수율 강도에 대한 이해: 종합 가이드
항복 강도는 중요하지만 종종 간과되는 특성으로, 재료 선택에 있어 중요한 역할을 합니다. 이 글에서는 항복 강도의 기본 사항을 자세히 살펴보고 그 중요성을 살펴봅니다...
이 글에서는 엔지니어링에서 강도와 강성이라는 흥미로운 개념을 살펴봅니다. 이러한 원리가 교량부터 스마트폰 화면에 이르기까지 일상적인 물체의 안전과 내구성을 어떻게 보장하는지 알아보세요. 엔지니어링의 경이로움 뒤에 숨겨진 비밀을 함께 알아보세요!
기계 시스템이나 구조물의 최적의 성능과 신뢰성을 보장하려면 각 구성 요소가 의도한 기능을 효과적이고 효율적으로 수행해야 합니다. 엔지니어링 구성 요소 안전 설계의 주요 목표는 모든 요소가 적절한 강도, 강성 및 안정성을 갖도록 보장하여 시스템의 전반적인 무결성과 수명을 보장하는 것입니다.
안정성은 엔지니어링의 기본 개념으로, 외부의 힘을 받았을 때 부품이 원래의 평형 상태를 유지하거나 회복하는 능력을 말합니다. 이 원칙은 다음과 같은 다양한 시나리오에서 매우 중요합니다:
이러한 사례는 치명적인 고장을 방지하고 기계 시스템과 구조물의 안전한 작동을 보장하는 데 있어 안정성이 얼마나 중요한지 잘 보여줍니다.
이 토론에서는 강성과 강도라는 두 가지 중요한 엔지니어링 원칙에 대한 포괄적인 이해를 설명하는 데 초점을 맞출 것입니다. 이러한 개념은 안정성과 함께 구성 요소 안전 설계의 기본 고려 사항의 세 가지를 구성하며, 각각 엔지니어링 시스템의 전반적인 성능, 내구성 및 안전성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
정의: 강도는 재료, 구성 요소 또는 구조물이 고장, 과도한 변형 또는 손상 없이 적용된 하중이나 힘을 견딜 수 있는 능력입니다. 강도는 재료가 기계적 응력에 저항하는 능력을 결정하는 재료 과학 및 엔지니어링의 기본 속성입니다.
강점은 다음과 같은 다양한 측면을 포괄합니다:
예를 들어, 금속 제작에서 재료의 강도를 이해하는 것은 작동 하중을 견딜 수 있는 부품을 설계하는 데 매우 중요합니다. 건물의 철골 빔은 구부러지거나 부러지지 않고 구조물의 무게와 추가 하중을 지탱할 수 있는 충분한 강도를 가져야 합니다.
강도는 다음과 같은 다양한 요소의 영향을 받습니다:
강도의 측정 단위는 일반적으로 영국식 단위로 메가파스칼(MPa) 또는 평방인치당 파운드(psi)로 표시됩니다. 예를 들어 연강의 인장 강도는 약 400-550MPa이고 고강도 합금강의 인장 강도는 1000MPa를 초과할 수 있습니다.
제조 및 엔지니어링 분야에서는 강도 계산과 테스트가 필수적입니다:
복잡한 엔지니어링 애플리케이션에서 재료와 부품의 강도를 평가하고 검증하기 위해 유한 요소 분석(FEA) 및 파괴 테스트와 같은 고급 기술을 사용하는 경우가 많습니다.
부서지기 쉬운 골절: 최소한의 소성 변형으로 빠른 균열 전파가 특징인 갑작스럽고 치명적인 고장 모드입니다. 이러한 유형의 고장은 경고 없이 발생하며 일반적으로 깨끗하고 평평한 골절 표면을 초래합니다.
예를 들어
플라스틱 수율: 재료가 심각한 소성 변형을 일으켜 영구적인 형태 변화와 구조적 무결성 손실을 초래하는 고장 모드입니다. 이러한 유형의 파손은 일반적으로 취성 파손에 비해 더 점진적이고 관찰이 가능합니다.
예를 들어
재료의 고장 모드는 재료 특성, 하중 조건, 온도 및 환경 요인 등 다양한 요인에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다. 일부 소재는 저온이나 높은 변형률과 같은 특정 조건에서 연성에서 취성 거동으로 전환될 수 있습니다.
1. 최대 인장 응력 이론:
단방향 응력 조건에서 부재의 한 지점에서의 최대 인장 응력 σ1이 최종 응력 σb에 도달하면 재료는 취성 파괴를 겪게 됩니다. 따라서 복잡한 응력 조건에서 임계점이 있는 구성 요소의 취성 파단 실패 기준은 σ1 = σb입니다.
결과적으로, 첫 번째로 설정한 강도 조건은 힘 이론 는 σ1 ≤ σb입니다.
2. 최대 인장 변형 이론:
단방향 응력 조건에서 최대 인장 변형률 ε1이 한계값 εu에 도달하면 재료는 취성 파괴로 인해 파단됩니다. 이는 ε1 = εu로 표현할 수 있습니다.
일반화된 후크의 법칙에서 ε1은 다음과 같이 계산할 수 있습니다: ε1 = [σ1 - u(σ2 + σ3)] / E, 즉 σ1 - u(σ2 + σ3) = σb입니다.
두 번째 강도 이론에 의해 설정된 강도 조건은 σ1 - u(σ2 + σ3) ≤ σb입니다.
3. 최대 전단 응력 이론:
단방향 응력 조건에서 최대 전단 응력 τMax가 최종 전단 응력 τ0에 도달하면 재료는 항복으로 인해 파단됩니다. 이는 τMax = τ0으로 표현할 수 있습니다.
