금속의 비밀을 풀다: 항복 강도에 대한 간단한 고찰

오랫동안 단어를 다루어 왔지만, 화학 공학을 공부하면서 시작했습니다. 그 초기 학습은 우리 세계를 구성하는 재료에 대한 진정한 존경심을 갖게 했습니다. 제가 배운 가장 기본적인 아이디어 중 하나는 항복 강도였습니다. 이 용어는 건축과 제작에서 많이 들을 수 있습니다. 하지만 그것은 금속 조각에 실제로 무엇을 의미할까요? 이 기사에서 저는 항복 강도를 간단하게 설명하고 싶습니다. 이해하는 데 특별한 학위는 필요하지 않습니다. 우리는 그것이 모든 금속 물체에 매우 중요한 품질인 이유를 살펴볼 것입니다. 이것은 종이 클립에서 고층 건물의 프레임에 이르기까지 모든 것에 해당됩니다. 이 아이디어에 대해 아는 것은 우리가 짓는 것들이 안전하고 오랫동안 지속되도록 하는 데 도움이 됩니다.

금속의 항복 강도란 무엇일까요?

마음속에 금속 스프링을 그려보세요. 당기면 길어집니다. 놓으면 원래 모양으로 돌아갑니다. 우리는 이것을 탄성 변화라고 부릅니다. 금속은 고무 밴드처럼 작용합니다. 특정 양의 응력 을 가할 수 있습니다. 원래 모양으로 돌아갈 것입니다. 영구적인 변형을 겪지 않고 이렇게 됩니다.

하지만 너무 많이 당기면 어떻게 될까요? 어느 시점에서 스프링은 원래대로 돌아가지 않습니다. 영원히 늘어날 것입니다. 여기가 항복 강도가 중요한 부분입니다. 항복 강도는 금속이 탄성 변화에서 소성 변형으로 바뀌는 응력입니다. 재료가 소성적으로 변형되기 시작하는 지점입니다. 금속에 대한 돌아올 수 없는 지점이라고 생각할 수 있습니다. 항복점을 지나면 변화는 영원합니다. 이 품질은 종종 σy로 표시됩니다.

항복 강도는 엔지니어에게 매우 중요한 숫자입니다. 그것은 그들에게 금속이 영원히 모양이 변하기 전에 견딜 수 있는 가장 큰 양의 응력 을 보여줍니다. 이것은 다리, 건물, 자동차 및 비행기와 같은 것을 설계하는 데 매우 중요합니다. 사용하는 재료가 일상적인 사용의 응력을 처리할 수 있는지 확인해야 합니다. 영원히 구부러지거나 부서지지 않아야 합니다. 항복 강도의 단위는 일반적으로 메가파스칼(MPa) 또는 제곱인치당 파운드입니다.

금속의 항복 강도는 어떻게 찾을 수 있습니까?

금속의 항복 강도를 발견하기 위해 엔지니어는 특수 기계를 사용합니다. 이 기계는 금속의 작은 조각을 끊어질 때까지 당깁니다. 이것을 인장 시험이라고 합니다. 시험이 진행되는 동안 기계는 힘의 양, 즉 응력을 기록합니다. 또한 금속이 얼마나 늘어나는지 기록하는데, 이를 변형이라고 합니다.

이 시험에서 얻은 숫자는 그래프에 표시됩니다. 이 그래프를 응력-변형 곡선이라고 합니다. 그래프는 해당 금속에 대해 응력과 변형이 서로 어떻게 관련되는지 보여줍니다. 응력-변형 곡선은 매우 유용한 도구입니다. 그것은 우리에게 금속에 대한 많은 중요한 것들, 예를 들어 항복 강도를 알려줍니다.

