1. 소개
스트레스와 변형은 재료 과학 및 기계 공학의 기본 개념입니다., 부하에서 재료의 성능과 실패를 결정하는 데 중요한 역할을합니다..
이러한 특성은 구조 설계에서 필수적입니다, 조작, 실패 분석.
응력은 내부 저항을 말합니다, 변형은 그 응력에 대한 응답으로 재료의 변형을 측정합니다..
그들의 관계를 이해하면 엔지니어가 적절한 자료를 선택하는 데 도움이됩니다, 실패 지점을 예측합니다, 다양한 응용 프로그램에 대한 설계를 최적화합니다, 다리와 항공기에서 미세 전자 공학까지.
이 기사는 스트레스와 긴장에 대한 심층 분석을 제공합니다., 그들의 정의를 탐구합니다, 수학적 제형, 테스트 방법, 영향을 미치는 요인, 및 산업 응용.
2. 스트레스와 긴장의 기초
스트레스는 무엇입니까?
스트레스 (에이) 재료 내에서 단위 면적당 적용되는 힘. 내부 힘이 외부 하중에 저항하는 방법을 정량화하고 수학적으로:
σ = f ÷ a
어디:
- 에프 적용된 힘입니다 (N),
- 에이 단면적입니다 (m²).
스트레스의 유형
- 인장 응력: 재료를 분리합니다, 길이 증가 (예를 들어, 스틸 와이어 스트레칭).
- 압축 응력: 재료를 함께 누릅니다, 길이를 줄입니다 (예를 들어, 콘크리트 기둥 압축).
- 전단 응력: 재료의 인접한 층이 서로 지나가게합니다. (예를 들어, 볼트 조인트에 작용하는 힘).
- 비틀림 스트레스: 비틀림의 결과 (예를 들어, 회전 샤프트에 적용됩니다).
스트레스의 유형
변형이란 무엇입니까??
부담 (이자형) 응용 응력으로 인한 재료의 변형 척도입니다.. 원래 길이 대 길이의 변화의 비율을 나타내는 치수가없는 수량입니다.:
E = ΔL ÷ L0
어디:
- ΔL 길이의 변화입니다 (중),
- L0 원래 길이입니다 (중).
변형의 유형
- 정상적인 변형: 인장 또는 압축 응력으로 인해 발생합니다.
- 전단 변형: 각도 왜곡 결과.
3. 스트레스 대 관계와 관계. 부담
간의 관계를 이해합니다 스트레스 그리고 부담 재료 과학 및 공학의 기본입니다.
이 관계는 재료가 외부 힘에 어떻게 반응 할 것인지 예측하는 데 도움이됩니다., 다양한 응용 분야에서 구조적 무결성과 신뢰성을 보장합니다, 교량 및 항공기에서 의료 임플란트 및 소비자 제품까지.
Hooke의 법칙: 탄성 관계
에서 탄성 영역, 대부분의 재료는 a 선형 관계 스트레스 사이 (시그마 아스) 그리고 긴장 (e varepsilone), 에 의해 통제됩니다 Hooke의 법칙:
σ = e ⋅ e
어디:
- σ = 응력 (pa 또는 n/m²)
- e = 영률 (탄성 계수, PA에서)
- e = 변형 (차원이 없습니다)
이 방정식은 재료 내에서이를 의미합니다 탄성 한계, 스트레스와 변형은 직접 비례합니다.
부하가 제거되면, 재료는 원래 모양으로 돌아갑니다. 의 가치 영률 재료의 강성을 결정합니다:
- 높은 e (예를 들어, 강철, 티탄) → 뻣뻣하고 덜 유연합니다
- 낮은 e (예를 들어, 고무, 폴리머) → 유연하고 쉽게 변형됩니다
예를 들어, 강철은 젊은 모듈러스가 있습니다 ~ 200 GPA, 알루미늄보다 훨씬 단단하게 만듭니다 (~ 70 GPA) 또는 고무 (~ 0.01 GPA).
탄성 대. 소성변형
Hooke의 법칙은 탄성 영역, 재료는 결국 a에 도달합니다 항복점 변형이되는 곳 영구적인.
- 탄성 변형: 응력이 제거 된 후 재료가 원래 모양으로 돌아갑니다..
