재료의 강도

재료의 강도 분야는 재료의 역학이라고도 불리며, 일반적으로 보, 기둥 및 축과 같은 구조 부재의 응력과 변형을 계산하는 다양한 방법을 말합니다.하중을 받는 구조물의 반응과 다양한 고장 모드에 대한 민감도를 예측하기 위해 사용되는 방법은 항복 강도, 극한 강도, 영 계수 및 포아송 비율과 같은 재료의 특성을 고려합니다.또한 기계 요소의 길이, 폭, 두께, 경계 구속조건 및 구멍과 같은 기하학상의 갑작스러운 변화와 같은 거시적 특성(기하학적 특성)이 고려된다.

이 이론은 응력 상태를 2차원으로 근사할 수 있는 구조의 1차원 및 2차원 구성원의 거동에 대한 고려에서 시작되었고, 그 후 물질의 탄성 및 소성 거동에 대한 보다 완전한 이론을 개발하기 위해 3차원으로 일반화되었습니다.재료 역학의 중요한 선구자는 스티븐 티모셴코였다.

정의.

재료 역학에서 재료의 강도는 고장이나 소성 변형 없이 가해지는 하중을 견딜 수 있는 능력입니다.재료의 강도 분야는 재료에 작용하여 발생하는 힘과 변형을 다룬다.기계부재에 가해지는 하중은 응력이라 불리는 부재의 내부력을 유닛 단위로 표현했을 때 그 부재의 내부력을 유도한다.재료에 가해지는 응력은 재료를 완전히 망가뜨리는 등 다양한 방식으로 변형시킵니다.재료의 변형도 단위 단위로 배치하면 변형률이라고 합니다.

기계부재 내에서 발생하는 응력과 응력은 해당 부재의 하중능력을 평가하기 위해 계산되어야 합니다.이를 위해서는 부재의 형상, 구속조건, 부재에 가해지는 하중 및 부재가 구성되는 재료의 특성에 대한 완전한 설명이 필요합니다.가해지는 하중은 축방향(텐세일 또는 압축) 또는 회전(강도 전단)일 수 있습니다.부재의 하중과 형상에 대한 완전한 설명을 통해 부재의 어느 점에서의 응력 상태 및 변형 상태를 계산할 수 있다.부재 내 응력 및 변형 상태를 알면 해당 부재의 강도(내하력), 변형(강성 품질) 및 안정성(원래 구성 유지 능력)을 계산할 수 있다.

계산된 응력은 재료 수율 또는 극한 강도 등 부재의 강도 측정값과 비교할 수 있다.계산된 부재의 편향은 부재의 용도에 따른 편향 기준과 비교할 수 있다.계산된 부재의 좌굴하중은 가해진 하중과 비교할 수 있다.부재의 계산된 강성 및 질량 분포는 부재의 동적 반응을 계산하기 위해 사용될 음향 환경과 비교할 수 있다.

재료 강도는 재료가 하중을 제거할 때 완전히 반전되지 않는 변형을 경험하고 그 결과 부재가 영구적인 변형을 겪는 공학적 응력-변형 곡선(항복 응력)의 지점을 말한다.재료의 궁극적인 강도는 도달한 응력의 최대값을 나타냅니다.파단 강도는 파단 시 응력 값(기록된 마지막 응력 값)입니다.

적재 유형

횡하중 – 부재의 세로축에 수직으로 가해지는 힘.횡하중은 ^[1]부재의 곡률 변화에 따른 내부 인장 및 압축 변형과 함께 부재가 원래 위치에서 구부러지고 휘어지는 원인이 됩니다.또한 횡하중은 재료의 전단변형을 유발하고 부재의 횡편향을 증가시키는 전단력을 유발한다.
축방향 하중 – 가해지는 힘은 부재의 세로축과 동일선상에 있습니다.이 힘에 의해 부재는 늘어나거나 ^[2]짧아집니다.
비틀림 하중 – 평행 평면에 작용하는 동일한 방향의 한 쌍의 외부 작용 또는 회전 반대 방향으로 고정된 한 단의 외부 작용에 의해 발생하는 비틀림 작용.

강세항

a) 압축, b) 장력, c) 전단 하중을 받는 재료.

