바우싱거 효과

바우싱거 효과(Bauschinger effect)는 재료의 미세 응력 분포의 결과로 재료의 응력/변형 특성이 변하는 재료의 특성을 말한다. 예를 들어, 인장 항복 강도의 증가는 압축 항복 강도를 희생시키면서 발생한다. 이 효과는 독일의 공학자 요한 바우싱거의 이름을 따서 명명되었다.

더 많은 인장 가공 경화는 인장 항복 강도를 증가시키지만, 인장 가공 경화 후의 국부적인 초기 압축 항복 강도는 실제로 감소한다. 인장 가공 경화가 클수록 압축 항복 강도는 낮아진다.

이는 대부분의 다결정 금속에서 발견되는 일반적인 현상이다. 가공 경화 구조를 기반으로, 바우싱거 효과를 설명하기 위해 일반적으로 두 가지 유형의 메커니즘이 사용된다.
 재료에 국부적인 역응력이 존재하여 역방향으로 전위의 움직임을 돕는다. 결정립계에서의 전위 축적과 강한 석출물 주위의 오로완 루프는 이러한 역응력의 두 가지 주요 원인이다.
 변형 방향이 반전될 때, 초기 방향에서 미끄럼을 유발하는 전위를 생성한 동일한 원천에서 반대 부호의 전위가 생성될 수 있다. 반대 부호의 전위는 서로를 끌어당겨 소멸시킬 수 있다. 가공 경화는 전위 밀도 증가와 관련이 있으므로, 전위 수를 줄이면 강도가 감소한다.

결과적으로 반대 방향으로의 변형에 대한 항복 강도는 변형이 초기 방향으로 계속되었을 때보다 작아진다.

 작용 메커니즘 
바우싱거 효과는 주로 전위와 재료 내 내부 응력장 간의 상호작용에 기인한다. 처음에는 외부 응력이 가해지면 전위가 생성되어 결정 격자를 가로지르며 내부 응력장을 생성한다. 이러한 응력장은 다시 가해진 응력과 상호작용하여 가공 경화 또는 변형 경화로 알려진 현상을 유발한다. 전위가 축적되면 재료의 항복 강도가 상승하여 추가적인 소성 변형을 방해한다. 응력이 반대 방향으로 가해지면, 전위는 이전에 전위 장벽에 존재했던 역응력에 의해 도움을 받으며, 전위 장벽의 역응력이 이전 경우에 비해 강하지 않을 가능성이 있기 때문에 쉽게 미끄러져 역방향 하중에 대한 소성 변형의 항복 응력이 낮아진다.

바우싱거 효과는 재료 구성, 결정 구조 및 이전 소성 변형과 같은 요인에 따라 그 크기가 달라진다. 전위 밀도가 높고 내부 응력장이 많은 재료는 더 분명한 바우싱거 효과를 나타내는 경향이 있다. 또한 바우싱거 효과는 영구 연화(Permanent Softening) 및 일시적 효과(Transient effects)와 같은 다른 현상과 종종 동반된다.

변형의 이방성과 관련된 재료의 바우싱거 효과에는 잔류 격자 응력/변형의 상당한 기여도 있다. 하중-하중 제거 주기 동안 전위는 하중 제거 후 원래 위치로 돌아가지 않아 격자에 잔류 변형이 남는다. 이러한 변형은 반대 방향으로 가해진 응력과 상호 작용하여 후속 하중-하중 제거 주기에 대한 재료의 반응에 영향을 미친다. 가장 큰 효과는 재료가 다른 하중 방향에서 다른 값으로 항복하는 소성 항복 비대칭성이다.

다결정 재료의 바우싱거 효과에 기여하는 세 가지 유형의 잔류 응력(유형 I, 유형 II, 유형 III)이 있다. 유형 I 잔류 응력은 열 기울기로 인해 제조 과정에서 발생하며 일반적으로 재료의 거시적 치수와 유사한 길이에서 자체 평형을 이룬다. 따라서 바우싱거 효과에 크게 기여하지 않는다.

그러나 유형 II 응력은 결정립 크기 스케일에서 평형을 이루므로 바우싱거 효과에 크게 기여한다. 이는 소성 및 탄성 이방성으로 인해 이웃 결정립 간의 변형 불일치로 인해 발생한다. 따라서 이러한 다른 방향으로 배향된 결정립을 따라 전위 운동에 영향을 미침으로써 재료의 항복 거동을 다른 방향으로 변화시키는 역할을 한다. 반면에 유형 III 응력은 연성 기지 재료와 경성 석출물 또는 전위 셀 벽(미세 구조 요소) 간의 불일치로 인해 발생한다. 이는 극히 짧은 거리에 걸쳐 지속되지만 미세 구조적 불균일성이 있는 영역에 크게 영향을 미친다. 결정립계에서의 전위 축적 또는 응력집중은 이러한 유형의 잔류 응력의 예이다.

이 세 가지 유형의 잔류 응력은 전체적으로 강도, 유연성, 피로 및 내구성과 같은 특성에 영향을 미친다. 따라서 잔류 응력 메커니즘을 이해하는 것은 바우싱거 효과의 영향을 완화하는 데 중요하다.

 바우싱거 효과의 결과 
금속 성형 작업은 금속 공작물에 반대 부호의 응력을 가하는 상황을 초래한다. 바우싱거 효과는 공작물의 작업 연화에 기여하는데, 예를 들어 인발된 봉이나 압연된 판을 곧게 펴는 과정에서 롤러가 공작물에 교번 굽힘 응력을 가하여 항복 강도를 줄이고 공작물의 냉간 인발성을 높인다.

