수율 강도에 대한 이해: 종합 가이드

소개

항복 강도의 정의

수율 강도: 의 수익률 제한입니다. 금속 소재 즉, 약간의 소성 변형에 견딜 수 있는 응력입니다.

For 금속 소재 명백한 항복이 없는 경우 0.2% 잔류 변형을 생성하는 응력 값을 조건부 항복 한계 또는 항복 강도라고 하는 항복 한계로 지정합니다.

이 한계를 초과하는 외력은 부품의 영구적인 고장을 유발하며 복원할 수 없습니다. 예를 들어 저탄소 강철의 항복 한계는 207MPa입니다.

이 한계보다 큰 외부 힘이 가해지면 컴포넌트는 영구적인 변형을 겪게 됩니다. 이보다 작으면 컴포넌트는 원래 형태로 돌아갑니다.

재료 과학 및 엔지니어링에서 항복 강도의 중요성

항복 강도는 재료 과학 및 엔지니어링에서 중추적인 역할을 하며 설계 방법론 및 재료 선택 프로세스에서 중요한 매개변수로 작용합니다. 전통적인 강도 설계 접근 방식에서 항복 강도는 연성 재료의 기준이 되며, 허용 응력은 [σ] = σys/n으로 정의되며, 여기서 σys는 항복 강도이고 n은 안전 계수입니다. 이 안전 계수는 특정 애플리케이션 요구 사항과 운영 조건에 따라 일반적으로 1.1에서 2 또는 그 이상의 범위입니다.

뚜렷한 항복점이 없는 취성 재료의 경우, 최종 인장 강도(σb)가 기준으로 사용되며 허용 응력은 [σ] = σb/n으로 계산됩니다. 이러한 경우 재료의 제한된 소성 변형 능력과 갑작스러운 고장 모드를 고려하여 일반적으로 약 6의 보다 보수적인 안전 계수(n)가 사용됩니다.

기존의 강도 기반 설계 방법론은 항복 강도를 극대화하는 데 초점을 맞추는 경우가 많지만, 이러한 접근 방식은 의도하지 않은 결과를 초래할 수 있다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 항복 강도가 증가하면 그에 상응하는 파단 인성이 감소하여 잠재적으로 치명적인 고장의 위험이 높아질 수 있습니다. 이러한 역관계는 항복 강도에만 집중하기보다는 균형 잡힌 재료 특성 최적화의 중요성을 강조합니다.

항복 강도의 중요성은 응력 계산에 직접 적용하는 것 이상으로 확장됩니다. 엔지니어링 응용 분야에서 재료의 다양한 기계적 거동과 가공 특성을 예측하는 데 중요한 지표로 사용됩니다. 예를 들어

1. 응력 부식 저항성: 항복 강도가 높은 소재는 특히 가혹한 환경에서 응력 부식 균열에 대한 취약성이 증가하는 경향이 있습니다.
2. 수소 취성: 일반적으로 강도가 높은 소재일수록 수소로 인한 균열 및 취성 현상이 발생하기 쉽습니다.
3. 성형성: 수율 강도가 낮은 소재는 일반적으로 우수한 냉간 성형 기능을 발휘하여 더 복잡한 형상을 구현하고 성형 부하를 줄일 수 있습니다.
4. 용접성: 항복 강도가 낮은 소재는 열 영향 영역 균열 및 잔류 응력으로 인한 변형에 대한 민감성이 감소하여 용접성이 개선되는 경우가 많습니다.
5. 피로 성능: 직접적인 상관관계는 없지만 항복 강도는 특히 고주기 피로 영역에서 피로 거동에 영향을 미칠 수 있습니다.
6. 내마모성: 대부분의 경우 높은 항복 강도는 향상된 내마모성과 상관관계가 있지만, 경도 및 미세 구조와 같은 다른 요인도 중요한 역할을 합니다.

재료 응력 및 변형의 기초

스트레스와 긴장의 개념

스트레스

외부 요인(힘, 습도, 온도 변화 등)으로 인해 물체가 변형될 때 물체의 여러 부분 간에 상호 작용하는 내부 힘이 존재합니다. 단위 면적당 내부 힘을 응력이라고 합니다.

단면에 수직인 것을 정상 응력 또는 축 응력이라고 하고, 단면에 접하는 것을 전단 응력 또는 절단 응력이라고 합니다.

