재료가 장력에 어떻게 반응하는지 또는 장력이 얼마나 걸릴 수 있는지 알지 못하면 엔지니어링 제품과 구조가 고장나고 머리가 긁힐 수 있습니다. 이를 방지하는 가장 좋은 방법은 재료의 품질과 재료가 다양한 스트레스 요인에 어떻게 반응하는지 시각적으로 설명하는 응력-변형 곡선 그래프를 이용하는 것입니다. 이 글에서는 그래프의 작동 방식과 그래프를 읽는 방법을 정확하게 설명하겠습니다.
응력에는 다양한 유형이 있지만 엔지니어가 발견하려고 노력하는 유형에 관한 가장 간단한 정의는 단면적에 가해지는 힘의 양입니다. 이를 알면 재료가 부서지거나 부서지기 전에 얼마나 많은 양의 재료를 처리할 수 있는지 이해할 수 있습니다. 이를 알아내는 공식은 아래에서 볼 수 있습니다:
자세한 내용은 스트레스에 대한 기사를 참조하세요.
응력과 변형은 종종 함께 언급되지만 후자는 원래 치수와 비교하여 재료가 겪는 변형입니다. 이는 엔지니어가 재료를 더 잘 이해하고 특정 재료로 만들어진 구조물이나 품목이 언제 파손될지에 대한 최선의 아이디어를 얻는 데 필수적인 또 다른 계산 가능한 기준점입니다. 변형률은 단위 없는 값의 예이며(공식의 두 숫자는 모두 길이이므로) 공식은 다음과 같습니다.
자세한 내용은 Strain에 대한 전체 가이드를 참조하세요.
이제 응력-변형률 곡선을 측정하고 이 곡선에서 어떤 종류의 정보를 얻을 수 있는지 살펴보겠습니다. 오늘날 제조업에서는 모든 측정을 대신 수행하는 기계가 많이 있습니다. 이러한 곡선은 일반적으로 최신 인장 시험기에 의해 생성되며 해당 그래프는 ASTM International을 통해 금속의 경우 E8, 플라스틱의 경우 D638 등 몇 가지 범주로 표준화됩니다. 이 곡선을 만드는 테스트와 측정은 다음과 같을 것으로 예상할 수 있습니다.
응력-변형률 곡선은 엔지니어가 모든 재료의 가장 중요하고 기본적인 기계적 특성을 신속하게 결정할 수 있도록 해주기 때문에 중요합니다. 단일 인장 테스트로 응력-변형 그래프를 생성할 수 있으며 이를 통해 재료의 다음 특성을 얻을 수 있습니다.
응력-변형 곡선은 최신 인장 시험기에 의해 자동으로 생성됩니다. 이 기계는 테스트 표본에 가해지는 힘과 해당 하중으로 인해 경험하는 변형량을 지속적으로 모니터링하고 기록합니다. 인장 시험 및 표준화된 응력-변형 곡선 생성에 가장 일반적으로 사용되는 시험 방법은 ASTM International에서 발행한 방법입니다. ASTM E8은 금속 재료의 인장 시험을 표준화하고 ASTM D638은 플라스틱 재료의 인장 시험을 표준화합니다. 응력-변형 곡선을 생성하는 단계는 아래 목록에 설명되어 있습니다.
응력-변형률 곡선에는 엔지니어링 응력 및 변형률과 실제 응력 및 변형률의 두 가지 유형이 있습니다.
첫 번째 유형(엔지니어링)은 공칭 응력 및 변형률이라고도 하며 소성 변형의 매우 작은 세부 사항을 고려하지 않고 계산됩니다. 표준 인장 시험을 통해 값을 얻고 재료의 성능을 이해하는 쉬운 방법입니다. 엔지니어링 스트레스의 공식은 다음과 같습니다:
이는 소성 변형을 고려할 때 얻을 수 있는 실제 응력 및 변형률 값입니다. 이러한 특정 유형의 응력 및 변형률에 대한 계산을 수행하는 것은 재료의 기계적 특성을 학습하는 데 유용하며, 이를 찾으려면 순간 게이지 길이, 단면적 및 적용 하중에 대한 실험 데이터를 사용해야 합니다. 실제 스트레스를 찾는 공식은 다음과 같습니다:
응력-변형률 다이어그램은 세 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계에서는 재료가 탄성 변형만 경험합니다. 적용된 응력이 해제되면 재료는 원래 크기로 돌아갑니다.
두 번째 단계에서는 균일한 소성 변형이 발생합니다. 이 단계는 항복점에서 시작하여 적용된 하중이 새로 증가할 때마다 변형 경화(냉간 성형에서 발생하는 것과 동일한 공정)를 통해 재료가 계속 강화될 수 있는 한 계속됩니다. 결국, 재료의 안정적인 소성 변형 능력이 고갈됩니다. 이 단계에서 허용할 수 있는 소성 변형의 양은 재료의 상대적 취성이나 연성에 대해 많은 것을 알려줍니다.
인장 시험의 마지막 단계를 "넥킹(necking)"이라고 합니다. 이 단계는 재료의 극한 인장 응력에 도달한 후에 발생하며 더 이상 변형 경화가 불가능합니다. 지속적이고 안정적인 변형 대신에 국부적인 변형 영역이 테스트 표본의 단면 어딘가에 형성됩니다. 과도한 인장 응력은 적용된 힘에 수직인 재료의 치수를 줄여 면적이 크게 감소합니다. 이렇게 하면 재료가 "목" 모양을 갖게 됩니다. 넥킹이 시작되면 재료의 엔지니어링 응력은 감소하는 반면 실제 응력은 계속 증가합니다. 넥킹이 시작된 직후 재료가 파손되었습니다.