단축 응력은 다음과 같이 표현됩니다.

\displaystyle \displays = flac {F}{A}}}

여기서 F는 영역 A [m²]^[3]에 작용하는 힘 [N]이다.영역은 엔지니어링 응력 또는 실제 응력 중 어느 쪽에 관심이 있는지에 따라 변형되지 않은 영역 또는 변형된 영역이 될 수 있습니다.

압축응력(또는 압축)은 가해진 하중의 축을 따라 재료(압축부재)의 길이를 줄이는 작용이 가해진 하중에 의해 발생하는 응력상태, 즉 재료의 압착을 일으키는 응력상태이다.압축의 간단한 예는 반대되는 밀어넣는 힘의 작용에 의해 유도되는 단축 압축이다.재료의 압축 강도는 일반적으로 인장 강도보다 높습니다.그러나 압축으로 하중을 받는 구조물은 부재의 형상에 따라 좌우되는 좌굴과 같은 추가 기능 상실 모드에 노출됩니다.
인장응력은 가해진 하중의 축을 따라 재료를 연장시키는 경향이 있는 가해진 하중에 의해 발생하는 응력 상태, 즉 재료를 당김으로써 발생하는 응력이다.장력 하중이 동일한 단면적의 구조 강도는 단면 형상과 무관하다.장력 하중을 받는 재료는 재료 결함 또는 기하학상의 갑작스러운 변화와 같은 응력 집중에 영향을 받기 쉽습니다.그러나 연성 거동을 나타내는 재료(예: 대부분의 금속)는 일부 결함을 허용할 수 있지만, 메짐성 재료(예: 세라믹)는 최종 재료 강도보다 훨씬 낮게 떨어질 수 있습니다.
전단응력은 재료를 통해 평행선을 따라 작용하는 한 쌍의 반대되는 힘의 조합된 에너지, 즉 서로 미끄러지는 재료의 면에 의해 발생하는 응력 상태입니다.예를 들어, 가위나 비틀림 하중에 의한 응력이 있는^[4] 절단지가 있습니다.

저항의 응력 매개 변수

재료 저항은 몇 가지 기계적 응력 파라미터로 나타낼 수 있습니다.재료 강도라는 용어는 기계적 응력 매개변수를 언급할 때 사용됩니다.단위 표면당 압력과 힘이 균일한 치수의 물리적 양입니다.따라서 강도에 대한 전통적인 측정 단위는 국제 단위계의 MPa이며 미국 관습 단위 간의 psi이다.강도 파라미터에는 항복강도, 인장강도, 피로강도, 균열저항 및 기타 ^{[citation needed]}파라미터가 포함됩니다.

항복 강도는 재료에 영구적인 변형을 일으키는 가장 낮은 응력입니다.알루미늄 합금과 같은 일부 재료에서는 항복점을 식별하기가 어렵기 때문에 일반적으로 0.2% 플라스틱 변형을 일으키는 데 필요한 응력으로 정의됩니다.이를 0.2% 프루프 ^[5]스트레스라고 합니다.

압축강도는 연성파괴(무한 이론수율) 또는 메짐성파괴(균열전파로 인한 파괴 또는 약한 평면을 따라 미끄러짐 - 전단강도 참조)의 방식으로 재료에 고장을 일으키는 압축응력의 한계상태이다.
인장 강도 또는 최종 인장 강도는 연성 기능 상실(고장의 첫 단계로서의 항복, 가능한 "목" 형성 후 일부 경화 및 파손) 또는 메짐성 기능 상실(저스트레스 상태에서 두 개 이상의 조각으로 갑자기 부서짐)의 방식으로 인장 기능 상실을 초래하는 인장 응력의 한계 상태입니다.인장강도는 진정한 응력 또는 공학적 응력 중 하나로 인용될 수 있지만, 공학적 응력이 가장 일반적으로 사용됩니다.
피로 강도는 ^[6]물체의 사용 기간 동안 여러 가지 하중 효과를 고려하는 재료의 강도에 대한 보다 복잡한 측정값이며, 일반적으로 정적 강도 측정값보다 평가하기가 더 어렵다.피로강도는 단순한 범위( $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ $=$ $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ m $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ a x - $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ n \ $displaystyle$ \ $Delta$ \ delta $=$ \ $display$ _ { \ $mathrm$ { max } - \ $mathrm$ { min $\Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }$ )로 인용된다.순환 부하의 경우, 일반적으로 0 평균 응력에서의 진폭으로 적절하게 표현될 수 있으며, 그 응력 조건 하에서 고장까지의 사이클 수도 함께 표현될 수 있다.