축방향 장력 중 경사 단면의 전단 응력에 대한 공식은 τ0 = σs/2입니다(σs는 단면의 정상 응력). τMax의 공식은 (σ1 - σ3)/2입니다. 따라서 손상 조건은 σ1 - σ3 = σs로 다시 쓸 수 있습니다.
세 번째 강도 이론에 의해 설정된 강도 조건은 σ1 - σ3 ≤ σs입니다.
4. 모양 변화 비에너지 이론:
단방향 응력 조건에서 부재의 한 지점에서 형상 변화율이 한계값에 도달하면 재료는 항복으로 인해 파손됩니다.
네 번째 강도 이론에 의해 설정된 강도 조건은 다음과 같습니다:
√(σ1^2 + σ2^2 + σ3^2 - σ1σ2 - σ2σ3 - σ3σ1) < σs.
정의: 강성이란 재료, 구성 요소 또는 구조가 외부 힘을 받을 때 탄성 변형이나 변위에 저항하는 능력을 말합니다. 강성은 시스템이 적용된 하중 하에서 허용 한계 내에서 모양과 치수를 유지할 수 있는 정도를 정량화합니다.
강성은 재료 또는 구조에서 힘과 변형 사이의 관계를 특징짓는 엔지니어링의 기본 매개변수입니다. 이는 적용된 힘과 결과 변위의 비율로 정의되며, 단위 변형을 생성하는 데 필요한 힘의 양을 나타냅니다. 수학적으로 강성(k)은 다음과 같이 표현됩니다:
k = F / δ
Where:
강성의 단위는 일반적으로 단위 길이당 힘으로, SI 시스템의 경우 N/m(미터당 뉴턴), 영국식 시스템의 경우 lbf/in(인치당 파운드 힘)입니다.
실제로 강성은 스프링의 비유를 통해 개념화할 수 있습니다. 스프링의 강성을 나타내는 스프링 상수는 적용된 인장력 또는 압축력에 대한 신장 또는 압축 결과의 비율로 정의됩니다. 이 관계는 선형 탄성 시스템에 대한 후크의 법칙으로 설명됩니다.
강성을 이해하고 제어하는 것은 다음을 포함한 다양한 엔지니어링 애플리케이션에서 매우 중요합니다:
엔지니어는 강성 요구 사항과 강도, 무게, 비용, 제조 가능성 등 다른 설계 고려 사항의 균형을 유지하여 특정 애플리케이션에 맞는 최적의 솔루션을 만들어야 합니다.
가해지는 하중이 일정할 때 이를 정적 강성이라고 합니다.
하중이 번갈아 가며 작용하는 것을 동적 강성이라고 합니다.
정적 강성은 구조적 강성과 접촉 강성을 포함합니다.
구조적 강성은 부재 자체의 강성을 의미하며 굽힘 강성과 비틀림 강성을 포함합니다.
1. 굽힘 강성: 다음 공식에 따라 계산합니다:
K=P/δ
어디
2. 비틀림 강성은 다음 공식에 따라 계산됩니다:
Km=ML/θ
여기서 M - 가해진 토크(n - m);
L - 토크 동작 위치에서 고정된 끝까지의 거리(m)입니다;
θ-- 비틀림 각도(°)
강도와 강성에 대한 위의 설명을 통해 강도는 외력에 의한 파괴에 초점을 맞추고 인장 시험 시 응력-변형률 곡선과 관련된 소성 항복과 취성 파괴 파괴로 분류된다는 것을 알 수 있습니다. 이에 비해 강성은 변형과 힘의 관계와 관련이 있습니다.
그림에서 볼 수 있듯이
그림의 곡선은 4단계로 나눌 수 있습니다:
1. 탄성 변형 단계;
2. 수율 단계;
3. 강화 단계;
4. 로컬 넥킹 단계.
강성은 초기 단계에서 발생하는 탄성 변형에 대한 저항으로 정의되며, 탄성 조건에서 후크의 법칙에 따라 결정됩니다.
아래에서 굽힘 강성 및 비틀림 강성을 계산합니다. 정적 부하 는 후크의 법칙과 유사하며, 강성은 탄성 변형 단계에서만 측정된다는 것을 시사합니다.
다음 단계에서는 인장 테스트 중에 소성 변형이 발생해도 잔류 변형이 사라지지 않습니다. 응력-변형률 곡선에서 응력은 거의 변하지 않지만 변형률은 크게 증가합니다. 이 시점에서 응력은 항복 한계에 도달하고 재료는 소성 항복 실패 단계에 들어갑니다. 응력이 계속 증가함에 따라 변형률도 강도 한계에 도달할 때까지 증가합니다.
따라서 강도 측정은 재료가 탄성 변형을 겪은 후 강도 한계에 도달하기 전에 이루어집니다.
결론적으로 부품의 고장 단계에서 강성과 강도를 모두 평가하며, 강성은 응력으로, 강도는 변형으로 측정합니다.
변형 과정의 순서로 보면 강성은 초기 단계에서 발생하고 강도는 후기 단계에서 발생합니다.
따라서 부품의 고장 조건을 평가할 때 강성 요구 사항이 충족되는 한 부품은 탄성 변형 단계에서 충분한 응력을 견딜 수 있어야 하며, 이는 다시 강도 요구 사항을 충족해야 합니다.
이 관계는 기계 장비의 샤프트와 같은 다양한 설계에 반영됩니다. 일반적으로 강도 조건에 따라 샤프트 크기를 결정한 다음 강성 조건에 따라 강성을 검증합니다.
따라서 정밀 기계 샤프트의 강성 요구 사항은 매우 높게 설정되며, 단면 크기 설계는 강성 조건에 의해 제어되는 경우가 많습니다.
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