금속의 기계적 성질 - 응력 및 변형률의 개념

하중이 구조물의 단면적이나 표면에 균일하게 정적으로 작용하거나, 시간에 따라 천천히 변하는 경우의 기계적 거동은 단순한 응력-변형률 시험을 통해 확인할 수 있다. 금속 재료에 대한 시험은 일반적으로 상온에서 수행한다. 하중을 가하는 방법에는 세 종류의 주된 방법(인장, 압축, 전단)이 있다. 실제 공학적 상황에서 가해지는 하중 형태는 순수 전단이라기보다 비틀림이다. 

 

 

인장 시험 

 

일반적으로 응력-변형률 시험은 인장(tension) 하중하에서 행해진다. 그러므로 인장 시험을 통하여 설계에 필요한 여러 가지 중요한 기계적 성질을 측정한다. 시편의 장축을 따라 인장 하중을 점차적으로 증가시키면 이에 따라 편의 변형이 일어나며, 결국 시편은 끊어지게 된다. 일반적으로 시편의 단면은 원형이지만 사각형 시편도 가능하다. 변형은 시편의 중심 부위(길이에 따라 균일한 단면적을 갖는)에 집중된다. 시편의 표준 지름은 12.8mm(0.5inch)이다. 시편의 ㅁ녀적의 감소시킨 부분의 길이는 적어도 지름의 네 배가 되어야 하며, 일반적으로 60mm(2.25inch)이다. 게이지의 표준 길이는 50mm(2inch)이며, 연성 값 계산에 사용된다. 

 

인장 시험기는 시편을 일정한 속도로 잡아당기며, 순간적인 작용 하중과 이에 따른 변형량을 각각 로드셀(load cell)과 엑스텐소 미터(extensometer)를 통하여 연속적으로 순간순간 측정할 수 있도록 설계되어 있다. 하나의 시편을 시험하는 시간은 단 몇 분 정도이며, 시편은 마침내 끊어지게 된다. 결국 영구적인 변형이 일어나 두 개의 시편 조각이 남는다. 

 

인장 시험 결과는 스트립 차트(strip chart)에 하중(힘) 대 신장량 곡선으로 기록된다. 이러한 하중 변위 곡선은 시편의 크기에 따라 다르게 나타난다. 즉, 시편의 단면적이 두 배가 되면 같은 신장량을 일으키는데 두 배의 힘이 들게 될 것이다. 이와 같은 기하학적 요솔르 최소화하기 위하여 하중과 신장량을 각각 공칭 응력(engineering stress)과 공칭 변형률(engineering strain)로 나타낸다. 

 

 

압축 시험 

 

실제 하중이 압축으로 작용하는 경우가 있으므로 압축 시험도 수행한다. 압축 시험은 인장 시험과 유사하지만, 압축 힘이 작용하는 것과 시편의 길이 방향으로 압출 된다는 점이 다르다. 관습적으로 압축 힘은 "-"부호를 취하므로 "-" 응령을 갖는다. 대부분의 구조용 재료에 있어 압축 시험으로 구할 수 있는 추가 데이터는 별로 없고, 인장 시험이 간편하므로 보편적으로 인장 시험을 이용한다. 그러나 재료의 취성이 매우 크다거나 구조물의 성형 제작과 같이 매우 큰 영구 변형(즉, 소성변형) 대한 데이터가 필요한 경우에는 압출 시험을 이용한다. 

 

 

 

전단(비틀림) 시험 

 

비틀림은 순수 전단의 변형으로서, 구조재가 비틀리는 것을 나타내며, 비틀림 힘에 의하여 소재의 한쪽 끝단은 다른 쪽 끝단에 대해 길이 방향의 축을 중심으로 회전하게 된다. 비틀림의 예로는 기계의 축(axle), 구동 샤프트(drive shaft) 및 비틀림 드릴(twist drill) 등이 있으며, 비틀림 시험은 실린더형 샤프트나 튜브에 대해 행해진다. 전단 응력은 작용 토크의 함수이며 비틀림 각과 관련되어 있다. 

 

 

응력 상태의 기하학적 고려 

 

인장, 압축, 전단 및 비틀림 힘으로부터 산출한 응령을 불체에 평행하게 또는 수직으로 작용하고 있으며, 응력 상태는 가해지고 있는 면의 방향의 함수라는 것을 주지하여야 한다. 예로서 축에 평행하게 인장 인력이 가해지고 있는 원주형 인장 시편을 생각해보자. 

 

시편 끝단에 대하여 임의의 각도 만큼 기울어져 있는 면이 있다고 생각해보자. 이 경우에 면에 작용하는 응력은 순수한 인장 응력이 아니다. 다소 복잡한 응력 상태로서 면에 수직으로 작용하는 인장 응력(또는 수직 응력)과 평행하게 작용하는 전단응력으로 구성된다. 이와 같은 원리를 이용하면, 하나의 좌표계에서 방향이 다른 좌표계로 응력 성분의 변환이 가능하다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판