충격 강도는 갑작스럽게 가해진 하중을 견딜 수 있는 재료의 능력으로 에너지로 표현된다.종종 Izod 충격 강도 테스트 또는 Charpy 충격 테스트로 측정되며, 두 테스트 모두 샘플을 파괴하는 데 필요한 충격 에너지를 측정합니다.부피, 탄성률, 힘의 분포, 항복 강도는 재료의 충격 강도에 영향을 미칩니다.재료나 물체가 높은 충격 강도를 가지려면 응력이 물체 전체에 고르게 분포되어야 합니다.또한 탄성률이 낮고 재료 항복 강도가 높은 ^[7]부피가 커야 한다.

내성을 위한 변형률 매개변수

재료의 변형은 응력이 가해졌을 때 발생하는 기하학적 변화이다(가력, 중력장, 가속도, 열팽창 등의 결과).변형은 ^[8]재료의 변위장에 의해 표현된다.
변형률 또는 변형률 감소는 재료 분야 간의 변형 변화 추세를 나타내는 수학 용어이다.스트레인은 단위 ^[9]길이당 변형입니다.단축 하중의 경우(예를 들어 막대 요소)의 변위는 변위의 비율과 시료의 원래 길이로 표현되는 변형률의 계산으로 이어진다.3D 변위장의 경우 2차 텐서 측면에서 변위 함수의 도함수로 표현된다(6개의 독립 요소 포함).
편향은 가해진 ^[10]하중을 받을 때 구조 요소가 변위되는 크기를 설명하는 용어입니다.

스트레스-왜곡관계

장력을 받는 시료의 기본 정적 반응

탄성은 응력이 풀린 후 원상태로 돌아가는 물질의 능력이다.많은 재료에서 가해진 응력 간의 관계는 결과 변형률에 정비례하며(일정 한계까지), 이 두 양을 나타내는 그래프는 직선이다.

이 선의 기울기는 영 계수 또는 "탄성 계수"로 알려져 있습니다.탄성 계수는 응력-변형 곡선의 선형 탄성 부분에서 응력-변형 관계를 결정하는 데 사용할 수 있다.선형 탄성 영역은 항복점보다 낮거나 응력-변형 그림에서 항복점을 쉽게 식별할 수 없는 경우 0 - 0.2% 변형으로 정의되며 항복(^[11]영구 변형)이 발생하지 않는 변형 영역으로 정의된다.

가소성 또는 소성 변형은 탄성 변형과 반대이며 회복 불가능한 변형으로 정의됩니다.가해진 응력이 방출된 후에도 소성 변형이 유지됩니다.선형 탄성 범주의 대부분의 재료는 일반적으로 소성 변형이 가능합니다.세라믹과 같은 메짐성 재료는 소성 변형을 경험하지 않고 비교적 낮은 변형률에서 파손되는 반면 금속, 납 또는 폴리머와 같은 연성 재료는 파손 개시 전에 훨씬 더 많은 소성 변형을 일으킨다.

당근과 씹은 풍선껌의 차이를 생각해 보세요.당근은 깨지기 전에 아주 조금 늘어날 것이다.반면에 씹힌 풍선껌은 결국 깨지기 전에 엄청나게 변형될 것이다.

설계 용어

극한 강도는 재료로 만들어진 특정 시료가 아닌 재료와 관련된 속성으로, 단면적 단위당 힘(N/m²)으로 인용된다.궁극의 강도는 물질이 깨지거나 ^[12]약해지기 전에 견딜 수 있는 최대 응력입니다.예를 들어 AISI 1018 Steel의 최대 인장강도(UTS)는 440 MPa입니다.영국식 단위에서 응력 단위는 lbf/in² 또는 평방인치당 파운드힘으로 지정됩니다.이 단위는 종종 psi로 약칭됩니다.1,000 psi는 ksi로 단축됩니다.