- 소성변형: 재료는 돌이킬 수없는 변화를 겪고 원래 모양으로 돌아 가지 않습니다..
응력-변형 곡선 및 키 포인트
에이 응력-변형 곡선 자재가 하중 하에서 어떻게 행동하는지 그래픽으로 나타냅니다.
- 탄성 영역: Hooke의 법칙에 따른 선형 관계.
- 항복점: 플라스틱 변형이 시작되는 응력 수준.
- 플라스틱 지역: 추가 응력 증가없이 변형이 계속됩니다.
- 최고의 인장 강도 (UTS): 재료가 견딜 수있는 최대 응력.
- 골절점: 재료는 과도한 스트레스로 파손됩니다.
을 위한 연성 재료 (예를 들어, 알류미늄, 연강), 플라스틱 변형은 고장 전에 발생합니다, 파손되기 전에 에너지 흡수를 허용합니다.
취성 재료 (예를 들어, 유리, 도예) 플라스틱 변형이 거의 또는 전혀 없으면 갑자기 골절.
요약표: 스트레스-변형 관계
| 특징 | 탄성 영역 | 플라스틱 지역 |
|---|---|---|
| 정의 | 스트레스와 변형은 비례합니다 | 영구 변형이 발생합니다 |
| 법률 관리 | Hooke의 법칙 | 비선형 플라스틱 거동 |
| 가역성 | 완전히 뒤집을 수 있습니다 | 뒤집을 수 없는 |
| 항복점? | 아니요 | 예 |
| 예제 자료 | 강철 (탄성 범위 내), 고무 (낮은 변형) | 구리, 알류미늄 (높은 스트레스로) |
4. 스트레스 및 변형 행동에 영향을 미치는 요인
영향을 미치는 요소를 이해합니다 스트레스 그리고 부담 행동은 재료 선택에 중요합니다, 설계, 성능 분석.
다양한 고유 및 외적 요인이 물질이 적용된 힘에 반응하는 방식에 영향을 미칩니다., 그들의 힘에 영향을 미칩니다, 연성, 탄력, 스트레스 하에서 전반적인 행동.
이러한 요소를 심도있게 살펴 보겠습니다.
재료 조성 및 미세 구조
원자 및 분자 구조
물질에서 원자 또는 분자의 배열은 기계적 특성을 결정하고, 따라서, 스트레스에 따른 행동.
재료 다른 결합 유형으로 (공유, 금속성, 이온, 등.) 변형에 대한 뚜렷한 반응을 나타냅니다.
- 궤조: 일반적으로 높은 연성을 나타내며 실패 전에 실질적인 플라스틱 변형을 견딜 수 있습니다..
그들의 원자 구조 (크리스탈 격자) 탈구가 움직일 수 있습니다, 스트레스와 긴장을 효과적으로 흡수 할 수 있습니다. - 중합체: 분자 사슬은 중합체 유형에 따라 다르게 반응합니다. (열가소성, 열량 세트, 엘라스토머).
예를 들어, 엘라스토머는 낮은 스트레스 하에서 고도로 변형 가능합니다, 온도 나 응력이 발생한 후에도 열경이 부서지기 쉬울 수 있습니다.. - 도예: 이들은 일반적으로 이온 성 또는 공유 결합을 갖는다, 힘을 제공하지만 탈구 운동을 제한합니다.
결과적으로, 세라믹은 스트레스를받는 경우 쉽게 골절하는 경향이 있습니다, 플라스틱 변형이 거의 없습니다.
곡물 구조
크기와 방향 작살 (금속의 결정 구조) 스트레스 대 크게 영향을 미칩니다. 변형 행동:
- 세분화 된 재료: 곡물 경계가 탈구 이동을 방해하기 때문에 일반적으로 인장 강도가 향상되고 골절에 대한 내성이 높아집니다..
- 거친 입자 재료: 탈구 사이의 더 먼 거리로 인해 더 높은 연성이지만 인장 강도가 높을 수 있습니다., 스트레스 하에서 실패하기 쉬운 경향이 있습니다.
단계와 합금
합금에서, 다른 단계의 존재 또는이 단계의 분포 (예를 들어, 강철의 페라이트와 펄라이트) 스트레스와 변형 행동에 영향을 미칩니다. 예를 들어:
- 강철 합금: 합금 조성을 변경함으로써, 엔지니어는 재료의 항복 강도를 조정할 수 있습니다, 인성, 특정 성능 요구 사항을 충족하는 경도.