연강과 같은 일부 종류의 금속의 경우 응력-변형 곡선에서 매우 명확한 항복점을 볼 수 있습니다. 응력이 증가하지 않더라도 금속이 변형되기 시작하는 명확한 지점을 발견할 수 있습니다. 알루미늄과 같은 다른 금속의 경우 탄성에서 소성으로의 변화가 더 느립니다. 이러한 상황에서 엔지니어는 항복 강도를 찾는 특별한 방법을 사용합니다. 그것은 0.2% 오프셋 방법이라고 합니다. 그들은 응력-변형 곡선의 선형 부분에 평행한 선을 그려서 찾습니다. 이 선은 0.2% 변형만큼 이동됩니다. 이 새로운 선이 응력-변형 곡선과 교차하는 지점을 항복 강도라고 합니다. 이 지점을 내력이라고도 합니다.

항복 강도와 인장 강도의 주요 차이점은 무엇입니까?

항복 강도와 인장 강도를 혼동하기 쉽습니다. 하지만 그것들은 매우 다른 두 가지입니다. 우리는 이미 항복 강도가 금속이 영구적으로 변형되기 시작하는 지점이라고 이야기했습니다. 반면에 인장 강도는 금속이 부서지기 전에 견딜 수 있는 최대 응력입니다.

이렇게 생각해보세요. 항복 강도는 구부러짐에 관한 것이지만 인장 강도는 부서짐에 관한 것입니다. 금속이 항복 강도에 도달하면 원래 모양으로 돌아가지 않기 때문에 이미 파손되기 시작했습니다. 하지만 완전히 부서지기 전에 더 많은 응력을 견딜 수 있습니다. 인장 강도는 금속이 견딜 수 있는 가장 높은 응력입니다. 그 지점을 지나면 한 지점에서 더 얇아지기 시작하는데, 이를 "네킹"이라고 하며, 그런 다음 부서집니다. 네킹은 재료의 단면적이 작아지기 시작할 때 발생합니다.

많은 용도에서 항복 강도는 인장 강도보다 더 중요한 숫자입니다. 이는 부품이 영구적으로 모양이 변하면 부서지지 않았더라도 더 이상 제대로 작동하지 않을 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 비행기의 날개가 부러지지 않았더라도 영원히 구부러지는 것을 원하지 않을 것입니다. 쉽게 구부러질 수 있는 많은 재료에서 재료는 최대 인장 강도에 도달하기 훨씬 전에 변형되기 시작합니다.

항복점이 왜 그렇게 중요한가?

항복점은 금속을 설계하거나 다루는 모든 사람에게 매우 중요한 정보입니다. 그것은 당신이 금속 부품에 안전하게 가할 수 있는 가장 높은 하중을 보여줍니다. 금속에 가해지는 응력이 항복점 아래에 머무르면 부품은 탄성적으로 작용합니다. 하중이 제거되면 원래 모양으로 돌아갑니다. 이것은 많은 구조물과 기계의 안전과 신뢰성에 핵심적입니다.

항복점을 아는 것은 파손을 막는 데 매우 중요합니다. 금속에 항복점보다 더 많은 응력이 가해지면 소성 변형 단계로 들어갑니다. 이러한 영구적인 모양 변화는 무언가가 작동을 멈추게 할 수 있습니다. 어떤 경우에는 재앙적인 실패로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 다리의 강철 빔을 생각해 보세요. 항복 강도를 넘어 너무 많은 무게가 실리면 영구적으로 처집니다. 이것은 다리 전체의 강도를 손상시킬 것입니다.

엔지니어는 항복 강도를 계획의 주요 숫자로 사용합니다. 그들은 일반적으로 부품이 직면할 응력이 금속의 항복 강도보다 훨씬 낮도록 설계합니다. 이것은 안전 완충 장치를 만듭니다. 그것은 부품이 정상적으로 사용될 때 영구적으로 변형되지 않도록 합니다. 항복점은 우리가 짓는 것들이 안전하고 오랫동안 지속되도록 하는 데 도움이 되는 기본적인 아이디어입니다.

스트레스-변형률 곡선을 간단하게 설명해 주시겠어요?

응력-변형 곡선에 대해 몇 번 이야기했습니다. 마음속에 쉽게 그릴 수 있도록 분해해 보겠습니다. 엿가락을 당기는 것을 생각해 보세요. 처음에는 아주 조금 늘어납니다. 당기는 것을 멈추면 원래 길이로 돌아갑니다. 이것은 응력-변형 곡선의 탄성 영역입니다. 그래프에서 그것은 직선의 선형 선처럼 보입니다. 응력과 변형 사이의 연결은 여기서 비례하거나 균형을 이룹니다.