안전성 요소는 엔지니어링된 구성 요소 또는 구조물이 달성해야 하는 설계 기준입니다. $FS=UTS/R$ $FS=UTS/R$ $FS=UTS/R$ $FS=UTS/R$ / $FS=UTS/R$ { $displaystyle$ FS = $UTS/R$ (여기서 FS : 안전계수, R : 가해진 응력, UTS : 극한 응력(psi 또는 N/m²))^[13]

안전 한계도 설계 기준으로 사용됩니다.MS = 고장 하중/(안전 계수 × 예측 하중) - 1로 정의됩니다.

예를 들어 안전계수 4를 달성하기 위해 AISI 1018 강철 구성요소의 허용응력은 R $= U$ T $R=UTS/FS$ / $R=UTS/FS$ S $R=UTS/FS$ = $R=UTS/FS$ $440$ /4 = 110 MPa $또는$ R{\ $display style$ R $}$ = $R$ 110×10⁶ N/ $m$ 으로² $R=UTS/FS$ 할 수 있습니다.이러한 허용 응력은 "설계 응력" 또는 "작업 응력"이라고도 합니다.

재료의 최종값 또는 항복점 값에서 결정되는 설계 응력은 정적 하중의 경우에만 안전하고 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다.발전된 응력이 항복점보다 낮더라도 많은 기계 부품이 불안정하고 지속적으로 변화하는 부하에 노출되면 고장납니다.이러한 고장을 피로 기능 상실이라고 합니다.파손은 깨지기 쉬운 것으로 보이는 골절에 의한 것으로, 항복의 가시적인 증거는 거의 또는 전혀 없습니다.그러나 스트레스가 "피로 스트레스" 또는 "내구 한계 스트레스" 미만으로 유지되면 그 부분은 무한히 지속됩니다.순수하게 반전 또는 순환 응력은 각 작동 사이클 동안 동일한 양의 피크 응력과 음의 피크 응력 사이를 번갈아 이동하는 응력입니다.순수 순환 응력에서 평균 응력은 0입니다.부품에 주기적 응력(스트레스 범위(Sr)라고도 함)이 가해질 경우, 해당 부품에 대한 응력 범위의 크기가 재료 항복 강도보다 낮더라도 다수의 응력 반전(N) 후에 고장이 발생하는 것이 관찰되었습니다.일반적으로 범위 응력이 높을수록 고장 시 필요한 역귀환 횟수가 줄어듭니다.

실패 이론

고장 이론에는 최대 전단 응력 이론, 최대 정규 응력 이론, 최대 변형 에너지 이론, 최대 왜곡 에너지 이론의 네 가지가 있습니다.이들 4가지 고장 이론 중 최대 법선응력 이론은 메짐성 재료에만 적용되며 나머지 3가지 이론은 연성 재료에만 적용된다.후자의 세 가지 중에서 왜곡 에너지 이론은 대부분의 응력 조건에서 가장 정확한 결과를 제공합니다.변형률 에너지 이론에는 부품 재료의 포아송 비율 값이 필요한데, 이 값은 종종 쉽게 구할 수 없습니다.최대 전단 응력 이론은 보수적이다.단순한 단방향 법선 스트레스의 경우 모든 이론이 동일하며, 이는 모든 이론이 동일한 결과를 제공한다는 것을 의미합니다.

최대 전단 응력 이론 – 이 이론은 부품의 최대 전단 응력의 크기가 단축 테스트에서 결정된 재료의 전단 강도를 초과할 경우 고장이 발생한다고 가정합니다.
최대 정상 응력 이론 – 이 이론은 부품의 최대 정상 응력이 단축 테스트에서 결정된 재료의 최종 인장 응력을 초과할 경우 고장이 발생한다고 가정합니다.이 이론은 부서지기 쉬운 물질만을 다룬다.최대 인장응력은 안전계수로 나눈 최대 인장응력보다 작거나 같아야 한다.최대 압축 응력의 크기는 최종 압축 응력을 안전 계수로 나눈 값보다 작아야 한다.
최대 변형률 에너지 이론 – 이 이론은 부품에 가해진 응력에 의한 단위 부피당 변형 에너지가 단축 테스트에서 항복점의 단위 부피당 변형 에너지와 동일할 때 고장이 발생한다고 가정합니다.
최대 왜곡 에너지 이론 – 이 이론은 전단 에너지 이론 또는 폰 미제-헨키 이론으로도 알려져 있습니다.이 이론은 부품에 가해진 응력에 의한 단위 부피당 왜곡 에너지가 단축 테스트에서 항복점의 단위 부피당 왜곡 에너지와 같을 때 고장이 발생한다고 가정합니다.스트레인에 의한 총탄성 에너지는 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 하나는 체적 변화를 일으키고 다른 하나는 형상 변화를 일으킵니다.왜곡 에너지는 형태를 바꾸는 데 필요한 에너지의 양이다.
골절 역학은 앨런 아놀드 그리피스와 조지 랭킨 어윈에 의해 확립되었다.이 중요한 이론은 균열 발생 시 재료의 인성 수치 변환으로도 알려져 있다.