스트레인

변형률이란 외부 힘과 불균일한 온도장 등의 작용에 따른 물체의 상대적인 변형을 말합니다.

스트레스와 긴장의 관계

후크의 법칙에 따르면, 일정한 비례 한계 범위 내에서 응력과 변형률은 선형 비례 관계를 갖습니다.

해당 최대 응력을 비례 제한이라고 합니다.

E로 표시되는 응력 대 변형률의 비율을 탄성 계수 또는 영 계수라고 하며, 재료에 따라 고정된 영 계수를 가집니다.

스트레스는 직접 측정할 수는 없지만 외부 힘으로 인한 변형을 측정하여 계산할 수 있습니다.

추가 정보

후크의 법칙은 기계적 탄성 이론의 기본 법칙으로, 고체 물질이 응력을 받을 때 응력과 변형률(단위 변형)이 선형 관계를 갖는다는 내용입니다.

후크의 법칙을 만족하는 머티리얼을 선형 탄성 또는 후크 소재라고 합니다.

후크의 법칙의 표현은 F=k-x 또는 ΔF=k-Δx이며, 여기서 k는 물체의 강성(강성) 계수인 상수입니다.

국제 단위계에서 F의 단위는 뉴턴, x의 단위는 미터, 변형 변수(탄성 변형)이며, k의 단위는 뉴턴/미터입니다.

강성 계수는 스프링을 단위 길이만큼 늘리거나 줄였을 때 스프링이 받는 힘과 수치적으로 동일합니다.

스트레스와 긴장의 유형

스트레스의 유형은 무엇인가요?

정상 응력: 단면에 수직인 응력 성분을 정상 응력(또는 축 응력)이라고 하며 σ로 표시합니다.

일반 응력은 부품 내 인접한 단면 사이의 늘어남과 압축을 나타냅니다.

일반 변형률: 한 지점에서의 정규 변형률은 해당 방향의 단면에 분포된 정규 응력으로 인한 정규 힘의 방향을 따라 늘어나는 신장률입니다.

전단 응력: 단면에 접하는 응력 성분을 전단 응력 또는 전단력이라고 하며 τ로 표시됩니다. 전단 응력은 두 부품 사이의 미끄러지는 작용을 나타냅니다.

전단 변형률: 한 지점에서의 전단 변형률은 단면에 분포된 전단 응력으로 인한 두 수직 방향 사이의 각도 변화입니다. 전단 변형이라고도 합니다.

스트레인의 종류에는 어떤 것이 있나요?

스트레인에는 주로 선형 스트레인과 각도 스트레인의 두 가지 유형이 있습니다. 일반 변형률이라고도 하는 선형 변형률은 작은 선분의 길이가 특정 방향으로 늘어날 때 원래 길이에 대한 증가율(길어지면 양수)입니다.

전단 변형 또는 전단 변형이라고도 하는 각 변형은 전단 응력으로 인한 두 수직 선분 사이의 각도 변화(감소하면 양수)입니다. 라디안 단위로 표시됩니다.

수율 강도 결정

응력-변형률 곡선

응력-변형률(σ-ε) 곡선 다이어그램은 그림 3에 나와 있습니다.

축 방향 하중 F 대신 공칭 응력 σ = F / A0을 사용하고, 확장 Δl 대신 엔지니어링 변형률 ε = Δl / l0을 사용합니다.

응력-변형 곡선에는 여전히 4단계가 있습니다. 각 특성 포인트의 의미는 다음과 같습니다:

단계 o에서 a로:

스트레칭(또는 압축)의 초기 단계에서 응력 σ와 변형률 ε는 점 a까지 선형적으로 관련되어 있습니다.

이 시점에서 점 a에 해당하는 응력 값을 비례 한계라고 하며, σp로 표시됩니다.

스트레스와 변형이 비례하는 최대 한도입니다.

σ≤σp일 때, 스트레스와 변형률이 비례한다는 것을 나타내는 후크의 법칙이라고도 하는 σ =Eε가 있습니다.

따라서 E =σ / ε = tanα이며, 여기서 E는 탄성 계수 또는 영의 계수라고 하며 단위는 σ와 동일합니다. 응력이 비례 한계를 초과하여 점 b에 도달하면 σ-ε 관계는 직선을 벗어나게 됩니다.

