1. 열응력과 열팽창이란?
열팽창 정의
열팽창(Thermal Expansion)은 온도가 상승할 때 재료의 부피나 길이가 증가하는 현상입니다. 재료에 따라 팽창률이 다르며, 설계 시 이를 고려하지 않으면 변형이나 파손이 발생할 수 있습니다.
열응력 정의
열응력(Thermal Stress)은 열팽창이 제약될 때 내부에 발생하는 응력입니다. 구조물 고정, 비균일 가열, 이종 재료 접합 등에서 주로 발생합니다.
2. 열팽창과 응력의 수식
열팽창량 계산
ΔL = α × L₀ × ΔT
α: 선팽창계수 (/K), L₀: 원래 길이, ΔT: 온도변화
열응력 계산
σ = E × α × ΔT
σ: 응력(MPa), E: 탄성계수(GPa)
3. 열응력 발생 상황
- 양단 고정된 부품이 가열될 때
- 서로 다른 팽창률을 가진 재료가 결합되었을 때
- 온도 구배가 심한 구조물 내부
4. 열 하중 대응 설계 전략
1) 팽창 여유 공간 확보
- 레일, 파이프라인 등에 이음부 또는 슬라이딩 구조 삽입
2) 동일 계수 재료 조합
- 접합 부위에는 유사한 팽창 계수의 재료 사용
3) 열응력 완화 구조 도입
- 곡선부, 벨로우즈, 절취부 등으로 유연성 부여
4) 열처리 및 냉각 제어
- 급가열·급랭 방지 → 내부 응력 최소화
5. 적용 사례
1) 철도 레일 설계
- 온도 변화에 따라 확장 이음 장치 설치
2) 전자 패키지 접합
- 칩-기판 간 열팽창 계수 차이로 인한 균열 방지 위해 버퍼 재료 삽입
3) 발전소 보일러 튜브
- 고온 스팀 흐름에 따른 팽창 여유 확보
6. 자주 묻는 질문 (FAQ)
Q1: 모든 재료가 열팽창하나요?
A: 대부분의 고체는 열팽창 하지만, 계수가 매우 낮거나 음의 팽창계수를 가진 특수재료도 있습니다.
Q2: 열응력은 언제 위험한가요?
A: 응력이 재료의 항복강도를 초과하면 균열, 변형, 파손 등이 발생할 수 있습니다.
Q3: 고정 구조물이 많은 기계는 어떻게 설계하나요?
A: 열완충 구조, 유연부 삽입, 소재 조합 최적화 등을 통해 응력 분산을 고려합니다.
결론
열응력과 열팽창은 고온 또는 급변 온도 환경에서 매우 중요한 설계 변수입니다.
이를 무시한 설계는 구조물 파손이나 고장으로 이어질 수 있으므로, 기계, 전기, 건축 등 모든 분야에서 반드시 고려되어야 합니다.
예전에 친구가 만든 3D프린팅 부품이 프린터 베드 온도 때문에 심하게 휘어졌던 걸 보고, 단순한 열팽창도 실무에선 큰 문제가 될 수 있단 걸 깨달았어요 😮
다음 글에서는 열교환기에서 핀(Fin)의 역할과 효율 향상 원리에 대해 자세히 알아보겠습니다!