재료의 강도는 미세 구조에 따라 달라집니다.재료가 적용되는 엔지니어링 프로세스에 따라 이 미세 구조가 변경될 수 있습니다.재료의 강도를 변화시키는 강화 메커니즘에는 워크 경화, 고용체 강화, 석출 경화, 입자 경계 강화 등이 있으며, 정량적, 정성적으로 설명할 수 있다.강화 메커니즘은 재료의 다른 기계적 특성이 재료의 강도를 높이기 위해 저하될 수 있다는 경고를 수반한다.예를 들어 입경강화에서는 입경이 작아짐에 따라 항복강도가 극대화되지만 궁극적으로 입경이 작아지면 재료가 약해진다.일반적으로 재료의 항복 강도는 재료의 기계적 강도를 나타내는 적절한 지표입니다.항복강도가 재료의 소성변형을 예측하는 파라미터라는 사실을 고려하여 재료의 미세구조적 특성과 원하는 최종효과에 따라 재료의 강도를 높이는 방법에 대해 충분한 정보를 바탕으로 결정할 수 있다.강도는 고장을 일으킬 수 있는 압축 응력, 인장 응력 및 전단 응력의 한계값으로 표현된다.동적 하중의 효과는 재료의 강도, 특히 피로 문제의 가장 중요한 실제 고려 사항일 것입니다.반복적인 하중은 종종 부서지기 쉬운 균열을 유발하며, 균열은 고장이 발생할 때까지 커진다.균열은 항상 응력 농도, 특히 제품의 단면의 변화, 재료 강도에 대해 인용된 것보다 훨씬 낮은 공칭 응력 수준에서 시작한다.

「」를 참조해 주세요.

크리프(변형) – 기계적 응력 하에서 고체 물질이 느리게 움직이거나 영구적으로 변형되는 경향
변형 메커니즘 맵
역학 – 물리학의 분과 - 힘과 그 힘이 운동에 미치는 영향을 연구
피로(재료) – 반복하중에 의한 재료의 균열 시작 및 전파
포렌식 엔지니어링 – 법적 개입과 관련된 장애 조사
파단역학 – 재료의 균열 전파를 연구하는 역학 분야
파괴 인성 – 균열 전파가 급격히 증가하는 응력 강도 계수
재료 특성 § 기계적 특성
재료 선택
분자 확산 – 절대 영도 이상의 온도에서 액체 또는 기체 입자의 열 운동
비강도 – 재료의 강도 대 질량의 비율
스태틱스 – 미동작 시스템에서의 힘의 균형에 관한 역학 분야
범용 시험기 – 재료의 인장 강도 또는 압축 강도를 결정하기 위한 기기의 종류

레퍼런스

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외부 링크

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[11] Beer & Johnston (2006). Mechanics of Materials (5th ed.). McGraw Hill. pp. 53–56. ISBN 978-0-07-352938-7.

[12] Beer & Johnston (2006). Mechanics of Materials (5thv ed.). McGraw Hill. pp. 27–28. ISBN 978-0-07-352938-7.

[13] Beer & Johnston (2006). Mechanics of Materials (5th ed.). McGraw Hill. p. 28. ISBN 978-0-07-352938-7.

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정의.

적재 유형

강세항

저항의 응력 매개 변수

내성을 위한 변형률 매개변수

스트레스-왜곡관계

설계 용어

실패 이론

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