다음은 그래프 중 하나를 읽는 방법에 대한 빠른 안내입니다:
응력-변형률 곡선을 보여주는 그래프가 있으면 그래프에서 분석할 수 있는 영역, 단계 및 정보를 이해하는 것이 좋습니다. 3단계는 탄성변형, 균일변형, 넥킹이다. 탄성 변형은 재료가 응력을 받았지만 여전히 원래 치수로 돌아갈 수 있는 경우입니다. 재료가 변형 경화를 통해 강화를 처리할 수 있는 한 균일한 변형이 발생합니다. 이는 재료의 취성 또는 연성을 나타냅니다. 넥킹은 최대 인장 강도에 도달하여 변형 경화가 더 이상 가능하지 않은 경우입니다. 국부적인 변형은 재료 단면 어딘가에 나타나며, 응력이 증가하면서 치수는 감소하고, 그런 다음 되돌릴 수 없는 지점을 지나 변형되거나 영구적으로 파손됩니다.
이제 단계를 알았으므로 지역을 이해하고 그래프에서 가장 중요한 5가지 지점을 선택할 수 있습니다. 이에 대해서는 아래에서 간략히 설명하겠습니다.
기울기를 계산하여 영률을 끌어낼 수 있는 응력-변형률 곡선의 선형 부분의 끝점입니다.
자세한 내용은 비례 한도에 대한 기사를 참조하세요.
탄성 변형의 끝점은 소성 변형으로 이어집니다(금속을 측정할 때는 탄성 한계와 구별하기 어렵습니다).
자세한 내용은 탄력적 제한에 대한 기사를 참조하세요.
탄력적 한계와 동일하지만 계산 가능하므로 엔지니어가 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다. 이를 해결하려면 가로 축을 따라 곡선의 선형 부분을 +0.2%만큼 오프셋합니다. 그런 다음 오프셋 선과 원래 응력-변형률 곡선 사이의 교차점을 찾고 항복 강도를 얻습니다.
자세한 내용은 항복점에 대한 전체 가이드를 참조하세요.
응력-변형률 곡선에서 가장 높은 응력을 나타내며 그 이후에 네킹이 시작됩니다. 그래프에서는 이것이 가장 높지만 실제로 가장 높은 지점은 재료가 파손될 때 발생한다는 점에 유의하는 것도 중요합니다.
이름에서 알 수 있듯이 이는 재료가 너무 많이 변형되어 최종적으로 부서지거나 파손된 곡선의 지점입니다.
자세한 내용은 균열 또는 한계점에 대한 전체 가이드를 참조하세요.
만능재료시험기를 이용하여 인장시험을 실시하여 응력-변형률 곡선을 만든다. 시험기는 하중이 증가하고 시편이 변형됨에 따라 응력-변형 곡선을 생성하기 위해 자동으로 데이터를 캡처합니다.
응력-변형률 그래프는 탄성 계수, 포아송 비, 항복 응력 및 극한 인장 강도를 포함한 재료의 다양한 기계적 특성을 결정하는 데 사용됩니다. 이러한 특성은 엔지니어가 하중 지지 능력이 중요한 응용 분야에 적합한 재료를 선택하는 데 도움이 됩니다.
연성 재료의 공학적 응력-변형률 곡선은 항복점에 도달할 때까지 직선이 증가하는 특징이 있습니다. 항복점 이후 응력과 변형률의 함수는 비선형적으로 증가하고 최대 인장 강도에 도달하면 최고조에 달합니다. 이후 변형률이 계속 증가함에 따라 엔지니어링 응력은 비선형적으로 감소합니다. 결국 재료의 변형률이 너무 커지면 재료가 파손됩니다.
자세한 내용은 연성에 대한 전체 가이드를 참조하세요.
취성재료의 응력-변형률 곡선은 변형이 거의 없이 응력이 급격하게 증가하는 것을 보여주는 가파른 경사선입니다. 연성 재료와 달리 취성 재료의 응력-변형률 곡선은 항복 응력(항복점)에 도달한 후 소성 변형이 거의 나타나지 않습니다. 재료는 항복 응력 직후 파손됩니다.
자세한 내용은 취성에 대한 전체 가이드를 참조하세요.
공학적 응력-변형률과 실제 응력-변형률의 차이점은 다음과 같습니다.
스트레스와 긴장의 차이점은 다음과 같습니다:
자세한 내용은 스트레스와 긴장에 대한 전체 가이드를 참조하세요.
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캣 드 나오움
Kat de Naoum은 20년 이상의 글쓰기 경험을 보유한 영국 출신의 작가, 작가, 편집자 및 콘텐츠 전문가입니다. Kat은 다양한 제조 및 기술 조직에서 글을 쓴 경험이 있으며 엔지니어링 세계를 좋아합니다. 글쓰기 외에도 Kat은 거의 10년 동안 법률 보조원으로 일했으며 그 중 7년은 선박 금융 분야에 종사했습니다. 그녀는 인쇄본과 온라인을 통해 많은 출판물에 글을 썼습니다. Kat은 킹스턴 대학교에서 영문학과 철학 학사 학위를 취득했으며 문예 창작 석사 학위를 취득했습니다.
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