금속재료의 기계적 성질 요약

인장강도 시험은 주로 금속 재료가 신장 과정 중 손상에 저항하는 능력을 확인하는 데 사용되며, 재료의 기계적 특성을 평가하는 중요한 지표 중 하나입니다.

1. 인장 시험

인장 시험은 재료역학의 기본 원리에 기반합니다. 특정 조건에서 재료 샘플에 인장 하중을 가하면 샘플이 파단될 때까지 인장 변형이 발생합니다. 시험 중 다양한 하중 조건에서 실험 샘플의 변형과 샘플이 파단될 때의 최대 하중을 기록하여 재료의 항복 강도, 인장 강도 및 기타 성능 지표를 계산합니다.

응력 σ = F/A

σ는 인장강도(MPa)입니다.

F는 인장 하중(N)입니다.

A는 시편의 단면적입니다.

2. 인장 곡선

스트레칭 과정의 여러 단계 분석:

a. 하중이 작은 OP 단계에서는 신장률이 하중과 선형 관계를 가지며, Fp는 직선을 유지하기 위한 최대 하중입니다.

b. 하중이 Fp를 초과하면 인장 곡선은 비선형 관계를 갖기 시작합니다. 샘플은 초기 변형 단계에 진입하고, 하중이 제거되면 샘플은 원래 상태로 돌아가 탄성 변형될 수 있습니다.

c. 하중이 Fe를 초과하면 하중이 제거되고 변형의 일부는 복원되지만 잔류 변형의 일부는 유지되는데, 이를 소성 변형이라고 합니다. Fe를 탄성 한계라고 합니다.

d. 하중이 더 증가하면 인장 곡선은 톱니 모양을 보입니다. 하중이 증가하거나 감소하지 않을 때, 실험 샘플의 연속적인 신장 현상을 항복이라고 합니다. 항복 후, 샘플은 뚜렷한 소성 변형을 겪기 시작합니다.

e. 항복 후, 시편은 변형 저항, 가공 경화, 그리고 변형 강화가 증가합니다. 하중이 Fb에 도달하면 시편의 동일 부분이 급격히 수축합니다. Fb는 강도 한계입니다.

f. 수축 현상은 시편의 지지력 감소로 이어진다. 하중이 Fk에 도달하면 시편은 파괴되는데, 이를 파괴 하중이라고 한다.

항복 강도

항복 강도는 금속 재료가 외력을 받았을 때 소성 변형 시작부터 완전 파괴까지 견딜 수 있는 최대 응력 값입니다. 이 값은 재료가 탄성 변형 단계에서 소성 변형 단계로 전환되는 중요한 시점을 나타냅니다.

분류

상부 항복 강도: 항복이 발생하여 처음으로 힘이 감소하기 전 샘플의 최대 응력을 말합니다.

하부 항복 강도: 초기 과도 응력을 무시했을 때 항복 단계에서 발생하는 최소 응력을 의미합니다. 하부 항복점 값은 비교적 안정적이기 때문에 일반적으로 재료 저항의 지표로 사용되며, 이를 항복점 또는 항복 강도라고 합니다.

계산식

상부 항복 강도의 경우: R = F / Sₒ, 여기서 F는 항복 단계에서 처음으로 힘이 감소하기 전의 최대 힘이고, Sₒ는 샘플의 원래 단면적입니다.

항복 강도가 낮은 경우: R = F / Sₒ, 여기서 F는 초기 과도 효과를 무시한 최소 힘 F이고, Sₒ는 샘플의 원래 단면적입니다.

단위

항복 강도의 단위는 일반적으로 MPa(메가파스칼) 또는 N/mm²(제곱밀리미터당 뉴턴)입니다.

예

저탄소강을 예로 들어보면, 일반적으로 항복 한계는 207MPa입니다. 이 한계를 넘는 외력을 받으면 저탄소강은 영구 변형을 일으켜 복원할 수 없습니다. 반면, 이 한계 미만의 외력을 받으면 저탄소강은 원래 상태로 돌아갈 수 있습니다.

