수율(엔지니어링)

비철 합금의 전형적인 항복 거동을 나타내는 응력-변형 곡선.(

\sigma

)

) {

displaystyle

\

sigma

스트레인의 함수로

\epsilon

됨)

{\

) { \

displaystyle

\ epsilon

\epsilon

}

\epsilon

재료 과학 및 공학에서 항복점은 탄성 거동의 한계와 플라스틱 거동의 시작을 나타내는 응력-변형 곡선의 점입니다.항복점 이하에서는 재료가 탄성적으로 변형되어 가해진 응력이 제거되면 원래 모양으로 돌아갑니다.항복점이 통과되면 변형 중 일부는 영구적이고 되돌릴 수 없으며 소성 변형으로 알려져 있습니다.

항복 강도 또는 항복 응력은 재료 특성이며 재료가 소성 변형되기 시작하는 항복점에 해당하는 응력입니다.항복 강도는 영구 변형을 일으키지 않고 적용할 수 있는 힘의 상한을 나타내기 때문에 기계 부품의 최대 허용 하중을 결정하는 데 종종 사용됩니다.알루미늄과 같은 일부 재료에서는 비선형 거동이 점진적으로 시작되어 정확한 항복점을 판단하기가 어렵습니다.이 경우 오프셋 항복점(또는 프루프 응력)을 0.2%의 소성변형이 발생하는 응력으로 한다.항복은 궁극적인 고장과는 달리 보통 치명적이지 않은 점진적인 고장 모드입니다.

고체역학에서 항복점은 항복면 또는 항복기준과 함께 3차원 주응력( $\sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}$ $\sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}$ , $\sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}$ 2, $\sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}$ 3 \ $displaystyle \sigma$ _ ${1},\sigma$ _{ $2},\sigma$ _ ${3$ 으로 지정할 수 있다.다양한 재료에 대해 다양한 수율 기준이 개발되었습니다.

정의.

재료.	항복 강도 (MPa)	궁극의 강점 (MPa)
ASTM A36 스틸	250	400
스틸, API 5L X65^[1]	448	531
강철, 고강도 합금 ASTM A514	690	760
강철, 프리스트레스 스트랜드	1650	1860
피아노 와이어		1740~3300^[2]
탄소섬유(CF, CFK)		5650^[3]
고밀도 폴리에틸렌(HDPE)	26–33	37
폴리프로필렌	12–43	19.7–80
스테인리스강 AISI 302 – 냉간압연	520	860
주철 4.5% C, ASTM A-48^[4]	172
티타늄 합금(6% Al, 4% V)	830	900
알루미늄 합금 2014-T6	400	455
구리 99.9% Cu	70	220
구리켈 10 % Ni, 1.6 % Fe, 1% Mn, 잔액 Cu	130	350
금관 악기	200+ ~	550
거미줄	1150 (??)	1400
누에실크	500
아라미드(Kevlar 또는 Twaron	3620	3757
UHMWE^[5]^[6]	20	서른다섯^[7] 살
골격(다리)	104–121	130
나일론, 타입 6/6	45	75
알루미늄(애니메이션)	15–20	40~50^[8]
구리(애니메이션)	33	210
다리미(애니메이션	80–100	350
니켈(애니켈)	14–35	140–195
실리콘(애니메이션)	5000–9000
탄탈럼(부속)	180	200
주석(부속)	9–14	15–200
티타늄(아닐)	100–225	240–370
텅스텐(애니메이션)	550	550–620

실제 재료에 의해 나타나는 매우 다양한 응력-변형 곡선으로 인해 항복량을 정확하게 정의하기는 종종 어렵다.또한 ^[9]산출을 정의하는 방법에는 다음과 같은 몇 가지가 있습니다.

