스트레스-변형률 곡선이란 무엇인가요? 설명

고무 밴드가 제자리로 돌아가지만 종이 클립은 구부러진 채로 있는 이유에 대해 생각해 본 적이 있습니까? 아니면 어떤 물체는 부서지기 전에 많이 늘어나지만 어떤 물체는 즉시 부서지는 이유는 무엇일까요? 저도 예전에 이런 질문들을 생각하곤 했습니다. 잡아당길 때 물체가 어떻게 작용하는지 정확히 보여주는 특별한 차트가 있습니다. 이를 응력-변형률 곡선이라고 하며 재료 역학에서 가장 중요한 개념 중 하나입니다.

이 기사는 여러분의 지도가 될 것입니다. 응력-변형률 곡선이 무엇인지 살펴보겠습니다. 읽는 방법을 배우고 일상적인 물체에 대해 무엇을 알려주는지 알아볼 것입니다. 엔지니어들이 이러한 응력-변형률 곡선을 매우 유용하다고 생각하는 이유를 알게 될 것입니다. 그들은 다리에서 비행기에 이르기까지 모든 것을 건설하는 데 사용합니다. 결국에는 간단한 그래프 차트를 보고 재료 내부에 숨겨진 비밀스러운 강점과 약점에 대해 배울 수 있을 것입니다.

스트레스와 변형률은 대체 무엇일까요?

응력-변형률 곡선을 얻으려면 먼저 두 가지 주요 부분을 알아야 합니다. 이러한 부분은 응력과 변형률입니다. 어렵게 들릴 수도 있지만 실제로는 매우 간단합니다. 줄다리기를 하는 자신의 모습을 상상해 보세요. 로프에 가하는 힘은 내부에 힘을 만듭니다. 이 힘을 응력이라고 합니다. 정확히 말하면 응력은 물체에 가해지는 힘의 양을 면적에 걸쳐 분산된 것으로 정의됩니다. 재료가 내부에서 느끼는 "압력"의 양이라고 생각하십시오. 따라서 동일한 로프에 더 큰 힘을 가하면 응력이 더 커집니다.

이제 로프를 당길 때 로프에 무슨 일이 일어나고 있습니까? 늘어나고 있습니다! 그 늘어짐을 변형률이라고 합니다. 변형률은 응력으로 인해 물체의 모양이 얼마나 많이 변하는지 알려줍니다. 로프가 약간 길어지면 변형률이 약간 있습니다. 많이 늘어나면 변형률이 많습니다. 따라서 응력과 변형률을 한 팀으로 생각할 수 있습니다. 하나가 다른 하나를 유발합니다. 응력(당기는 힘)을 가하면 변형률(늘어짐)이 발생합니다.

응력과 변형률이 어떻게 함께 작용하는지 이해하면 재료에 대해 많은 것을 이해할 수 있습니다. 이러한 팀워크는 응력-변형률 곡선이 보여주는 것입니다. 물체를 당길 때 인장 응력이라고 합니다. 물체를 짓누를 때 압축 응력이라고 합니다. 우리의 지도에서는 주로 물체를 당기는 것에 대해 이야기할 것입니다.

스트레스-변형률 곡선은 어떻게 만들까요?

그렇다면 사람들은 이러한 유용한 차트를 어떻게 만들까요? 그들은 인장 시험을 수행하기 위해 특수 기계를 사용합니다. 재료 조각을 가져온다고 상상해 보세요. 종종 개 뼈 모양입니다. 시험기에 넣습니다. 이 기계에는 재료의 각 끝을 잡는 강력한 클램프가 있습니다. 그런 다음 시험기가 천천히 재료를 분리하기 시작합니다. 이것은 단축 당김입니다. 즉, 하나의 직선으로 당기는 것을 의미합니다.

시험기가 실온에서 점점 더 많은 힘으로 당기면 동시에 두 가지를 측정합니다.

힘: 이것은 기계가 당기는 힘입니다. 기계는 이 숫자를 사용하여 응력을 계산합니다.
연신율: 이것은 재료가 늘어나는 정도입니다. 기계는 이것을 사용하여 변형률을 계산합니다.

기계는 이러한 점들을 차트에 표시합니다. 응력을 위아래로, 변형률을 좌우로 표시합니다. 그려지는 선은 유명한 응력-변형률 곡선입니다! 단 한 번의 테스트로 엄청난 양의 정보를 얻을 수 있습니다. 엔지니어링 재료 조각의 기계적 특성에 대한 모든 것을 알려줍니다.