이 시점에서 응력을 0으로 언로드하면 변형도 사라집니다(응력이 B 지점을 초과하면 언로드 후에도 변형의 일부를 제거할 수 없습니다).

점 b에 정의된 응력을 탄성 한계 σe라고 합니다. σe는 재료의 탄성 변형만을 위한 궁극적인 한계 값입니다.

B단계에서 C단계로 이동합니다:

응력이 탄성 한계를 초과하면 응력이 거의 증가하지 않거나 전혀 증가하지 않는 현상이 발생하고 변형이 빠르게 증가합니다.

이러한 현상을 항복이라고 합니다. 항복이 시작되는 지점은 항복 강도라고도 하는 항복 한계 σs에 해당합니다.

항복 단계에서는 변형이 계속 증가하는 동안 응력이 변하지 않고 재료가 변형에 저항하는 능력을 상실하여 상당한 소성 변형이 발생합니다(이 시점에서 하중을 해제하면 변형이 완전히 사라지지 않고 잔류 변형이 발생함).

따라서 σs는 재료 강도를 측정하는 데 중요한 지표입니다.

저탄소강 시편이 표면 연마로 수율되면 슬립 라인이라고 하는 내부 결정 격자의 상대적인 미끄러짐으로 인해 표면에 축에 대해 45° 각도로 줄무늬가 생깁니다.

C~E 단계:

항복 단계를 통과한 후 시편이 계속 변형하려면 더 많은 하중을 가해야 하며, 재료가 강화된 것으로 보이며 C-E 단계는 강화 단계입니다.

변형 강화 단계의 가장 높은 지점(지점 e)은 강도 한계 σb에 해당합니다. 이는 재료가 견딜 수 있는 최대 응력을 나타냅니다.

단계 e~f:

지점 e를 통과한 후, 즉 응력이 강도 한계에 도달한 후 시편은 국부적으로 심한 수축을 겪게 되는데, 이를 네킹이라고 합니다.

그런 다음 시편 내부에 균열이 발생하고 공칭 응력 σ가 감소하며 시편이 지점 f에서 파단됩니다.

항복 강도(σs)와 인장 강도(σb)는 다음과 같은 중요한 지표입니다. 재료의 강도 가소성이 좋은 소재(예: 저탄소강)를 사용합니다.

공칭 응력이 사용되며 신장 변형에 따른 단면적 감소는 고려되지 않는다는 점에 유의해야 합니다.

인장 강도(σb)는 재료가 견딜 수 있는 공칭 최대 응력일 뿐, 재료 내부의 실제 최대 응력이 아닙니다.

파단 당시 시편의 실제 면적을 측정하는 데 사용하는 경우 실제 최대 응력은 그림의 선 d-i 세그먼트의 점 i에 해당하는 응력 값입니다.

엔지니어링 실무에서는 단순성, 실용성, 안전성을 위해 인장 강도(σb)를 재료가 견딜 수 있는 최대 응력을 나타내는 데 여전히 사용합니다.

그러나 컴퓨터로 재료의 비선형 기계적 거동을 시뮬레이션할 때는 실제 응력-변형률 곡선을 사용해야 합니다.

항복 강도 결정 방법

유의미한 항복 현상이 없는 금속의 경우 규정된 비비례 연신율 또는 잔류 인장 변형률 하에서 인장 강도를 측정할 수 있습니다.

항복 현상이 현저한 금속의 경우 항복 강도, 항복 상한 강도, 항복 하한 강도를 측정할 수 있습니다.

상한 및 하한 항복 강도를 측정하는 방법에는 그래픽 방법과 포인터 방법의 두 가지가 있습니다.

그래픽 방법

실험하는 동안 자동 기록 장치를 사용하여 힘-턱 변위 그래프를 그립니다.

각 밀리미터로 표시되는 응력에 대한 힘 축의 비율은 10N/mm 미만이어야 합니다.²로 설정하고 곡선을 적어도 수익률 단계의 끝까지 그려야 합니다.

곡선에서는 항복하는 동안의 일정한 힘 Fe, 항복 단계에서 힘이 처음 감소하기 전의 최대 힘 Feh 또는 초기 순간 효과 이전의 최소 힘 FeL이 결정됩니다.