참탄성 한계: 탈구가 움직일 때 가장 낮은 응력.이 정의는 전위가 매우 낮은 응력으로 이동하기 때문에 거의 사용되지 않으며 이러한 움직임을 감지하는 것은 매우 어렵습니다.
비례 제한: 이 정도의 응력까지는 응력이 변형률에 비례하기 때문에 응력-변형 그래프는 직선이며 구배는 재료의 탄성률과 같아진다.
탄성 한계(항복 강도): 탄성 한계를 초과하면 영구 변형이 발생합니다.따라서 탄성 한계는 영구 변형을 측정할 수 있는 가장 낮은 응력점입니다.이를 위해서는 수동 로드 언로드 절차가 필요하며, 정확도는 사용되는 장비와 오퍼레이터의 기술에 따라 크게 달라집니다.고무와 같은 탄성체의 경우 탄성 한계가 비례 한계보다 훨씬 큽니다.또한 정확한 변형률 측정 결과 플라스틱 변형률은 매우 낮은 ^[10]^[11]응력에서 시작된다는 것을 알 수 있었습니다.
항복점: 응력 변형 곡선의 곡선이 평준화되고 ^[12]소성 변형이 발생하기 시작하는 지점입니다.
오프셋 항복점(내응력): 응력-변형 곡선의 형상에 근거하여 항복점을 쉽게 정의할 수 없는 경우 오프셋 항복점을 임의로 정의한다.이 값은 일반적으로 0.1% 또는 0.2% 플라스틱 ^[13]변형률로 설정됩니다.오프셋 값은 첨자로 지정됩니다( $R_{\text{p0.1}}=310$ : R $R_{\text{p0.1}}=310$ $R_{\text{p0.1}}=310$ 310 {\ $displaystyle R_{\text{p0}).$ $1}}=pa$ 또는 $R_{\text{p0.1}}=310$ $R_{\text{p0.2}}=350$ $R_{\text{p0.2}}=350$ $R_{\text{p0.2}}=350$ $R_{\text{p0.2}}=350$ ${$ $displaystyle R_{$ \ $text$ { $p0$ } 。 $2)=350$ ^[14]MPa $R_{\text{p0.2}}=350$ 가장 실용적인 엔지니어링 용도는 R $.$ {\ $displaystyle R_{\text{p0}$ 입니다.2 $)}}$ 에 $R_{\text{p0.2}}$ 안전계수를 곱하여 오프셋 항복점의 낮은 값을 $구한다$ .고강도 강철 및 알루미늄 합금은 항복점을 나타내지 않으므로 이 오프셋 항복점을 이 ^[13]재료에 사용합니다.
상한 및 하한 항복점: 연강과 같은 일부 금속은 높은 항복점에 도달한 후 낮은 항복점으로 빠르게 떨어집니다.재료 반응은 상한 항복점까지 선형이지만, 하한 항복점은 구조 공학에서 보수적인 값으로 사용됩니다.금속이 항복점 상한까지만 응력을 받으면 뤼더스 밴드가 ^[15]발생할 수 있습니다.

구조 공학에서의 사용

산출된 구조물은 강성이 낮기 때문에 굴절이 증가하고 좌굴 강도가 감소합니다.하중을 제거하면 구조가 영구적으로 변형되어 잔류 응력이 있을 수 있습니다.엔지니어링 금속은 변형 경화를 나타내며, 이는 항복 상태에서 하역한 후에 항복 응력이 증가함을 의미합니다.

테스트

항복 강도 검정에서는 단면적이 고정된 작은 표본을 추출한 다음 표본의 모양이 바뀌거나 깨질 때까지 제어된 힘을 사용하여 점진적으로 잡아당기는 것을 포함합니다.이것은 인장 테스트라고 불립니다.기계적 또는 광학적 신장계를 사용하여 종방향 및/또는 횡방향 왜곡을 기록한다.

압입 경도는 대부분의 강철에서 인장 강도와 거의 선형적으로 상관하지만, 한 재료에 대한 측정은 다른 ^[16]재료에 대한 강도를 측정하는 척도로 사용할 수 없습니다.따라서 경도 시험은 예를 들어 용접 또는 성형 작업으로 인한 항복 강도의 국소적 변화를 제공할 뿐만 아니라 인장 테스트의 경제적인 대안이 될 수 있다.단, 위급한 상황의 경우 불확실성을 제거하기 위해 장력 시험을 실시합니다.