온도
온도는 결정에 중요한 역할을합니다 기계적 성질 재료의, 그들의 영향 탄력 있는 그리고 플라스틱 행동.
- 고온에서, 금속은 일반적으로 연성이됩니다, 그리고 그들의 항복 강도는 감소합니다.
예를 들어, 알류미늄 높은 온도에서 훨씬 더 가단성이됩니다, ~하는 동안 강철 경도 감소를 경험할 수 있습니다. - 저온에서, 재료는 더욱 부서지기 쉬운 경향이 있습니다. 예를 들어, 탄소강 -40 ° C 미만의 온도에서 부서지기 쉬워집니다, 스트레스 하에서 균열을 일으키는 경향이 더 큽니다.
열팽창
가열하면 재료가 팽창하고 냉각시 수축합니다, 재료가 부하에서 수행하는 방식에 영향을 줄 수있는 내부 응력을 유발합니다..
다리 나 파이프 라인과 같은 큰 구조물에서, 온도로 인한 팽창 및 수축으로 이어질 수 있습니다 열 응력.
변형율 (변형 속도)
그만큼 변형률 스트레스로 재료가 변형되는 속도입니다.. 스트레스가 얼마나 빨리 적용되는지에 따라 재료가 다르게 행동 할 수 있습니다.:
- 느린 변형 (낮은 변형률): 재료는 세밀하게 변형 할 시간이 더 많습니다, 그리고 재료의 응력-변형 곡선은 더 큰 연성을 나타내는 경향이 있습니다..
- 빠른 변형 (높은 변형률): 재료는 단단하고 강한 경향이 있습니다, 그러나 그들의 연성은 감소합니다.
이것은 사용 된 재료에 특히 중요합니다 충돌 테스트 (예를 들어, 자동차 충돌 분석) 또는 탄도 영향.
예:
- 고속 금속 형성 (좋다 단조 또는 구르는), 변형률이 높습니다, 금속은 그로 인해 강도가 증가 할 수 있습니다 변형 효과.
거꾸로, 낮은 변형률로, 느린 장력 테스트 중, 금속은 변형 할 시간이 더 많습니다, 연성이 높아집니다.
로드 유형 및 크기
길 스트레스 적용되는 것은 재료의 반응에 영향을 미칩니다:
- 인장 응력: 재료가 늘어납니다, 신장에 대한 저항이 테스트됩니다.
이것은 일반적으로 연성 물질에서 상당한 성소 변형을 초래합니다., 부서지기 쉬운 재료는 더 일찍 골절 될 수 있습니다. - 압축 응력: 압축은 일반적으로 재료 변형이 짧아지고 다른 고장 메커니즘을 초래할 수 있습니다..
예를 들어, 콘크리트는 압축 강도가 높지만 장력이 약합니다.. - 전단 응력: 전단 응력은 물질의 표면과 평행하게 작용하는 힘을 포함합니다..
전단 강도가 좋은 재료, 특정 강처럼, 전단 응력 아래에서 잘 수행됩니다, 다른 사람들은 변형되거나 조기에 실패 할 수 있습니다.
하중의 크기 또한 역할을합니다:
- 높은 하중 재료를 그들의 자료로 밀어 넣을 수 있습니다 플라스틱 변형 지역, 모양이 크게 변화합니다.
- 낮은 부하 자료를 안에 보관하십시오 탄성 영역, 스트레스가 제거 된 후 원래 모양으로 돌아갈 수있는 곳.
환경적 요인
환경 조건은 재료의 스트레스 변형 거동에 크게 영향을 줄 수 있습니다.. 일반적인 환경 적 요인은 다음과 같습니다:
- 부식: 수분의 존재, 염류, 또는 다른 부식제는 재료를 약화시킬 수 있습니다, 인장 강도와 연성을 줄입니다.
예를 들어, 녹 강철은 긴장을 견딜 수있는 능력을 줄이고 조기 실패로 이어질 수 있습니다.. - 피로: 스트레스 대 반복주기 대. 변형은 시간이 지남에 따라 물질 분해를 유발할 수 있습니다, 최대 적용 응력이 항복 강도 아래에 있더라도.