이제 엿가락을 훨씬 더 많이 당기는 것을 생각해 보세요. 어느 시점에서 그것은 늘어나기 시작하고 중간이 얇아집니다. 놓아도 원래 모양으로 돌아가지 않습니다. 이것은 소성 변형의 시작입니다. 여기가 응력-변형 곡선이 구부러지기 시작하는 곳입니다. 이 곡선이 시작되는 지점이 항복점입니다.

엿가락을 계속 당기면 점점 더 얇아지다가 마침내 부서집니다. 이 최종 파손은 응력-변형 곡선의 파단점입니다. 곡선에서 내려가기 시작하기 전의 가장 높은 지점이 인장 강도입니다. 전체 그래프는 우리에게 금속이 다양한 종류의 응력 하에서 어떻게 작용하는지에 대한 전체 그림을 제공합니다. 응력-변형 곡선의 선형 부분은 재료가 탄성을 갖는 곳입니다. 선형 부분의 끝을 탄성 한계라고도 합니다.

상부 및 하부 항복점에서 무슨 일이 일어나고 있습니까?

특정 종류의 금속, 특히 연강의 경우 항복점은 단 하나의 지점이 아닙니다. 대신 상항복점과 하항복점이라고 하는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 금속의 결정 구조에서 원자가 설정되는 방식 때문입니다.

상항복점은 재료가 영원히 모양이 변하기 시작하는 응력입니다. 응력-변형 그래프에서 이 지점 바로 후에 응력이 갑자기 내려가는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 금속 내부의 원자가 갑자기 서로 미끄러지기 때문입니다. 여기가 소성 변형이 시작되는 지점입니다. 이 첫 번째 미끄러짐 후에는 계속 변화시키는 데 필요한 응력이 약간 떨어집니다. 이 새로운, 더 낮은 수준이 하항복점입니다.

엔지니어에게 하항복점은 일반적으로 더 중요한 숫자입니다. 이것은 더 안정적이고 의지할 수 있기 때문입니다. 하항복점 이후에 금속은 한동안 거의 같은 양의 응력으로 계속 모양이 변할 것입니다. 여기가 변형 경화가 시작되는 지점이기도 합니다. 이것은 루더스 밴드라고 하는 것이 시험 섹션에 나타나는 시간입니다. 이 작용은 변형과 시험 장비가 상호 작용할 때 재료가 경험하는 다양한 응력의 핵심 부분입니다.

합금이 금속의 항복 강도를 어떻게 변화시키나요?

합금은 금속과 다른 재료의 혼합물입니다. 좋은 예는 강철입니다. 강철은 철과 탄소로 만들어진 합금입니다. 다른 재료를 추가하면 주 금속의 품질을 변경할 수 있습니다. 여기에는 항복 강도가 포함됩니다. 이것은 엔지니어에게 매우 유용한 개념입니다.

합금 원소를 추가하면 몇 가지 방법으로 금속의 항복 강도를 높일 수 있습니다. 이러한 추가된 재료는 결정 구조에서 원자의 깔끔한 행을 망칠 수 있습니다. 이것은 원자가 서로 미끄러지는 것을 더 어렵게 만듭니다. 이 때문에 소성 변형을 일으키려면 더 많은 양의 응력이 필요합니다.

예를 들어, 철에 탄소를 추가하여 강철을 만들면 항복 강도가 훨씬 높아집니다. 다른 종류의 강철은 탄소와 다른 합금 원소의 양이 다릅니다. 이것은 그들에게 큰 범위의 항복 강도를 제공합니다. 그렇기 때문에 일부 강철은 자동차 차체를 만드는 데 좋지만 다른 강철은 강력한 볼트에 사용됩니다. 합금을 만들어 금속의 항복 강도를 조정하는 능력은 재료 과학에서 매우 중요한 도구입니다. 합금은 금속을 경화시키는 데에도 사용할 수 있습니다.

