강도의 인장 시험은 주로 금속 재료가 신장 과정에서 손상에 저항하는 능력을 결정하는 데 사용되며 재료의 기계적 특성을 평가하는 중요한 지표 중 하나입니다.
1. 인장시험
인장 시험은 재료 역학의 기본 원리를 기반으로 합니다. 특정 조건에서 재료 샘플에 인장 하중을 가함으로써 샘플이 파손될 때까지 인장 변형을 일으킵니다. 테스트 중에 다양한 하중 하에서 실험 샘플의 변형과 샘플 파손 시 최대 하중을 기록하여 재료의 항복 강도, 인장 강도 및 기타 성능 지표를 계산합니다.
스트레스 σ = F/A
σ는 인장강도(MPa)
F는 인장 하중(N)
A는 시편의 단면적
2. 인장곡선
스트레칭 과정의 여러 단계 분석:
에이. 하중이 작은 OP 단계에서는 신율이 하중과 선형 관계에 있으며, Fp는 직선을 유지하는 최대 하중입니다.
비. 하중이 Fp를 초과하면 인장 곡선은 비선형 관계를 갖기 시작합니다. 시료는 초기 변형 단계에 진입하여 하중이 제거되고 시료는 원래 상태로 돌아가 탄성 변형될 수 있습니다.
기음. 하중이 Fe를 초과한 후에 하중이 제거되고 변형의 일부가 복원되고 잔류 변형의 일부가 유지되는 것을 소성 변형이라고 합니다. Fe를 탄성한계라고 합니다.
디. 하중이 더 증가하면 인장 곡선은 톱니 모양을 나타냅니다. 하중이 증가하거나 감소하지 않을 때 실험 시료가 지속적으로 늘어나는 현상을 항복이라고 합니다. 항복 후 샘플은 명백한 소성 변형을 겪기 시작합니다.
이자형. 항복 후 샘플은 변형 저항, 가공 경화 및 변형 강화가 증가하는 것으로 나타났습니다. 하중이 Fb에 도달하면 샘플의 동일한 부분이 급격하게 수축됩니다. Fb는 강도 한계입니다.
에프. 수축 현상으로 인해 샘플의 지지력이 감소합니다. 하중이 Fk에 도달하면 샘플이 파손됩니다. 이것을 파괴하중이라고 합니다.
항복 강도
항복 강도는 금속 재료가 외력을 받을 때 소성 변형이 시작되어 완전히 파괴될 때까지 견딜 수 있는 최대 응력 값입니다. 이 값은 재료가 탄성 변형 단계에서 소성 변형 단계로 전환되는 임계점을 나타냅니다.
분류
상부 항복 강도: 항복이 발생할 때 처음으로 힘이 떨어지기 전 샘플의 최대 응력을 나타냅니다.
낮은 항복 강도: 초기 과도 효과를 무시할 때 항복 단계에서 최소 응력을 나타냅니다. 하항복점의 값은 상대적으로 안정적이기 때문에 일반적으로 항복점 또는 항복강도라고 불리는 재료 저항의 지표로 사용됩니다.
계산식
상위 항복 강도의 경우: R = F / Sₒ, 여기서 F는 항복 단계에서 처음으로 힘이 떨어지기 전의 최대 힘이고 Sₒ는 샘플의 원래 단면적입니다.
더 낮은 항복 강도의 경우: R = F / Sₒ, 여기서 F는 초기 과도 효과를 무시하는 최소 힘 F이고 Sₒ는 샘플의 원래 단면적입니다.
단위
항복 강도의 단위는 일반적으로 MPa(메가파스칼) 또는 N/mm²(제곱밀리미터당 뉴턴)입니다.
예
저탄소강을 예로 들면, 항복한계는 보통 207MPa입니다. 이 한계보다 큰 외부 힘이 가해지면 저탄소강은 영구 변형을 일으키고 복원할 수 없습니다. 이 한계보다 작은 외력을 가하면 저탄소강은 원래의 상태로 돌아갈 수 있습니다.