항복 강도, 항복 상한 강도, 항복 하한 강도는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:

항복 강도 계산 공식: Re = Fe/So; Fe는 항복 시 일정한 힘입니다.

항복 강도 상한 계산 공식: Reh = Feh/So; Feh는 항복 단계에서 힘이 처음 감소하기 전의 최대 힘입니다.

항복 강도 계산 공식: ReL = FeL/So; FeL은 초기 순간 효과가 발생하기 전의 최소 힘입니다.

포인터 방법

실험 중 힘 게이지의 포인터가 일정한 힘 또는 첫 번째 반환 전 최대 힘 또는 초기 순간 효과 전 최소 힘에서 회전을 멈추면 각각 항복 강도, 상한 항복 강도 및 하한 항복 강도에 해당합니다.

수율 강도에 영향을 미치는 요인

항복 강도에 영향을 미치는 내부 요인으로는 결합, 미세 구조, 구조, 원자 특성 등이 있습니다.

수익률 비교 금속의 강도 세라믹 및 폴리머를 사용한 실험은 본딩의 효과가 근본적이라는 것을 보여줍니다.

미세 구조의 영향 측면에서 금속 재료의 항복 강도에 영향을 미치는 네 가지 강화 메커니즘이 있는데, 이는 다음과 같습니다:

(1) 고체 솔루션 강화;

(2) 스트레인 경화;

(3) 강수량 강화 및 분산 강화;

(4) 입자 경계 및 하위 입자 강화. 강수 강화 및 미세 입자 강화는 산업용 합금의 항복 강도를 향상시키는 데 가장 일반적으로 사용되는 수단입니다.

이러한 강화 메커니즘 중 처음 세 가지 메커니즘은 재료의 강도를 높이는 동시에 가소성을 감소시킵니다.

입자 크기와 하위 입자를 세분화하는 것만으로도 소재의 강도와 가소성을 높일 수 있습니다.

항복 강도에 영향을 미치는 외부 요인으로는 온도, 변형률, 응력 상태 등이 있습니다.

온도가 낮아지고 변형률이 증가함에 따라 재료의 항복 강도가 증가하며, 특히 몸체 중심의 입방 금속은 온도와 변형률에 특히 민감하여 강철의 저온 취성 파괴로 이어집니다.

 응력 상태의 영향도 중요합니다. 항복 강도는 재료의 고유한 성능을 반영하지만 응력 상태에 따라 항복 강도 값도 달라집니다.

일반적으로 재료의 항복 강도는 일반적으로 일축 장력 하에서의 항복 강도를 말합니다.

일반적인 재료와 그 수율 강도

항복 강도 테스트 방법

항복 강도 테스트는 재료 강도 특성을 나타내는 중요한 지표이자 재료 성능의 중요한 지표입니다.

일반적으로 재료 표면 강도와 플라스틱 성능을 평가하는 데 사용됩니다.

항복 강도 테스트 방법은 일반적으로 기계적 테스트와 비기계적 테스트의 두 가지 유형으로 나뉩니다.

기계적 항복 강도 테스트: 

이 방법에는 일반적으로 3점 굽힘, 인장 시험기 방법, 압축 방법이 포함됩니다. 샘플을 두 지지대 사이에 놓고 기계 장치를 사용하여 일정한 힘을 가하여 항복 강도를 결정합니다.

비기계적 항복 강도 테스트:

이 방법에는 일반적으로 인장, 압축 및 비틀림 방법이 포함됩니다. 샘플을 테스트 기기에 장착하고 레버 또는 컴퓨터 제어를 사용하여 일정한 힘을 가하여 항복 강도를 결정합니다.

항복 강도 테스트의 정확도와 정밀도를 높이려면 일반적으로 필요한 조건에서 여러 번 테스트를 수행하여 평균값을 구해야 합니다.

모든 실험에서 시료의 처리는 표준화되고 완전해야 하며, 가해진 힘 하에서 시료가 일정하게 유지되어야 합니다. 최종 항복 강도는 재료가 가해진 하중 하에서 구부러질 수 있는 최대 강도입니다.

결론

이 글을 통해 항복 강도의 정의, 응력과 변형률의 기본, 항복 강도 결정 방법, 항복 강도에 영향을 미치는 요인, 항복 강도의 응용에 대해 알아보았습니다.

이 정보가 모든 분들께 도움이 되길 바랍니다.

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