다양한 금속의 일반적인 항복 강도는 무엇입니까?

다양한 금속의 항복 강도는 매우 다를 수 있습니다. 그것은 금속의 종류, 순도 및 제조 방법에 따라 다릅니다. 다음은 몇 가지 잘 알려진 금속 및 합금에 대한 대략적인 항복 강도를 보여주는 표입니다. 이것들은 일반적인 숫자라는 것을 기억하세요. 실제 항복 강도는 변할 수 있습니다.

보시다시피 항복 강도의 범위가 큽니다. 풀림 알루미늄과 같은 부드러운 금속은 항복 강도가 매우 낮습니다. 매우 강한 합금강은 항복 강도가 매우 높습니다. 이것이 다른 금속이 다른 작업에 사용되는 이유입니다. 항복 강도는 금속을 무엇에 사용할 수 있는지 결정하는 데 큰 부분입니다. 금속의 항복 강도는 일반적으로 MPa(메가파스칼)로 측정됩니다. 비교를 위해 인간의 피부는 약 15 MPa의 항복 강도를 가지고 있습니다.

금속의 항복 강도는 일상생활에서 어떻게 사용됩니까?

이미 이것에 대해 조금 이야기했습니다. 하지만 항복 강도가 우리 일상 생활의 일부인 방법에 대한 몇 가지 명확한 예를 제공하고 싶습니다. 다리를 건너거나 비행기를 타거나 간단한 렌치를 사용할 때마다 금속의 항복 강도에 의존하고 있습니다.

• 건물 및 다리: 고층 건물 또는 다리의 프레임을 구성하는 강철 빔은 항복 강도 때문에 선택됩니다. 엔지니어는 건물이 견뎌야 할 가장 큰 하중을 파악합니다. 그런 다음 안전을 위해 여유 공간이 충분히 있는 하중을 운반할 수 있을 만큼 항복 강도가 높은 강철을 선택합니다. 이것은 건물이 영구적으로 구부러지거나 무너지지 않도록 합니다.
• 자동차 및 비행기: 자동차 프레임 또는 비행기 날개에 사용되는 금속은 강해야 하지만 가벼워야 합니다. 엔지니어는 무게 대비 항복 강도가 높은 특수 합금을 선택합니다. 이것은 그들이 운전이나 비행에서 오는 힘을 견딜 수 있지만 너무 무겁지 않은 부품을 설계할 수 있게 합니다.
• 도구 및 기계: 렌치를 생각해 보세요. 볼트를 돌릴 수 있을 만큼 강해야 하고 영원히 구부러지지 않아야 합니다. 렌치에 사용되는 금속은 높은 항복 강도를 위해 선택됩니다. 이것은 도구를 여러 번 사용할 수 있고 모양을 잃지 않도록 합니다.

간단히 말해서 항복 강도는 우리 주변의 세계를 안전하고 지속적으로 유지하는 데 도움이 되는 기본적인 품질입니다. 항복 강도를 이해하지 못했다면 매일 사용하는 놀라운 것들을 지을 수 없었을 것입니다.

기억해야 할 가장 중요한 사항

• 항복 강도는 금속이 영구적으로 모양을 바꾸기 시작하는 지점입니다.
• 그것은 탄성 상태에서 소성 변형 상태로의 변화를 나타냅니다.
• 우리는 인장 시험을 하고 응력-변형 곡선을 살펴봄으로써 항복 강도를 찾습니다.
• 항복 강도는 인장 강도와 같지 않습니다. 인장 강도는 금속이 부서지는 지점입니다.
• 항복점은 건물과 기계를 안전하게 유지하는 데 매우 중요한 숫자입니다.
• 응력-변형 곡선은 금속이 응력을 받을 때 어떻게 작용하는지 보여주는 그래프입니다.
• 합금을 만들기 위해 금속에 다른 재료를 추가하면 항복 강도를 높일 수 있습니다.
• 다른 금속은 항복 강도의 범위가 크기 때문에 다른 작업에 좋습니다.