 함의 
바우싱거 효과는 반복 하중을 받는 금속 재료의 기계적 거동에 미치는 영향 때문에 다양한 분야에서 응용된다. 특히 반복 하중 또는 응력 방향 변화를 수반하는 응용 분야에서 중요하며, 공학 구조물의 설계 및 최적화를 용이하게 한다.

지진 해석: 지진 공학과 지진 설계는 지질 공학의 중요한 측면이다. 지진 발생 시 구조 부품은 교번 응력 방향을 견디며, 바우싱거 효과는 재료 반응, 에너지 소산 및 잠재적 손상 축적에 영향을 미친다. Giuffré-Menegotto-Pinto 모델은 바우싱거 효과와 철근 콘크리트 구조물에서 반복 하중 하에 관찰되는 핀칭 거동을 통합하여 구조물의 지진 성능을 정확하게 예측하는 데 널리 사용된다. 이 모델은 응력-변형률 관계에 전이 곡선을 도입하여 이러한 현상을 포착한다.

피로 수명 예측: 연구자들은 변형률-수명 및 에너지 기반 접근법과 같은 피로 수명 예측 기술에 바우싱거 효과를 통합하는 방법과 모델을 개발했다. 이는 기계, 차량 및 공학 구조물의 피로 수명을 예측하고 설계하는 데 중추적인 역할을 한다. 바우싱거 효과에 대한 명확한 이해는 정확한 예측을 보장하여 반복 하중 조건에 노출되는 부품의 신뢰성과 안전성을 향상시킨다.

변형률-수명 접근법은 소성 변형률 진폭과 파손까지의 주기 수를 상관관계 시키는 반면, 에너지 기반 접근법은 소성 변형 에너지를 피로 손상 축적의 추진력으로 간주한다. 이러한 모델은 소성 변형 에너지 계산을 조정하거나 효과로 인한 이력 곡선의 비대칭을 해결하기 위해 추가 에너지 항을 도입하여 바우싱거 효과를 통합한다.

항공우주 및 자동차 공학: 항공우주공학에서는 비행 중 재료가 반복적인 하중 주기를 겪으며 피로 및 변형을 초래한다. 마찬가지로 자동차 산업에서는 차량이 도로 조건 및 작동으로 인해 반복적인 하중을 견뎌야 한다. 이러한 조건에서 재료 거동을 예측하고 피로 저항성이 향상된 부품을 설계하는 데 바우싱거 효과를 이해하는 것이 중요하다. 이 분야의 연구는 합금의 바우싱거 효과를 특성화하고 피로 수명을 평가하는 예측 모델을 개발하여 구조적 무결성과 신뢰성을 보장하는 데 중점을 둔다.

금속 성형: 바우싱거 효과는 이러한 공정 동안 재료의 흐름 거동, 변형 분포 및 필요한 성형 하중에 크게 영향을 미친다. 따라서 바우싱거 효과를 이해하는 것은 성형 공정을 최적화하고 재료 거동을 예측하는 데 중요하다.

 바우싱거 효과 완화 
바우싱거 효과의 영향을 완화하고 금속 재료의 성능을 향상시키기 위해 열처리 및 표면 처리, 복합 재료 사용, 조성 최적화 등 여러 전략과 기술이 개발되었다.

표면 처리: 이 방법은 금속 재료의 표면 특성을 변경하여 바우싱거 효과를 완화하는 것을 목표로 한다. 일반적인 처리에는 보호층을 만들거나 물리 기상 증착 (PVD) 코팅과 같은 공정을 통해 표면 미세 구조를 수정하는 것이 포함된다. 이 처리는 표면 근처 영역에서 바우싱거 효과를 감소시킨다. 또 다른 효과적인 접근 방식은 쇼트 피닝으로, 고속 입자가 재료 표면에 충돌하여 압축 잔류 응력을 유도한다. 이러한 응력은 바우싱거 효과와 관련된 내부 인장 응력을 상쇄하여 그 영향을 줄인다.

열처리: 열처리와 열기계적 가공은 재료 내 잔류 응력과 전위 구조를 완화하여 바우싱거 효과를 완화하는 데 널리 사용된다. 응력 제거 어닐링은 일반적인 접근 방식으로, 재료를 특정 온도로 가열하고 일정 시간 동안 유지하여 전위가 재배열되고 내부 응력이 소산되도록 한다. 이 과정은 내부 응력장을 최소화하고 전위의 보다 균일한 분포를 달성함으로써 바우싱거 효과를 감소시킨다.

조성 최적화 및 복합 재료: 재료 조성 최적화는 바우싱거 효과 완화를 위한 또 다른 효과적인 접근 방식인데, 특정 조성과 미세 구조는 바우싱거 효과가 덜 두드러진다. 알루미늄 합금 및 오스테나이트계 스테인리스강과 같이 적층 결함 에너지가 높은 재료는 전위를 수용하는 능력이 향상되어 바우싱거 효과가 덜 나타나는 경향이 있다. 또한 하이브리드 및 복합 재료는 완화 가능성을 제공한다. 예를 들어, 금속 기지 복합 재료 (MMC)는 금속 기지에 세라믹 입자 또는 섬유로 강화되어 있으며, 이는 기지 내 전위 이동을 제한하여 바우싱거 효과를 줄일 수 있다. 또한 적층 또는 등급 복합 구조는 다른 재료를 전략적으로 결합하여 다른 곳에서 원하는 특성을 유지하면서 중요한 영역에서 바우싱거 효과를 완화한다.

 같이 보기 
 백래시, 대규모 기계 시스템에서 유사한 외인성 동작.
 피로

 각주 

분류:재료과학