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스트레스와 변형의 흥미로운 춤: 재료는 압력을 받으면 어떻게 변형될까?
엔지니어링 및 재료 과학에서 응력-변형 곡선은 재료의 거동을 이해하는 데 중요합니다. 이 곡선은 응력과 변형률 사이의 관계를 보여줍니다. 이 곡선은 시험 재료 샘플에 점진적으로 하중을 적용하고 변형을 측정하여 얻습니다. 이러한 곡선은 엔지니어가 재료의 성능을 예측하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 탄성계수, 항복 강도, 최대 인장 강도와 같은 여러 중요한 재료 특성을 밝혀낼 수도 있습니다.
응력-변형 곡선은 변형의 다양한 단계에서 재료의 속성을 보여줄 수 있으므로 엔지니어링 커뮤니티에서 무시할 수 없는 중요한 도구입니다.
응력과 변형률 곡선의 정의
일반적으로 응력-변형률 곡선은 모든 형태의 변형에서 응력과 변형률 간의 관계를 나타냅니다. 이런 관계는 정상적, 전단적 또는 두 가지의 혼합일 수 있으며, 단축적, 이축적 또는 다축적일 수 있으며, 시간이 지남에 따라 달라질 수도 있습니다. 변형은 압축, 인장, 비틀림, 회전 등의 형태로 나타날 수 있습니다.
향후 논의는 주로 인장 시험에서 얻은 축 방향 수직 응력과 축 방향 수직 변형률 간의 관계에 중점을 둘 것입니다. 많은 실제 상황에서 서로 다른 재료는 재료의 고유한 거동을 반영하는 서로 다른 응력-변형 곡선을 보입니다.
응력-변형률 곡선의 여러 단계
많은 재료의 응력-변형 곡선은 여러 단계로 나눌 수 있으며, 각 단계는 서로 다른 거동을 보입니다. 저탄소강을 예로 들면, 실온에서의 응력-변형률 곡선은 다음과 같은 주요 단계를 보여줍니다.
선형 탄성 영역
첫 번째 단계는 선형 탄성 영역입니다. 이 영역에서는 응력은 변형률에 비례하며, 즉 호크의 법칙을 따르고, 이 영역의 기울기는 영률입니다. 이 지점에서 재료는 소성 변형이 시작되는 지점에 도달하기 전까지 탄성 변형만 겪으며, 이 지점의 응력을 항복 강도라고 합니다.
변형 경화 영역
두 번째 단계는 변형 경화 영역입니다. 이 영역에서는 항복점을 초과함에 따라 응력이 점차 증가하여 소위 최대 인장 강도에 도달합니다. 이 영역은 재료가 늘어날 때 주로 응력이 증가하는 것이 특징입니다. 이 단계에서는 재료가 가공 경화되기 때문에 내부 저항을 극복하기 위해 점점 더 큰 응력을 가해야 합니다.
변형 경화 과정 중에 소성 변형은 재료 내부의 전위 밀도를 증가시키고, 이는 이후의 변형 거동에 상당한 영향을 미칩니다.
목 부위
세 번째 단계는 네킹(necking) 영역입니다. 응력이 최대 인장강도를 초과하면 재료의 국부적인 단면적이 크게 줄어들어 목이 형성됩니다. 이 시점에서는 변형이 고르지 않고 압력이 감소된 위치에 집중되어 네킹이 더 빨리 발생하고 결국 파손이 발생합니다. 이때 인장력은 감소하지만 가공 경화는 계속되고 실제 응력은 계속 증가합니다.
네킹 영역의 끝은 재료의 파괴를 나타내며, 파괴 후의 신장 및 단면 감소를 계산하여 엔지니어링 커뮤니티에서 재료 및 제조 공정을 설계하는 데 도움을 얻을 수 있습니다.
재료의 분류
응력-변형 곡선이 보여주는 공통적인 특성을 바탕으로 재료를 대략 인성 재료와 취성 재료의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
연성 재료
구조용 강철과 대부분의 다른 금속과 같은 연성 재료는 상온에서 항복하는 특성을 보입니다. 이러한 재료의 응력-변형 곡선은 일반적으로 명확하게 정의된 항복점을 포함하고 있으며 소성 변형 단계에서 다양한 변형 거동을 보여줍니다. 인성 있는 재료의 인성은 종종 응력-변형 곡선 아래의 면적과 관련이 있는데, 이는 파괴되기 전에 재료가 흡수하는 에너지를 나타내는 지표입니다.
취성 재료
주철, 유리, 일부 돌과 같은 취성 재료는 인성 재료와 매우 다른 거동을 보입니다. 이러한 재료는 종종 명확하게 정의된 항복점이 없으며, 파괴가 발생하더라도 변형 속도는 거의 변하지 않습니다. 응력-변형률 곡선은 일반적으로 선형이며 변형 과정에서 상당한 소성 변형이 발생하지 않습니다.
취성 재료의 특징은 파괴가 일어나면 원래 모양으로 되돌아가는 경향이 있는 반면, 인성 재료의 네킹 파괴는 그렇지 않다는 것입니다.
재료가 다양한 압력 하에서 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 의심할 여지 없이 적합한 재료를 설계하고 선택하는 데 매우 중요합니다. 응용 공학에서는 다양한 재료의 특성과 그것들이 다양한 상황에서 어떻게 작용하는지에 대한 심층적인 연구를 수행해야 합니다. 재료를 선택할 때 강도 외에 고려해야 할 다른 요소가 무엇인지 생각해 본 적이 있나요?