메카니즘

결정성 재료는 항복 강도를 높이기 위해 여러 가지 방법으로 제작할 수 있습니다.전위밀도, 불순물 수준, 입경(결정성 재료 중)을 변경함으로써 재료의 항복 강도를 미세 조정할 수 있다.이는 일반적으로 재료에 불순물 이탈 등의 결함이 발생하여 발생합니다.이 결점을 이동하려면(소성 변형 또는 재료 산출) 더 큰 응력이 가해져야 합니다.따라서 재료에 높은 항복 응력이 발생합니다.많은 재료 특성은 벌크 재료의 구성에만 의존하지만 항복 강도는 재료 가공에도 매우 민감합니다.

결정성 물질에 대한 이러한 메커니즘은 다음을 포함한다.

워크 경화

재료의 변형이 발생할 경우 전위가 발생하여 재료의 밀도가 높아집니다.결정 격자를 통해 이러한 전위를 이동하기 위해 더 많은 응력이 가해지기 때문에 재료의 항복 강도가 높아집니다.탈구는 또한 서로 상호 작용하여 얽힐 수 있습니다.

이 메커니즘의 지배 공식은 다음과 같습니다.

\displaystyle \Delta \delta _{y}=Gb{\sqrt {rho }}

여기서 $\sigma _{y}$ y $(\$ _ ${y})$ 는 $\sigma_y$ 항복응력, G는 전단탄성률, b는 버거스 벡터의 크기, $\rho$ {\ $displaystyle \rho}$ 는 $\rho$ 전위밀도이다.

솔리드 솔루션 강화

이 재료를 합금함으로써 저농도의 불순물 원자는 여분의 반평면 결함 바로 아래 등 전위 바로 아래의 격자 위치를 차지하게 된다.이렇게 하면 빈 격자 공간을 불순물 원자로 채움으로써 탈구 바로 아래의 인장 변형률이 완화됩니다.

이 메커니즘의 관계는 다음과 같습니다.

\displaystyle \Delta \delta = Gb{\sqrt {C_{s}}\epsilon ^{\frac {3}{2}}

여기서 $\tau$ { $displaystyle \tau }$ 은 $\tau$ 항복 응력과 관련된 전단 응력, $G$ { $displaystyle$ G $}$ 및 $G$ $b$ { $displaystyle$ b $}$ 는 $b$ 위와 $C_{s}$ , $C_{s}$ {\ $displaystyle C_{s}$ 는 $C_{s}$ 용질 농도, $\epsilon$ { $displaystyle \epsilon}$ 은 $\epsilon$ 첨가로 인한 격자 내 변형률이다.불순물

미립자/침전물 강화

2차 위상의 존재는 결정 내에서 전위의 움직임을 차단함으로써 항복 강도를 증가시킨다.매트릭스를 이동하는 동안 재료의 작은 입자 또는 침전물에 의해 강제되는 라인 결함입니다.전위는 입자를 절단하거나 새로운 전위 고리가 입자 주위에 생성되는 휘거나 울림이라고 알려진 과정을 통해 이 입자를 통과할 수 있습니다.

전단 공식은 다음과 같습니다.

\Delta \delta = snfrac {r_{\text{argicle}}} {l_{\text{argicle}}}\displaystyle_{\text{arget}}}

그리고 절/축하 공식:

(\displaystyle \Delta \particle = parcel { Gb} { l _ { \ text { interparticle } } - 2r _ { \ text { particle } } )

이 $r_{\text{particle}}\,$ 에서 $r_{\text{particle}}\,$ r입자 { $displaystyle r_{\text$ {particle $}}$ 은 $r_{\text{particle}}\,$ 입자의 반지름, $displaystyle \gamma_{\text{particle}}}$ 는 $\gamma _{\text{particle-matrix}}\,$ 입자와 입자의 표면장력, $displaystyle l_{\text{interparticle}}}}}$ 는 $l_{\text{interparticle}}\,$ 파간의 거리이다.티클스

입자 경계 강화

입자 경계에서의 전위 축적이 전위 사이의 반발력을 야기하는 경우.입경이 감소하면 입자의 표면적 대 부피비가 증가하여 입자의 가장자리에 전위가 더 많이 축적됩니다.전위를 다른 입자로 이동시키기 위해서는 많은 에너지가 필요하기 때문에, 이러한 전위는 경계를 따라 축적되어 재료의 항복 응력을 증가시킨다.Hall-Petch 강화라고도 하는 이러한 강화 유형은 다음 공식에 의해 제어됩니다.