항복강도는 금속 재료의 기계적 성질을 평가하는 중요한 지표 중 하나입니다. 이는 재료가 외부 힘을 받았을 때 소성 변형에 저항하는 능력을 나타냅니다.

인장강도

인장강도는 재료가 인장 하중 하에서 손상을 견뎌낼 수 있는 능력으로, 특히 인장 과정에서 재료가 견딜 수 있는 최대 응력 값으로 표현됩니다. 재료에 가해지는 인장 응력이 인장 강도를 초과하면 재료는 소성 변형이나 파괴를 겪게 됩니다.

계산식

인장강도(σt)의 계산 공식은 다음과 같습니다.

σt = F / A

여기서 F는 시편이 파손되기 전에 견딜 수 있는 최대 인장력(뉴턴, N)이고, A는 시편의 원래 단면적(제곱밀리미터, mm²)입니다.

단위

인장 강도의 단위는 일반적으로 MPa(메가파스칼) 또는 N/mm²(제곱밀리미터당 뉴턴)입니다. 1MPa는 제곱미터당 1,000,000 뉴턴과 같으며, 이는 1N/mm²과도 같습니다.

영향 요인

인장 강도는 화학 성분, 미세 구조, 열처리 공정, 가공 방법 등 여러 요인에 영향을 받습니다. 다양한 재료는 서로 다른 인장 강도를 가지므로 실제 적용에서는 재료의 기계적 특성을 기반으로 적절한 재료를 선택하는 것이 필요합니다.

실제 적용

인장강도는 재료과학 및 공학 분야에서 매우 중요한 매개변수이며, 재료의 기계적 성질을 평가하는 데 자주 사용됩니다. 구조 설계, 재료 선정, 안전성 평가 등에서 인장강도는 반드시 고려해야 할 요소입니다. 예를 들어, 건설 공학에서 강철의 인장강도는 하중을 견딜 수 있는지 여부를 결정하는 중요한 요소입니다. 항공우주 분야에서는 경량 고강도 재료의 인장강도가 항공기의 안전성을 보장하는 핵심 요소입니다.

피로강도:

금속 피로는 재료와 구성 요소가 반복 응력이나 반복 변형 하에서 점차적으로 한 곳 또는 여러 군데에 국부적인 영구 누적 손상을 일으키고, 특정 횟수의 사이클 후에 균열이나 갑작스러운 완전 파괴가 발생하는 과정을 말합니다.

특징

시간의 갑작스러움: 금속 피로 파괴는 명확한 징후 없이 짧은 시간 내에 갑자기 발생하는 경우가 많습니다.

위치의 국소성: 피로 파괴는 일반적으로 응력이 집중되는 국소 영역에서 발생합니다.

환경 및 결함에 대한 민감성: 금속 피로는 환경과 재료 내부의 작은 결함에 매우 민감하여 피로 과정을 가속화할 수 있습니다.

영향 요인

응력 진폭: 응력의 크기는 금속의 피로 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

평균 응력 크기: 평균 응력이 클수록 금속의 피로 수명이 짧아집니다.

사이클 횟수: 금속이 순환 응력이나 변형을 받는 횟수가 많을수록 피로 손상이 누적될 가능성은 커집니다.

예방 조치

재료 선택 최적화: 피로 한도가 더 높은 재료를 선택합니다.

응력 집중 감소: 둥근 모서리 전환을 사용하거나 단면 치수를 늘리는 등 구조 설계나 가공 방법을 통해 응력 집중을 줄입니다.

표면처리 : 금속표면에 광택, 분무 등의 처리를 하여 표면결함을 줄이고 피로강도를 향상시킨다.

검사 및 유지관리: 금속 부품을 정기적으로 검사하여 균열 등의 결함을 신속히 발견하고 수리합니다. 마모된 부품을 교체하고 약한 연결 부분을 보강하는 등 피로에 취약한 부품을 유지관리합니다.

