재료의 기계적 성질 (1) -변형량과 포아송비 / 재료의 기계적 거동 및 성질 (연성-단면감소율,신장 백분율/인성)

우선 변형률은 재료에 응력을 가해주었을때의 변형량을 본래 재료의 길이로 나눈값

\(\epsilon\) = \(\frac{\delta}{L}\)을 사용하게 됩니다.

금속재료에 인장응력을 가해주면 (z축 방향으로)

\(\epsilon_z\) 의 변형률이 나타나게 됩니다. 이때 z축 방향으로 재료가 늘어나며

x축과 y축 방향으로의 수축이 일어나게 됩니다.

이때 사용할 수 있는 것이 포아송비(v)로

v=-\(\frac{\epsilon_x}{\epsilon_z}\)=-\(\frac{\epsilon_y}{\epsilon_z}\) 로 정의 됩니다.

이때 음수부호 -를 붙이는 이유는 x축과 y축으로의 변형률이 수축으로 음수이기 때문입니다.

따라서 푸아송비는 양수가 되게 됩니다.

이때 등방성 재료에 대해서는 전단계수와 탄성계수, 포아송비 사이에 이러한 관계가 성립됩니다.

E=2G(1+v)

많은 물질은 이방성의 특성을 지니므로 (E가 결정방향에 따라 변함) 이 식을 쓰기에는 굉장히 범위가 좁습니다.

 

 대부분의 금속재료는 탄성->선형가공경화의 영역을 지나게 됩니다.

 탄성영역을 지나면 바로 소성변형이 일어나게 되는데, 대부분은 약 0.005의 변형률까지만 탄성영역이 지속이 됩니다.

 이후 탄성에서 소성으로의 전이가 점진적으로 일어나게 됩니다. 

 자세히 살펴보면, 소성변형은 원래 이웃하는 원자와의 결합을 깨고 다른 새로운 원자와 결합하여 (전위의 이동) 발생하게 됩니다.

이러한 거동을 변형률과 응력의 그래프로 살펴보면 항복이라는 특성을 찾을 수 있게 되는데,

 

재료의 기계적 거동

 그림으로 살펴보면 A점까지 탄성영역이 지속되다가 항복이 일어나 이후 소성변형이 일어나게 됩니다.

 이러한 항복이 일어나는 점까지의 직선을 비례한도라고 하며 항복점의 응력을 항복강도라고 합니다.

 이후 B점에서 응력이 최대가 되며 네킹이 발생하고 응력이 감소하다 파괴가 일어나게 됩니다.

 이때 B점의 강도를 인장강도라고 합니다.

 이러한 거동을 갖게되는데에는 여러가지 재료의 성질이 원인이 되는데

 몇가지 예시를 들어보겠습니다.

 첫번째로는 연성이 있습니다.

 연성은 파괴가 일어날때 까지의 소성변형의 정도를 나타내는 것으로 소성변형의 정도가 큰 것을 연성재료, 그 반대로 탄성 영역이후 곧바로 파단이 일어나는 재료를 취성재료라고 합니다.

 연성은 그 정도에 따라 %로 나타낼 수 있으며 신장백분율과 단면 감소율을 사용합니다.

 우선 신장 백분율은 (%EL) = \(\frac{l_f-l_0}{l0}\)*100 으로 나타내는데, 이것은 파괴시에 재료의 길이 변화를 

나타냅니다.

 %EL의 양은 재료의 표점 길이에 따라 달라지는데, \(l_0\) 값이 커지면 신장 백분율의 값은 작아지게 됩니다.

 단면감소율 (%RA)은 말 그대로 단면적의 감소율을 뜻하고 \(\frac{A_f-A_0}{A0}\)*100으로 나타냅니다.

 이러한 연성은 온도에 따라서도 달라지는데, 온도가 낮아지면 연성이었던 금속도 취성이 될 수가 있습니다.

 두번째로는 인성이 있는데

 인성은 여러가지 의미를 가지는데 그중 하나가 균열이 존재할때 재료가 갖는 파괴에 대한 저항성을 나타내고 이는 곧    파괴가 일어나기까지 재료의 에너지 흡수력을 의미합니다.

 인성 값은 응력-변형률 곡선에서 파괴까지의 밑면적으로 정의 됩니다.