\displaystyle _{y}=\display _{0}+kd^{-{\frac {1}{2}},},

어디에

§

0(\displaystyle\display_{

0

\sigma _{0}

})은 전위 이동에 필요한 스트레스입니다.

(\displaystyle

k

)

는

k

재료 상수입니다.

\displaystyle

d는

d

입자의 크기입니다.

이론 항복 강도

재료.	이론적 전단강도(GPa)	실험 전단 강도(GPa)
아그	1.0	0.37
알	0.9	0.78
CU	1.4	0.49
니	2.6	3.2
α-Fe	2.6	27.5

완벽한 크리스탈의 이론적 항복 강도는 플라스틱 흐름의 개시에서 관찰된 스트레스보다 더 높다.[17]

그것은 실험적으로 측정한 항복 강도 크게 예상되는 이론상의 가치보다 낮은 단층인과 결함의 용품들에 존재에 의해 설명될 수 있다.실제로, 완벽한 단결정 구조와defect-free의 표면에 수염 항복 응력은 이론상의 가치에 접근하고 증명하는 것으로 나타났다.예를 들어, 구리의 nanowhiskers 1GPa,[18] 가치보다 훨씬 큰 구리의 힘보다 이론상의 가치에 접근하고 높은 취성 파단을 받는 것으로 나타났다.

이론적인 항복 강도는 원자 수준에서 수확의 과정을 고려하여 추정할 수 있다.완벽한 결정에서 원자의 원자 간 이격 거리에 의한 전체 비행기, b, 비행기 아래의 상대의 변위에, 전단이 결과로 나온다.주문에 대해 원자들을 옮기기 위해서, 상당한 힘과 최고의 비행기의 낮은 원자와 새로운 격자 사이트 위에 원자들 이동시키는 격자 에너지를 극복하기에 적용되어야 한다.공급된 스트레스 완벽한 격자의 주어져에 저항을 극복하는 것입니다. 이론적인 항복 강도, τmax.

스트레스의 봉우리로 원자의 비행기의 스트레스는 변위 곡선은 변할 수 있어 낼 때 원자 원자 아래가 원자는 이웃 격자점으로 흘러들어 간 다음 떨어지게 마련이다.[17]

{\displaystyle \tau =\tau_{\max}\sin \left({\frac{2\pi)}{b}}\right)}.

어디 b{\displaystyle b}은 원자 간 이격 거리.이후 τ)Gγ과 dτ/dγ)G 작은 변종(단일 원자 거리 변이 포지티브)에서, 이 방정식:게 된다.

{\displaystyle G={\frac{d\tau}{dx}}={\frac{2\pi}{b}}\tau _{\max}\cos}}\tau _{\max}\left({\frac{2\pi)}{b}}\right)={\frac{2\pi}{b}.

θ=x/a의 작은 변위(a는 슬립 평면상의 원자 간격)의 경우 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

G=syslogfrac {d\clac}{d\clac}=syslogfrac {2\pi a}{b}}\clac_{\max }

$"$ max\ $displaystyle\tau_{\max}"$ 의 $\tau _{\max }$ _max 값은 $\tau _{\max }$ 과 같습니다.

_{\max}=blac {Gb}{2\pi a}

이론적 항복 강도는 $\tau _{\max }=G/30$ max $\tau _{\max }=G/30$ / $\tau _{\max }=G/30$ $\$ $displaystyle$ \ $displaystyle$ _ { \ $max$ } $\tau _{\max }=G/30$ $G/30$ 으로 근사할 수 있습니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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