항복강도는 금속 재료의 기계적 성질을 평가하는 중요한 지표 중 하나입니다. 이는 외부 힘이 가해졌을 때 소성 변형에 저항하는 재료의 능력을 반영합니다.
인장강도
인장 강도는 인장 하중 하에서 손상에 저항하는 재료의 능력으로, 인장 과정에서 재료가 견딜 수 있는 최대 응력 값으로 구체적으로 표현됩니다. 재료의 인장 응력이 인장 강도를 초과하면 재료가 소성 변형되거나 파손됩니다.
계산식
인장강도(σt) 계산식은 다음과 같습니다.
σt = F / A
여기서 F는 시편이 파손되기 전에 견딜 수 있는 최대 인장력(Newton, N)이고, A는 시편의 원래 단면적(평방 밀리미터, mm²)입니다.
단위
인장 강도의 단위는 일반적으로 MPa(메가파스칼) 또는 N/mm²(제곱밀리미터당 뉴턴)입니다. 1MPa는 평방미터당 1,000,000뉴턴과 동일하며, 이는 1N/mm²와도 같습니다.
영향을 미치는 요인
인장강도는 화학조성, 미세구조, 열처리 공정, 가공방법 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 재료마다 인장강도가 다르기 때문에 실제 적용에서는 기계적 특성을 바탕으로 적합한 재료를 선택해야 합니다. 재료.
실제 적용
인장 강도는 재료 과학 및 공학 분야에서 매우 중요한 매개변수이며 재료의 기계적 특성을 평가하는 데 자주 사용됩니다. 구조 설계, 재료 선택, 안전성 평가 등의 측면에서 인장 강도는 반드시 고려해야 할 요소입니다. 예를 들어 건설 엔지니어링에서 강철의 인장 강도는 하중을 견딜 수 있는지 여부를 결정하는 중요한 요소입니다. 항공우주 분야에서는 경량 및 고강도 소재의 인장강도가 항공기의 안전을 보장하는 핵심 요소입니다.
피로 강도:
금속피로란 재료나 부품이 반복응력이나 반복변형을 받아 점차적으로 한 곳 또는 여러 곳에 국부적인 영구누적손상이 생기고 일정 횟수의 주기 후에 균열이나 갑작스런 완전파단이 발생하는 과정을 말한다.
특징
갑작스러운 시기: 금속 피로 파괴는 뚜렷한 징후 없이 단기간에 갑자기 발생하는 경우가 많습니다.
위치의 국소성: 피로 파괴는 일반적으로 응력이 집중되는 국부적인 영역에서 발생합니다.
환경 및 결함에 대한 민감도: 금속 피로는 환경과 재료 내부의 작은 결함에 매우 민감하여 피로 과정을 가속화할 수 있습니다.
영향을 미치는 요인
응력 진폭: 응력의 크기는 금속의 피로 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.
평균 응력 크기: 평균 응력이 클수록 금속의 피로 수명은 짧아집니다.
주기 횟수: 금속이 주기적인 응력이나 변형을 받는 횟수가 많을수록 피로 손상이 더 심각하게 축적됩니다.
예방 조치
재료 선택 최적화: 피로 한계가 더 높은 재료를 선택합니다.
응력 집중 감소: 둥근 모서리 전환 사용, 단면 치수 증가 등과 같은 구조 설계 또는 처리 방법을 통해 응력 집중을 줄입니다.
표면처리 : 금속 표면을 연마, 스프레이 등으로 처리하여 표면결함을 줄이고 피로강도를 향상시킵니다.
검사 및 유지보수: 금속 부품을 정기적으로 검사하여 균열 등의 결함을 신속하게 발견하고 수리합니다. 마모된 부품을 교체하고 약한 링크를 강화하는 등 피로하기 쉬운 부품을 유지합니다.
금속 피로는 일반적인 금속 파손 모드로 갑작스러움, 국소성 및 환경에 대한 민감성을 특징으로 합니다. 응력 진폭, 평균 응력 크기 및 주기 수는 금속 피로에 영향을 미치는 주요 요인입니다.
SN 곡선: 다양한 응력 수준에서 재료의 피로 수명을 설명합니다. 여기서 S는 응력을 나타내고 N은 응력 주기 수를 나타냅니다.
