용접을 하면 왜 철이 수축할까
금속에 열을 가하면 치수가 줄어드는 것이 아니라, 오히려 팽창합니다. 다만 용접에서는 열을 가한 뒤 냉각되는 과정에서 최종적으로 수축 하기 때문에 치수가 줄어드는 것처럼 보입니다. 열을 가하면 왜 팽창할까? 금속은 원자들이 규칙적으로 배열된 구조를 가지고 있습니다. 5 열을 가하면 다음과 같은 현상이 일어납니다. 원자의 진동이 커집니다. 열에너지를 받은 원자들은 더 크게 진동합니다. 원자 사이 평균 간격이 증가합니다. 진동이 커질수록 원자 간 평균 거리가 약간 늘어나면서 금속 전체의 길이와 부피가 증가합니다. 이것이 열팽창(Thermal Expansion) 입니다. 예를 들어 1m 길이의 연강을 100°C 정도 가열하면 약 1.2mm 정도 길어집니다. 그런데 용접 후에는 왜 치수가 줄어들까? 용접은 매우 국부적으로 1,500°C 이상 까지 가열됩니다. 과정은 다음과 같습니다. ① 가열 ───────────── ■■■■□□□□■■■■ ↑ 용접부 팽창 ↓ ② 용융 ↓ ③ 냉각 ───────────── ■■■■◀■■▶■■■■ 수축 ↓ ④ 최종 ───────────── ■■■■■■■■■■■■ 전체 길이가 약간 짧아짐 용접부는 녹을 만큼 크게 팽창하지만 주변 모재가 이를 구속하고 있기 때문에 자유롭게 늘어나지 못합니다. 냉각되면 용접금속은 원래 길이보다 더 강하게 잡아당기며 수축하고, 이 힘이 주변 모재까지 끌어당겨 잔류응력(Residual Stress) 과 용접수축(Weld Shrinkage) 이 발생합니다. 왜 원래 길이로 돌아오지 않을까? 이것이 가장 중요한 이유입니다. 고온에서는 금속의 항복강도(Yield Strength) 가 크게 감소합니다. 가열 중에는 금속이 쉽게 소성변형됩니다. 냉각 후에는 그 변형이 그대로 남습니다. 따라서 일부 변형은 탄성적으로 복원되지 않아 영구적인 치수 감소 가 발생합니다. 즉, 가열 → 팽창 → 냉각 → 수축 과정에서 고온 소성변형이 발생하기 때문에 최종 치수가 원래보다 작아지는 ...