곡선의 첫 번째 부분이 우리에게 알려주는 것은 무엇일까요?

금속에 대한 일반적인 응력-변형률 곡선을 처음 보면 곡선이 완벽하게 직선인 선으로 시작되는 것을 볼 수 있습니다. 위로 오른쪽으로 향합니다. 이 직선 부분을 선형 탄성 영역이라고 합니다. 그게 무슨 뜻일까요? 즉, 재료는 새 고무 밴드처럼 작동합니다. 잡아당기면 늘어납니다. 놓으면 처음 모양으로 돌아갑니다. 이를 탄성 작용이라고 합니다. 재료는 영구적으로 변경되지 않았습니다.

곡선의 이 부분에서 응력은 변형률에 비례합니다. 이것은 과학에서 유명한 규칙입니다. 응력을 두 배로 늘리면 변형률도 두 배로 늘어납니다. 이 완벽한 팀워크는 특별한 지점에 도달할 때까지 계속됩니다. 이 지점을 비례 한계라고 합니다. 선은 이 비례 지점까지 완전히 직선입니다. 그것은 이야기의 매우 간단한 부분입니다. 재료의 탄성의 첫 번째 징후를 보여줍니다. 이 직선을 곡선의 선형 부분이라고 합니다.

곡선의 이 부분은 엔지니어에게 큰 의미가 있습니다. 그들은 탄성 한계 내에 머무르는 물건을 만들고 싶어합니다. 이것은 우리가 매일 사용하는 물건을 위한 것입니다. 예를 들어 트럭이 지나간 후 다리가 구부러진 채로 있는 것을 원하지 않을 것입니다! 비례 한계는 응력-변형률 관계가 직선이 되는 것을 멈추는 지점입니다. 바로 그 다음이 탄성 한계입니다. 이것은 놓았을 때 재료가 원래 모양으로 되돌아갈 수 있는 마지막 지점입니다.

탄성 계수란 무엇입니까?

응력-변형률 곡선의 첫 번째 부분은 직선입니다. 모든 직선에는 기울기가 있습니다. 그 기울기에는 특별한 이름이 있습니다. 탄성 계수라고 합니다. 때로는 영률이라고도 합니다. 멋지게 들리는 것을 알고 있습니다. 하지만 단지 숫자일 뿐입니다. 재료가 얼마나 뻣뻣한지 알려줍니다. 강철과 같이 뻣뻣한 재료는 기울기가 매우 가파릅니다. 즉, 약간의 변형률을 얻으려면 많은 응력이 필요합니다.

이렇게 생각해 보세요. 강철 막대를 늘리는 것은 매우 어렵습니다. 탄성 계수가 매우 큰 숫자이기 때문입니다. 반면에 고무와 같은 재료는 변형률 곡선에서 기울기가 그다지 가파르지 않습니다. 많은 변형률을 얻기 위해 많은 응력이 필요하지 않습니다. 그렇기 때문에 고무가 매우 잘 늘어납니다! 따라서 계수는 탄성 영역에서 응력을 변형률로 나눈 값일 뿐입니다. 탄성 계수는 핵심 속성입니다. 엔지니어가 작업에 적합한 재료를 선택하는 데 도움이 됩니다.

재료	강성(계수)	모양과 느낌
Steel	매우 높음	뻣뻣한 금속 자
알루미늄	높음	소다 캔
플라스틱	낮음	플라스틱 물병
고무	매우 낮음	고무 밴드

곡선의 직선, 선형 부분의 기울기를 파악하여 이 숫자, 즉 계수를 찾습니다. 재료의 탄성을 측정하는 매우 중요한 방법입니다.

재료가 영구적으로 늘어나기 시작하면 무슨 일이 일어날까요?

탄성 한계를 지나서 재료를 계속 당기면 다른 일이 발생합니다. 응력-변형률 곡선이 더 이상 직선이 아닙니다. 구부러지기 시작합니다. 이곳을 항복점이라고 합니다. 항복점은 차트에서 중요한 지점입니다. 이곳은 재료가 탄성을 멈추는 지점입니다. 영원히 변하기 시작합니다. 이를 소성 변형이라고 합니다.