피로 강도 계수 공식:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
여기서 (Ka)는 하중 계수, (Kb)는 크기 계수, (Kc)는 온도 계수, (Kd)는 표면 품질 계수, (Ke)는 신뢰성 계수입니다.
SN 곡선 수학적 표현:
(\시그마^m N = C)
여기서 (\sigma)는 응력이고 N은 응력 주기 수이며 m과 C는 재료 상수입니다.
계산 단계
재료 상수를 결정합니다.
실험이나 관련 문헌을 참조하여 m과 C의 값을 결정합니다.
응력 집중 계수 결정: 부품의 실제 형상과 크기, 필렛, 키홈 등에 의한 응력 집중을 고려하여 응력 집중 계수 K를 결정합니다. 피로 강도 계산: SN 곡선 및 응력에 따라 집중 계수를 부품의 설계 수명 및 작동 응력 수준과 결합하여 피로 강도를 계산합니다.
2. 가소성:
가소성이란 외력을 가했을 때, 외력이 탄성한계를 초과해도 파손되지 않고 영구적인 변형을 일으키는 재료의 특성을 말합니다. 이 변형은 되돌릴 수 없으며, 외력을 제거해도 재료는 원래 모양으로 돌아오지 않습니다.
가소성 지수 및 계산식
신장(δ)
정의: 연신율은 시편이 원래 게이지 길이로 인장 파괴된 후 게이지 섹션의 전체 변형에 대한 백분율입니다.
공식: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
여기서 L0은 시편의 원래 게이지 길이입니다.
L1은 시편이 파손된 후의 게이지 길이입니다.
부분적 감소(Ψ)
정의: 분할 감소율은 시편이 원래 단면적으로 파손된 후 네킹 지점에서 단면적의 최대 감소율을 나타냅니다.
공식: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
여기서 F0는 시편의 원래 단면적입니다.
F1은 시편이 파손된 후 네킹점에서의 단면적입니다.
3. 경도
금속경도는 금속재료의 경도를 측정하는 기계적 물성지수이다. 이는 금속 표면의 국부적 부피 변형에 저항하는 능력을 나타냅니다.
금속 경도의 분류 및 표현
금속 경도는 다양한 시험 방법에 따라 다양한 분류 및 표현 방법을 가지고 있습니다. 주로 다음을 포함합니다:
브리넬 경도(HB):
적용 범위: 일반적으로 비철 금속, 열처리 전 또는 어닐링 후 강철과 같이 재료가 더 부드러운 경우에 사용됩니다.
테스트 원리: 특정 크기의 테스트 하중으로 특정 직경의 경화된 강철 볼 또는 탄화물 볼을 테스트할 금속 표면에 밀어 넣고 지정된 시간 후에 하중을 내리고 압입 직경 테스트할 표면의 측정을 수행합니다.
계산식: 브리넬 경도 값은 하중을 압흔의 구면적으로 나누어 얻은 몫입니다.
로크웰 경도(HR):
적용 범위: 일반적으로 열처리 후 경도와 같이 경도가 높은 재료에 사용됩니다.
테스트 원리: 브리넬 경도와 유사하지만 다른 프로브(다이아몬드)와 다른 계산 방법을 사용합니다.
유형: 용도에 따라 HRC(고경도 재료용), HRA, HRB 및 기타 유형이 있습니다.
비커스 경도(HV):
적용 범위: 현미경 분석에 적합합니다.
테스트 원리: 120kg 미만의 하중과 꼭지점 각도가 136°인 다이아몬드 사각 원뿔 압자로 재료 표면을 누르고 재료 압입 피트의 표면적을 하중 값으로 나누어 비커스 경도 값을 얻습니다.
리브 경도(HL):
특징: 측정하기 쉬운 휴대용 경도 시험기.
테스트 원리: 경도 표면에 충격을 가한 후 충격 볼 헤드에 의해 발생하는 바운스를 사용하고 샘플 표면에서 1mm 떨어진 펀치의 반발 속도와 충격 속도의 비율로 경도를 계산합니다.
게시 시간: 2024년 9월 25일
