[금속 가공학1-3] 금속 가공 기초 / Strain-stress curve 해석

[금속 가공학1-3] 금속 가공 기초 / Strain-stress 커브 해석 하기

 

 

본 포스팅에서는 재료 강도 연구에서 일반적으로 사용되는 [1] Strain-Stress curve (응력 변형율 그래프)를
정리하도록 하겠습니다.

 

 

[1] Strain-Stress curve

 

재료의 물성을 평가하기 위하여 압축, 인장 시험을 진행하게 되면 크게 2가지 값들을 얻게 되는데  이는 strain(변형율), stress(응력) 입니다.

 

다시 말하면 인장, 압축 시험은  어떠한 재료의 고유 값인  strain, stress를 얻기 위한 시험입니다.

 

인장 시험후 두 데이터를 strain을 x축에, stress를 y축에 나타내어 그래프를 그리면 아래와 같습니다.

그림. Strain-Stress curve  모식도

 

일반적인 금속은 압축, 인장 시험결과 왼쪽 그래프와 같이 나타납니다.

 

그래프의 기울기 및 각 부분의 절대값이 재료의 고유의 특성입니다.

 

우측 그림은 Strain-stress의 각 부분들을 설명하기 위해 각 부분에 표기를 해둔 그림입니다.

 

Strain-stress curve는 특징에 따라 크게 두 부분으로 나뉘어서 생각할 수 있는데 탄성 영역 (elastic) / 소성 영역 (plastic) 입니다.

 

우측 그림에 초록색과 주황색으로 표시해 두었습니다.

 

탄성 역역은

 

이름 그대로 고무줄과 같이 변형이 되었다가도 다시 돌아갈 수 있는 영역입니다. 금속 재료도 고무줄 처럼 변화가 크지는 않지만 작은 변형 후 제자리로 돌아 갈 수 있는 능력이 있습니다.

 

이 영역에서는 그래프가 기울기를 가지는 직선으로 표현 되며 기울기를 탄성 계수 (elastic modulus)라고 하여 재료의 고유 특성입니다.

 

그래프상에 x축을 기준으로 직선의 마지막인 elastic limit 까지의 변형 안에서 재료가 변형 회복을 할 수 있습니다. elastic limit 또한 각 재료의 고유 특성이라고 할 수 있습니다. 

 

 

소성 영역은

 

한번 소성 영역까지 변형된 재료는 다시 본래의 형상 및 모습으로 돌아 갈 수 없습니다.  간단하게 늘어난 고무줄이라고 생각 할 수 있습니다. 

 

이 영역에 들어 오면 그래프가 선형적으로 변하여 y축 stress 값이 일정 부분 증가 후 다시 내려가는 현상이 나타납니다.

 

stress가 올라가는 부분을 strain hardening,  stress가 내려가는 부분을 necking이라고 부릅니다.

 

탄성이 없는 재료에는 strain hardnening 및 necking 부분이 굉장이 짧거나 없을 수 있습니다.

 

그래프가 끝나는 부분은 시험편이 파괴되어 시험이 끝난 부분이고

 

그래프 전체에서 가장 높은 y 값을 가지는 부분을 ultimate tensile strength (UTS)로 부릅니다. 

 

그래프의 모든 부분의 값은 재료의 고유 특성입니다.

 

 

** 간단한 예시를 통한 Strain-stress curve 고찰 및 0.2 % yield stress (항복강도) 정의

 

- 탄성 한계를 알아야 하는 이유는?

 

-> 만약 다리를 설계하고  인장 힘을 받는 부분이 있다면 탄성 한계 내에서는 다리가 회복 될 수 있기 때문에
       아무 문제 없지만 소성 영역까지 힘이 가해지면 다리가 늘어나 버리는것 다시는 원래 대로 회복 불가

 

-> 재료의 최대 강도 UTS를 기반으로 설계 하였다면 다리가 붕괴 되지는 않지만 점점 늘어나고 있는것 

 

-> 그렇다면 실제 설계에서 사용 가능한 최대 강도를   0.2 % strain stress (항복강도)로 정의

 

* 항복 강도란 탄성 영역내에서 설계를 해야되는 엔지니어링 상황에서의 최대 허용 강도

 

Strain-Stress 커브 활용 예시

소성 가공을 통하여 어떠한 부분의 물성이 개선 되었는지 Strain-stress curve를 통하여 판단 할 수 있다.

Strain-Stress curve를 통하여 여러 재료의 한계치 물성을 정확하게 비교 하고 각 엔지니어링 상황에 맞춰

최적의 재료를 선정 할 수 있다.