종이 클립을 구부리는 것을 생각해 보세요. 약간 구부리면 원래 모양으로 돌아갑니다(탄성). 하지만 너무 많이 구부리면 구부러진 채로 있습니다. 항복점을 지나간 것입니다. 이제 소성 변형 영역에 있습니다. 이 지점에 도달하는 데 필요한 응력의 양을 항복 강도 또는 항복 응력이라고 합니다. 항복 강도를 지나면 재료에 영구 변형이 생깁니다. 이것은 당기는 것을 멈춘 후에도 발생합니다. 영원히 바꾼 것입니다!

연강과 같은 일부 물체의 경우 항복점을 보기가 매우 쉽습니다. 곡선이 약간 내려갈 수도 있습니다. 즉, 재료가 갑자기 많이 늘어나기 시작합니다. 더 많은 힘을 가할 필요도 없습니다. 금속 내부의 매우 작은 부분이 움직이기 시작하기 때문에 발생합니다. 이것은 영구 변형의 시작입니다. 소성 변형을 유도한다는 것은 이 지점을 지나갈 만큼 충분한 응력을 사용해야 한다는 의미입니다.

왜 곡선은 굽은 후에 다시 올라갈까요?

이것은 이야기의 매우 흥미로운 부분입니다. 재료가 영구적으로 변하기 시작한 후(항복 응력 초과) 약해지고 있다고 생각할 수 있습니다. 그러나 금속과 같은 많은 재료의 경우 응력-변형률 곡선이 다시 올라가기 시작합니다! 즉, 재료가 모양이 변하면서 실제로 더 강해지고 있습니다. 이 멋진 기능을 가공 경화라고 합니다.

그렇다면 내부에서 무슨 일이 일어나고 있을까요? 재료가 늘어남에 따라 내부의 모든 작은 조각들이 섞이고 엉킵니다. 이 엉킴으로 인해 움직이기가 더 어려워집니다. 따라서 계속 늘리려면 점점 더 많은 응력을 가해야 합니다. 차트의 이 부분을 가공 경화 영역이라고 합니다. 재료가 더 강해집니다. 이것은 가공 경화로 인해 발생합니다.

철사를 앞뒤로 구부려 본 적이 있습니까? 구부릴 때마다 구부리기가 더 어려워지는 것을 보았을 것입니다. 그것이 바로 가공 경화 작용입니다! 금속을 더 강하게 만들고 있지만 덜 늘어나게 만들고 있습니다. 이것이 재료가 더 많은 변화에 저항하는 방법입니다. 이곳은 변형이 일어나는 곳입니다. 이 영역에서 변형률이 증가함에 따라 응력이 증가합니다.

곡선에서 가장 강한 지점은 무엇입니까?

계속 당기고 재료가 계속 단단해짐에 따라 응력-변형률 곡선이 계속 올라갑니다. 마침내 정점에 도달합니다. 이것은 전체 곡선에서 가장 높은 지점입니다. 이 정점을 극한 인장 강도(UTS)라고 합니다. 이것은 재료가 견딜 수 있는 가장 큰 엔지니어링 응력의 양입니다. 이 지점을 지나면 약해지기 시작합니다.

극한 인장 강도는 매우 중요한 숫자입니다. 재료가 견딜 수 있는 가장 큰 당기는 힘을 알려줍니다. UTS보다 높은 응력을 사용하면 재료가 파손됩니다. 응력-변형률 곡선에서 언덕의 왕입니다. 이 지점을 지난 응력 값은 재료가 곧 파손될 것임을 의미합니다.

재료의 마지막 큰 순간이라고 생각할 수 있습니다. 늘어났습니다. 가공 경화를 통해 더 단단해졌습니다. 그리고 이제 가장 강한 지점에 있습니다. 이 시점부터 상황이 내려가기 시작합니다. 이것은 파단이라고 하는 최종 파손으로 이어집니다. 극한 응력은 매우 중요한 정보입니다. 엔지니어는 강력한 부품을 설계하는 데 필요합니다.

네킹이란 무엇이며 왜 발생할까요?

최고점에 도달한 후, 즉 극한 인장 강도에 도달한 후 이상한 일이 발생하기 시작합니다. 응력-변형률 곡선이 아래를 가리키기 시작합니다. 하지만 잠깐, 우리가 여전히 당기고 있는 동안 응력이 어떻게 내려갈 수 있을까요? 이것은 네킹이라고 하는 것 때문입니다.

