지난 포스팅에서는 응력의 개념에 대해서 정리해보았다.
(↓↓ 혹시 응력 개념에 대해 아직 모호한 분은 아래 포스팅을 참고 ↓↓)
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응력과 외력 (feat. 응력의 단위)
오늘은 응력(stress)의 개념 대해 정리해보고자 한다.응력의 개념은 안전에 있어 매우 중요하기 때문에 반드시 짚고 넘어가야 하는 주제다.내용이 방대해서 3개로 나눠서 정리를 해야겠다.그 1편
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이번에는 재료역학적 관점에서 응력과 변형율의 관계에 대해 알아보고자 한다.
아래 내용은 공학적 기초에 해당하므로 안전관리 뿐만 아니라 설계를 하거나 설비운영 및 유지보수를 업으로 삼는 사람들도 상식으로 알아야 할 내용이다.
모든 재료는 힘을 받으면 응력이 증가하고 그 결과 변형이 발생한다.
재료를 표준시편으로 불리는 규격으로 제작하여 인장시험기에 물려 점차 큰 힘으로 잡아당기면서 응력과 변형율이 어떻게 변화하는지 그 관계를 그래프로 그리면 다음과 같이 나타난다.
응력은 (σ)로 나타내고, 변형율은 (ε)으로 나타낸다. (상식으로 알아두자)
1) 비례한도 (Proportional Limit)
비례한도는 그 의미대로 응력과 변형율이 일정하게 직선형태로 나타나는 구간이다.
탄성한도 내에 위치하고 기울기가 일정해 응력과 변형율이 비례하여 나타나며 훅의 법칙이 적용된다.
(σ=E x ε , E는 탄성계수)
2) 탄성한도 (Elastic Limit)
외력을 제거하면 원래대로 복귀하는 구간으로 탄성한도 범위 내에서는 재료가 변형을 일으키더라도 외력을 제거하면 처음의 상태로 돌아간다.
스프링에 일정 힘을 주고 제거하면 다시 복귀하는 것처럼 탄성한도 내의 경우 외력을 제거하면 변형없이 원상복구된다.
3) 소성변형 (Plastic Deformation)
탄성한도를 초과하는 힘을 가하게 되면 그 힘을 제거하더라도 재료에 영구적 변형이 남게 되는데 이 것을 소성변형이라 한다. 소성변형이 발생하면 아무리 반대방향으로 다시 힘을 작용시키더라도 최초의 상태로는 돌아갈 수 없게 된다.
따라서 여러분의 시설, 기계, 기구 등에 이러한 소성변형이 발생했는지 확인해야 할 필요가 있다. 일반적으로 설계를 할 때 사용응력을 허용응력 이내로 맞추고 이 허용응력은 탄성한도 내에 위치하도록 한다. 그렇기 때문에 일반적인 사용환경에서는 절대로 소성변형이 발생하지 않도록 설계하는데, 소성변형이 발생했다는 것은 사용응력이 탄성한도를 넘었다는 것이므로 설계가 잘못되었든지 사용환경이 부적합하거나 올바르지 않다는 것을 뜻한다.
4) 항복점 (항복강도, Yield Strength)
탄성한도를 초과하면 소성변형이 발생하는데 항복점은 소성변형이 급격히 증가하기 시작하는 응력값을 나타낸다.
위 그래프의 윗꼭지점을 상항복점, 우측의 아래 꼭지점을 하항복점이라 불린다.
(1) 상항복점 : 하중의 증가없이도 급격한 변형이 발생하는 지점
(2) 하항복점 : 낮은 외력에도 변형이 발생하는 지점
(3) 항복점 추정 : 연성재료의 경우는 응력-변형률 그래프를 그렸을 때 뚜렷하게 항복점이 나타나지 않는다. 그래서 일반적으로는 0.2% offset 을 통해서 항복점을 추정하게 된다. 위 그래프에서 비례한도와 평행한 선을 0.2% 우측으로 그려 만나는 지점이 연성재료의 항복점이 된다.
5) 극한강도 (Tensile Strength)
재료에 항복점 이상의 하중을 계속 가하게 되면 응력이 지속적으로 증가하면서 변형율도 증가하게 된다. 이 때 부재가 파단되기 전 가장 높은 응력이 발생하는 지점을 극한강도라 한다. 극한강도에서는 재료에 Necking이 발생한다.
위 그림처럼 인장력을 받는 재료가 결국 소성변형을 일으키다 힘을 크게 받는 지점에서 지름의 감소가 이루어지는 데 이것을 Necking이라 한다.
여러분의 시설에 인장력을 받는 구조나 부재가 있다면, 혹시 Necking 현상이 발생한지 확인해야 한다. 왜냐면 그 부재는 과거에 극한강도 이상의 힘을 받아서 심하게 변형이 된 상태이므로 즉시 조치해야 할 것이다.
6) 파단점 (Fracture)
외력의 증가와 변형율의 증가가 계속 이루어지고 극한강도를 지나 Necking이 발생하면 결국 재료는 파괴되는데 이 때를 파단점이라 부른다.
* 공칭응력과 진응력
인장시험기로 시편을 잡아당기면 극한강도를 지나서 Necking이 발생하는데, Necking이 발생한 실제 단면에서 발생하는 응력값이 진응력이다.
반면, 실제 단면에서 발생하는 응력값이 아닌 공칭지름(최초 시험편의 지름)으로 계산한 응력값을 공칭응력라 한다.
응력은 단위면적당 받는 힘이므로 지름이 작으면 응력값은 커지고 지름이 크면 응력값은 작아지게 되므로 진응력값은 공칭응력값보다 항상 크게 된다. 실제로 시편을 잡아당겨 측정한 것을 토대로 그린 그래프가 진응력 그래프이고, 공칭응력은 계산된 값에 의해 다시 그려지는 것이다. (그래서 위 그래프를 보면 공칭응력이 점선으로 표기되어 있음.)
지금까지 응력과 변형률에 대해 알아보았고, 응력-변형률 선도에 있는 값에 대한 기초적인 공부를 해보았다.
다음 포스팅에서는 허용응력과 사용응력, 안전율에 대한 얘기를 해보도록 하겠다.
[핵심 내용정리]
1. 응력-변형률 선도는 시편의 인장시험을 통해서 나타낸 그래프이다.
2. 탄성한도는 재료에 하중을 가했을 때 초기 상태로 원상복구할 수 있는 한계값이다.
3. 항복점은 소성변형이 발생하는 지점으로 소성변형이 급격히 발생한다.
4. 극한강도는 시편에 Necking이 발생하는 지점으로 가장 높은 응력값이다.