응력제거 어닐링

왜 배우는가: 응력제거풀림은 용접과 가공으로 생긴 잔류응력이 변형과 파괴를 일으키는 것을 막는 대표 열처리이다. 실무에서는 압력설비와 정밀 부품의 치수 안정성을 확보하는 데 쓰인다. 시험에서는 정의, 온도 범위, 가열 이유를 함께 묻는 경우가 많다.

출제 이력: 제120회 1교시 1번, 제117회 4교시 4번, 제92회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

응력제거풀림은 용접 등으로 생긴 잔류응력을 하부 변태점 이하의 온도에서 가열·유지하여 줄이는 열처리이다.

답안 첫 줄은 이 정의를 그대로 쓰는 것이 좋다. 정의를 이루는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 응력제거풀림: 재료를 하부 변태점 이하로 가열하여 일정 시간 유지한 뒤 서냉하는 열처리 방법이다.
• 잔류응력: 외력이 제거된 뒤에도 재료 내부에 남아 있는 응력이며, 용접 시 국부 가열과 냉각의 온도차에서 생긴다.
• 하부 변태점(A1): 강을 가열할 때 페라이트가 오스테나이트로 변하기 시작하는 온도이며, 응력제거풀림의 온도 상한이 된다.
• 전위 재배열: 가열로 결정 내부의 전위가 움직여 정렬하거나 소멸하는 현상으로, 응력 완화의 직접적인 원인이다.
• 크리프 완화: 고온에서 응력이 장시간 유지될 때 재료가 서서히 변형하며 응력을 소모하는 현상이다.
• 치수 안정성: 가공 후 부품의 형상과 치수가 시간이 지나도 변하지 않는 성질로, 응력제거풀림의 실무 목적이다.

2. 개념 풀이

Stress Relief Annealing으로 쓰는 응력제거풀림은 용접, 절삭, 소성가공 등 앞선 공정에서 재료 내부에 축적된 잔류응력을 줄이기 위해, 재료를 하부 변태점(A1) 이하의 온도로 가열하고 충분한 시간 유지한 뒤 천천히 냉각하는 열처리이다. 탄소강에는 500~650℃ 범위를 일반적으로 적용하며, 이 범위의 상한은 어떤 경우에도 변태점을 넘지 않도록 정한다.

원리는 가열에 따라 재료의 항복강도가 낮아지고 원자의 확산이 활발해져 잔류응력이 미소한 소성변형으로 해소되는 데 있다. 잔류응력은 탄성 변형으로 저장된 에너지이므로, 열을 주어 재료가 그 변형을 소성적으로 흡수하게 하면 응력이 사라진다. 따라서 응력제거의 구동력은 온도가 제공하는 열에너지이다.

이때 결정 내부에서는 전위 재배열이 일어난다. 전위는 가열로 활성화되어 이동하고 서로 정렬하거나 소멸하며, 그 결과 격자의 뒤틀림이 줄어들고 응력장이 작아진다. 이 현상은 응력 완화와 함께 재료의 연성을 일부 회복시키는 효과로 이어진다.

하부 변태점(A1)은 강을 가열할 때 페라이트가 오스테나이트로 변하기 시작하는 온도이다. 응력제거풀림은 이 온도 아래에서 수행하므로 상변태가 일어나지 않고, 상변태에 따른 체적 변화와 새로운 잔류응력이 생기지 않는다. 가열 온도를 하부 변태점 이하로 제한하는 이유는 여기에 있다. 변태점을 넘으면 오스테나이트 조직이 생기고, 냉각 중 새로운 변태응력과 경도 변화가 일어나 응력제거의 목적에 어긋나게 된다.

크리프 완화는 응력제거풀림에서 시간 요소를 설명하는 핵심 원리이다. 일정 온도에서 응력이 장시간 작용하면 재료는 서서히 변형하면서 응력을 소모하므로, 유지 시간이 길수록 잔류응력 감소량이 커진다. 따라서 두께가 큰 부재일수록 내부까지 균일하게 가열되도록 유지 시간을 늘려야 한다.

답안에서는 정의, 목적, 온도 범위, 가열 이유를 차례로 쓰는 것이 자연스럽다. 가열 이유는 전위를 움직일 열에너지를 주면서도 변태를 막아 조직이 안정된 상태를 유지하게 하는 것이라고 정리하면 된다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 좁은 부위를 국부적으로 가열한 뒤 냉각하는 공정이다. 용접부와 열영향부는 주변 모재의 구속을 받으며 수축하고, 그 결과 잔류응력이 인장 방향으로 크게 남는다. 잔류응력은 외부 하중이 없어도 존재하므로, 사용 중 하중과 겹치면 실제 작용 응력을 높이는 원인이 된다.

잔류응력은 응력부식균열과 취성파괴의 발생 조건을 만든다. 인장으로 남은 잔류응력이 있는 부위는 부식 환경에서 균열이 쉽게 자라며, 저온이나 충격 하중에서는 취성파괴의 기점이 된다. 피로 하중을 받는 용접부에서는 피로강도를 떨어뜨리는 요인이 된다.

압력용기, 보일러, 공기탱크, 배관 같은 고압 설비는 파괴 시 피해가 크므로 응력제거 열처리가 설계 규격에서 요구된다. ASME 압력용기·배관 규격은 특정 재료와 두께에 대해 용접 후 열처리를 의무로 규정한다. 이 열처리를 용접 후 열처리(PWHT)라고 하며, 응력제거풀림은 그 대표적인 방법이다.

냉간가공 후에도 잔류응력은 문제가 된다. 소재를 절삭하거나 굽힘 가공한 뒤 시간이 지나 공작물이 휘는 현상은 가공 중 축적된 잔류응력이 서서히 방출되기 때문이다. 정밀 기계 부품과 금형은 가공 후 응력제거풀림을 거쳐 치수 안정성을 확보한다.