이것은 응용 프로그램과 같은 응용 프로그램에서 중요합니다 항공우주 그리고 자동차 부품, 재료가 주기적 하중을받는 곳. - 방사: 핵 환경에서, 방사선이 발생할 수 있습니다 취성 금속 및 폴리머, 골절 전에 변형하는 능력을 줄입니다.
불순물 및 결함
의 존재 불순물 (강철의 탄소 또는 금속의 황처럼) 또는 결함 (균열이나 공극과 같은) 재료가 스트레스에 반응하는 방식을 크게 바꿀 수 있습니다:
- 불순물 재료 내에서 약점으로 작용할 수 있습니다, 스트레스에 집중하고 조기 실패로 이어집니다.
- 결함, 특히 내부, 만들 수 있습니다 스트레스 농축기 이로 인해 재료가 하중 하에서 골절되기 쉬운 재료가됩니다.
예를 들어, 금속 시편의 작은 균열은 스트레스 라이저,
전체 재료 강도를 줄이고 균일 한 재료로 예측되는 것보다 훨씬 낮은 응력 수준에서 파괴를 초래합니다..
로딩 기록
그만큼 스트레스와 긴장의 역사 재료가 적용된 것은 그 행동에 중요한 역할을합니다.:
- 적용된 재료 순환 로딩 (반복적 인 하중 및 언로드) 경험할 수 있습니다 피로 그리고 개발 균열 시간이 지남에 따라 전파됩니다.
- 겪는 자료 사전 통과 또는 일을 강화합니다 응력-변형 특성이 변경 될 수 있습니다, 항복 강도 증가 및 연성 감소와 같은.
예: 작업 하드형 스틸 탈구가 축적됨에 따라 더 강해집니다, 추가 변형에 더 저항력이 있지만 덜 연성.
5. 측정 및 실험 기술
정확한 측정 및 이해 스트레스 대. 부담 행동은 재료 과학 및 엔지니어링 응용 분야에서 매우 중요합니다..
이러한 특성은 재료가 다른 부하와 다양한 환경 조건에서 어떻게 수행되는지 결정합니다..
정량화하기 위해 다양한 실험 기술과 방법이 개발되었습니다. 스트레스 대. 부담, 엔지니어가 더 안전하고 효율적인 구조 및 제품을 설계 할 수 있도록.
이 섹션은 가장 일반적으로 사용되는 기술을 탐구합니다., 그들이 어떻게 작동하는지, 그리고 재료의 기계적 특성을 평가할 때 각각의 중요성.
5.1 변형 측정 기술
스트레인 게이지
스트레인 게이지 변형을 측정하기 위해 가장 널리 사용되는 도구 중 하나입니다.. 스트레인 게이지는 얇습니다, 스트레스를받을 때 변형되는 전기 저항 장치.
이 변형은 전기 저항의 변화를 유발합니다, 물질이 경험하는 변형률과 측정하고 상관 될 수 있습니다..
- 작동 원리: 스트레인 게이지는 유연한 백업에 부착 된 미세 금속 또는 호일의 그리드로 구성됩니다..
스트레인 게이지가 부착 된 재료가 변형되는 경우, 그리드도 변형됩니다, 저항 변경. 이 변화는 물질의 긴장에 비례합니다.. - 스트레인 게이지의 유형: 몇 가지 유형이 있습니다, 포함 박, 철사, 그리고 반도체 스트레인 게이지.
포일 유형은 가장 일반적이며 엔지니어링 응용 분야에서 변형을 측정하는 데 널리 사용됩니다.. - 응용: 스트레인 게이지는 재료의 스트레스 테스트에 사용됩니다, 구조 건강 모니터링, 중요한 구성 요소의 성능을 평가하기위한 항공 우주 및 자동차 산업조차도.
디지털 이미지 상관관계 (DIC)
디지털 이미지 상관관계 (DIC) 변형을 측정하기위한 광학 방법입니다. 한 쌍의 고해상도 카메라를 사용하여 다양한 변형 단계에서 재료 표면의 이미지를 캡처합니다..
특수 소프트웨어는 변형을 측정하기 위해 표면 패턴의 변화를 추적합니다..
- 작동 원리: DIC는 임의의 반점 패턴을 적용하여 작동합니다 (종종 흑백) 재료의 표면에.