재료가 파손될 즈음에는 작은 지점 하나가 가늘어지기 시작합니다. 목이 형성되는 것처럼 보입니다. 목의 단면적이 작아집니다. 더 작기 때문에 많은 힘을 견딜 수 없습니다. 이제 당기는 힘은 그 작은 영역에 모두 있습니다. 따라서 목 내부의 실제 응력은 여전히 증가하고 있습니다! 이를 진응력이라고 합니다. 그러나 기계는 단면적을 기준으로 힘을 측정하고 있습니다. 먼저 단면적. 따라서 계산하는 응력이 내려가는 것처럼 보입니다. 이것이 엔지니어링 응력입니다.

이 네킹 영역은 재료가 더 이상 안정적이지 않다는 것을 보여줍니다. 이제 모든 늘어짐이 그 작은 목 영역에서 발생합니다. 네킹은 UTS에 도달한 직후에 시작됩니다. 네킹 과정은 계속 진행됩니다. 단면이 점점 작아집니다. 그런 다음 재료가 마침내 파손됩니다.

재료는 어떻게 최종적으로 파괴되는가?

응력-변형률 곡선의 끝은 파단점입니다. 이곳은 재료가 마침내 두 조각으로 파손되는 곳입니다. 많은 금속과 같은 연성 재료의 경우 이 파단은 많은 늘어짐과 많은 네킹 후에 발생합니다. 연성 재료의 파손된 조각을 보면 종종 "컵과 콘" 파단이라는 모양을 볼 수 있습니다. 한쪽은 컵처럼 보이고 다른쪽은 콘처럼 보입니다. 이것은 이러한 종류의 파손의 명확한 신호입니다.

응력-변형률 곡선 아래의 전체 영역은 재료의 인성을 알려줍니다. 인성은 물체가 파손되기 전에 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지 측정하는 방법입니다. 극한 인장 강도가 높고 많이 늘어나는 물체는 매우 질깁니다. 곡선 아래에 넓은 영역이 있습니다. 파손되기 전에 많은 에너지를 처리할 수 있습니다. 이것은 많은 작업에 매우 좋은 기능입니다.

첫 번째 탄성 늘어짐에서 최종 파단까지 응력-변형률 곡선에서 보는 여정은 재료의 속성에 대한 전체적인 그림을 제공합니다. 강도, 강성, 에너지를 얼마나 잘 흡수할 수 있는지 알려줍니다. 응력-변형률 곡선 아래의 영역은 단위 부피당 흡수되는 변형 에너지의 양을 보여줍니다.

왜 재료마다 곡선이 다를까요?

모든 응력-변형률 곡선이 동일하게 보이는 것은 아닙니다. 실제로 곡선의 모양은 재료의 지문과 같습니다. 재료가 연성인지 취성인지 알려줍니다. 우리가 보았듯이 강철 또는 구리와 같은 연성 재료는 응력-변형률 곡선이 깁니다. 많이 늘어납니다. 또한 파손되기 전에 명확한 항복점, 가공 경화 및 네킹을 보여줍니다.

그러나 유리 또는 세라믹과 같은 취성 재료는 매우 다른 유형의 응력-변형률 곡선을 가지고 있습니다. 곡선은 매우 짧고 가파릅니다. 취성 재료는 소성 변형이 거의 없습니다. 탄성 영역에서 아주 조금 늘어난 다음 그냥 끊어집니다! 경고가 없습니다. 항복점이 없습니다. 그리고 네킹이 없습니다. 그렇기 때문에 유리를 떨어뜨리면 즉시 산산조각이 납니다.

따라서 엔지니어는 응력-변형률 곡선의 모양을 보고 해당 재료가 어떻게 작용할지 많이 알 수 있습니다. 연성 재료의 경우 파손이 느립니다. 그러나 취성 재료는 파손이 빠르고 갑작스럽습니다. 원래 응력-변형률 곡선은 전체 이야기를 알려줍니다. 진응력과 진변형률을 볼 수도 있습니다. 특히 네킹 영역에서 더 나은 그림을 제공합니다. 변화하는 단면적에 대한 숫자를 수정합니다. 엔지니어링 변형률과 일반 변형률은 측정하기 더 쉬운 방법입니다. 시작 길이를 사용합니다.