금속 피로는 일반적인 금속 파손 모드로, 급격함, 국소성, 그리고 환경에 대한 민감성을 특징으로 합니다. 응력 진폭, 평균 응력 크기, 그리고 사이클 횟수가 금속 피로에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

SN 곡선: 다양한 응력 수준에서 재료의 피로 수명을 설명합니다. 여기서 S는 응력을 나타내고 N은 응력 사이클 수를 나타냅니다.

피로강도계수 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 곡선의 수학적 표현:

(\sigma^m N = C)

여기서 (\sigma)는 응력이고, N은 응력 사이클의 횟수이며, m과 C는 재료 상수입니다.

계산 단계

재료 상수를 결정합니다.

m과 C의 값은 실험을 통해서나 관련 문헌을 참고하여 결정한다.

응력 집중 계수 결정: 부품의 실제 모양과 크기, 필렛, 키웨이 등으로 인한 응력 집중을 고려하여 응력 집중 계수 K를 결정합니다. 피로 강도 계산: SN 곡선과 응력 집중 계수를 부품의 설계 수명과 작동 응력 수준과 결합하여 피로 강도를 계산합니다.

2. 가소성:

소성이란 재료가 외부의 힘을 받았을 때, 탄성 한계를 초과하는 힘을 받았을 때 파괴되지 않고 영구 변형되는 특성을 말합니다. 이 변형은 되돌릴 수 없으며, 외부의 힘이 제거되어도 재료는 원래 모양으로 돌아가지 않습니다.

가소성 지수 및 계산식

신장(δ)

정의: 신장률은 시편이 인장 파괴되어 원래 게이지 길이까지 내려간 후 게이지 단면의 전체 변형률입니다.

공식: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

여기서 L0는 시편의 원래 게이지 길이입니다.

L1은 시편이 파손된 후의 게이지 길이입니다.

분절 감소(Ψ)

정의: 부분 감소란 시편이 원래 단면적으로 파손된 후 네킹 지점에서 단면적의 최대 감소율을 백분율로 나타낸 것입니다.

공식: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

여기서 F0는 시편의 원래 단면적입니다.

F1은 시편이 파손된 후 네킹 지점에서의 단면적입니다.

3. 경도

금속 경도는 금속 재료의 경도를 측정하는 기계적 성질 지수입니다. 금속 표면의 국부적인 변형에 저항하는 능력을 나타냅니다.

금속 경도의 분류 및 표현

금속 경도는 시험 방법에 따라 다양한 분류 및 표시 방법이 있습니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

브리넬 경도(HB):

적용 범위: 일반적으로 비철 금속, 열처리 전 또는 어닐링 후의 강철 등 재료가 부드러운 경우에 사용됩니다.

시험 원리: 일정한 크기의 시험 하중을 가한 후, 일정 직경의 경화강구 또는 초경구로 시험을 할 금속의 표면에 압력을 가하고, 일정 시간 후에 하중을 제거한 후, 시험을 할 표면의 압입 직경을 측정합니다.

계산 공식: 브리넬 경도 값은 하중을 압입의 구면 표면적으로 나누어 얻은 몫입니다.

록웰 경도(HR):

적용 범위: 일반적으로 열처리 후 경도 등 경도가 더 높은 재료에 사용됩니다.

시험 원리: 브리넬 경도와 비슷하지만, 다른 탐침(다이아몬드)과 다른 계산 방법을 사용합니다.

유형: 적용 분야에 따라 HRC(고경도 재료용), HRA, HRB 및 기타 유형이 있습니다.

비커스 경도(HV):

적용 범위: 현미경 분석에 적합합니다.

시험 원리: 120kg 미만의 하중과 꼭지각이 136°인 다이아몬드 사각원뿔 압입자국으로 재료 표면을 누르고, 재료 압입 구덩이의 표면적을 하중 값으로 나누어 비커스 경도 값을 구합니다.

리브 경도(HL):

특징: 휴대용 경도계로 측정이 쉽습니다.

시험 원리: 경도면에 충격을 가한 후 충격 볼 헤드에서 발생하는 반발력을 이용하고, 샘플 표면에서 1mm 떨어진 펀치의 반발 속도와 충격 속도의 비율로 경도를 계산합니다.