재료가 변형되어, 스펙 클 패턴이 움직이고 소프트웨어는 변위와 변형을 계산하기 위해 다른 이미지에서 얼룩의 위치와 관련이 있습니다.. - 장점: DIC는 전체 필드 변형 측정을 제공합니다, 복잡한 재료 및 변형을 분석하는 데 이상적입니다.
또한 3D로 변형을 측정하는 데 사용할 수 있으며 시편과 직접 접촉 할 필요가 없습니다.. - 응용: 이 기술은 연구 개발에 사용됩니다, 인장 또는 압축 하중 하에서 물질 행동을 연구하는 것을 포함합니다, 피로 테스트, 그리고 골절 역학.
extensometers
안 확장기 하중 아래 표본의 신장 또는 수축을 측정하는 데 사용되는 장치입니다..
테스트 시편에 부착하고 테스트 중 길이의 변화를 모니터링하는 변위 센서 세트로 구성됩니다..
- 작동 원리: 신장계는 시편의 두 지점 사이의 변위를 측정합니다., 일반적으로 게이지 길이의 중앙에 있습니다.
이 지점 사이의 상대 변위는 변형 값을 제공합니다.. - 신장계의 유형: 여기에는 다음이 포함됩니다 Extensometers에 문의하십시오 (시편에 물리적으로 닿는다),
비접촉 (광학) extensometers, 그리고 레이저 ecrensometers (시편에 닿지 않고 거리를 측정하기 위해 레이저 빔을 사용하여). - 응용: 신근계는 널리 사용됩니다 인장 테스트 그리고 압축 테스트, 정확한 변형 측정을 제공합니다.
5.2 응력 측정 기술
로드 셀
로드 셀 힘을 측정하는 데 사용되는 센서입니다 (또는로드) 시편에 적용됩니다, 스트레스의 직접적인 척도를 제공합니다.
이 장치는 기계적 힘을 측정하고 기록 할 수있는 전기 신호로 변환합니다..
- 작동 원리: 로드 셀은 일반적으로 사용됩니다 스트레인 게이지 감지 요소로.
하중이 적용될 때, 스트레인 게이지가 변형됩니다, 이 변형은 전기 저항 변화로 변환됩니다., 이는 적용된 힘에 해당합니다. - 하중 셀의 유형: 하중 셀의 주요 유형에는 다음이 포함됩니다 단일 포인트로드 셀, S 형 부하 셀, 캐니스터 하중 세포, 그리고 빔 하중 셀.
각 유형에는 측정 요구 사항 및로드 구성에 따라 특정 응용 프로그램에. - 응용: 로드 셀이 사용됩니다 인장 시험기, 압력 테스트, 그리고 산업 계량 시스템, 직접적인 힘을 측정합니다, 스트레스를 계산하는 데 사용할 수 있습니다.
응력 농도 측정
응력 농도는 기하학적 불연속에서 발생합니다 (예를 들어, 노치, 구멍, 그리고 날카로운 모서리) 그리고 종종 재료의 실패 영역입니다.
이것들은 사용하여 측정 할 수 있습니다 광 탄력성 또는 유한 요소 분석 (FEA).
- 광 탄력성: 이 기술은 스트레스를받는 투명한 재료에 편광을 적용하는 것과 관련이 있습니다..
재료는 스트레스 분포를 나타내는 주름을 보여줍니다., 스트레스 농도 영역을 감지하기 위해 분석 할 수 있습니다. - 유한요소해석 (FEA): FEA는 부하 하의 재료 또는 구조 내의 응력 분포를 시뮬레이션하는 데 사용되는 계산 방법입니다.
재료를 모델링하고 하중을 적용함으로써, 엔지니어는 동작을 분석하고 스트레스 농도가 높은 영역을 식별 할 수 있습니다.. - 응용: 응력 농도 측정은 항공우주, 자동차, 그리고 토목공학 중요한 구성 요소의 안전성과 내구성 보장을위한 산업.
스트레스 분석을위한 Mohr의 원
Mohr 's Circle은 재료 내의 한 지점에서 응력 상태를 결정하는 그래픽 방법입니다., 특히 2 차원 응력 상황의 경우.
엔지니어는 다른 방향에서 정상 및 전단 응력을 계산할 수 있습니다., 응용력에 대한 재료의 반응에 대한 귀중한 통찰력 제공.
