 수 있음 |
| 작용(하중) 응력 | 외부 하중 | 하중을 제거하면 사라짐 |
참고 문헌
- Withers, P. J., & Bhadeshia, H. K. D. H. (2001). Residual stress. Part 1 – Measurement techniques. Materials Science and Technology, 17(4), 355–365.
- Withers, P. J., & Bhadeshia, H. K. D. H. (2001). Residual stress. Part 2 – Nature and origins. Materials Science and Technology, 17(4), 366–375.
- Withers, P. J. (2007). Residual stress and its role in failure. Reports on Progress in Physics, 70(12), 2211–2264.
- Schajer, G. S. (Ed.). (2013). Practical Residual Stress Measurement Methods. Wiley.
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