- 작동 원리: Mohr 's Circle은 주요 스트레스를 사용합니다 (최대 및 최소 응력) 그리고 주어진 지점에서 전단 응력을 만들어 원을 생성합니다..
원의 점은 재료 내 다른 평면의 응력에 해당합니다.. - 응용: Mohr의 원은 구조 분석에 사용됩니다, 재료 테스트, 실패 분석, 특히 재료에 복잡한 하중 조건이 적용되는 경우.
5.3 결합 된 스트레스 및 변형 테스트
보편적 인 테스트 기계 (UTMS)
에이 범용 테스트 머신 재료의 기계적 특성을 테스트하는 데 사용되는 필수 장치입니다., 인장 포함, 압축, 굽힘 테스트.
이 기계는 둘 다 측정합니다 스트레스 대. 부담 힘을 적용하는 동안.
- 작동 원리: UTMS는 시편에 제어력을 적용하고 해당 변위 또는 신장을 측정합니다..
그런 다음 힘과 변위 데이터는 응력 대 스트레스를 계산하는 데 사용됩니다.. 부담, 응력-변형 곡선 생성. - 응용: UTM은 금속 테스트에 널리 사용됩니다, 폴리머, 복합재, 그리고 다른 재료. 그들은 중요합니다 재료 테스트 실험실, 품질 관리, 그리고 아르 자형&디 다양한 산업에서.
피로 테스트에서 결합 된 변형 및 응력 측정
~ 안에 피로 테스트, 재료는 주기적 하중에 적용됩니다, 그리고 스트레스 vs. 재료가 반복적 인 응력 하에서 어떻게 행동하는지 이해하려면 변형을 동시에 측정해야합니다..
굽힘 피로 기계 회전 또는 서보 하이드라운드 테스트 기계 이 목적으로 종종 사용됩니다.
- 작동 원리: 기계는 순환 적재를 적용하고 재료는 두 스트레스 모두에 대해 모니터링됩니다. (로드 셀을 통해) 그리고 긴장 (신장 미터 또는 스트레인 게이지를 통해).
결과 데이터는 재료의 피로 수명 및 실패 모드를 예측하는 데 중요합니다.. - 응용: 피로 테스트는 같은 산업에서 필수적입니다 자동차, 항공우주, 그리고 에너지 반복적 인 하중을받은 구성 요소의 신뢰성과 내구성을 보장하기 위해.
6. 스트레스 대 비교. 부담
스트레스 대 스트레스와 관계를 이해합니다. 긴장은 엔지니어가 안전한 설계에 중요합니다, 효율적인, 내구성있는 재료와 구조.
주요 차이점 요약
| 측면 | 스트레스 | 부담 |
|---|---|---|
| 정의 | 단위 영역 당 내부 힘 | 재료 변형 또는 변위 |
| 단위 | 파스칼 (아빠), 메가 파스카 (MPa) | 차원이 없습니다 (비율) |
| 수량 유형 | 텐서 (크기와 방향) | 스칼라 (크기 만) |
| 자연 | 외부 힘에 의해 발생합니다 | 응력 유발 변형으로 인해 발생합니다 |
| 재료 행동 | 재료의 저항을 결정합니다 | 재료 변형을 측정합니다 |
| 탄성/플라스틱 | 탄성이거나 플라스틱 일 수 있습니다 | 탄성이거나 플라스틱 일 수 있습니다 |
| 예 | 금속 막대의 지역 당 힘 | 장력 아래 금속 막대의 신장 |
7. 결론
스트레스와 긴장은 공학 및 재료 과학의 기본 개념입니다..
그들의 관계를 이해하면 엔지니어가 재료 성능을 최적화하는 데 도움이됩니다, 안전을 향상시킵니다, 실패에 저항하는 설계 구조.
테스트 및 계산 시뮬레이션의 발전으로, 산업은 다양한 부문의 제품의 내구성과 효율성을 향상시킬 수 있습니다..
응력-변형 분석을 마스터함으로써, 전문가는 재료 선택에 대한 정보에 근거한 결정을 내릴 수 있습니다, 구조적 완전성, 그리고 혁신적인 디자인, 엔지니어링 애플리케이션의 장기 신뢰성 보장.
