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3 장 재료의 기계적 성질

3 장 재료의 기계적 성질. < 표준시편 >. 3.1 인장시험과 압축시험. 강도 (strength): 과도 변형이나 파괴 없이 하중을 지탱할 수 있는 능력. 실험적으로 결정되는 재료의 기계적 물성치 , 실험방법은 ASTM 등에서 정하는 표준 시험법에 따른다. < 측정장치 > load 측정 : load cell elongation(  ) 측정 : caliper, extensometer strain (  ) 측정 : stain gauge. 극한응력. 비례한도. 파단응력.

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3 장 재료의 기계적 성질

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  1. 3장 재료의 기계적 성질 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  2. <표준시편> 3.1 인장시험과 압축시험 강도(strength):과도 변형이나 파괴 없이 하중을 지탱할 수 있는 능력. 실험적으로 결정되는 재료의 기계적 물성치, 실험방법은 ASTM등에서 정하는 표준 시험법에 따른다. <측정장치> load 측정: load cell elongation() 측정: caliper, extensometer strain () 측정: stain gauge bkhan@wow.hongik.ac.kr

  3. 극한응력 비례한도 파단응력 탄성한도(항복점) 네킹 항복 변형경화 소성거동 탄성거동 3.2 응력-변형률 선도 공칭응력-변형률 선도 Nominal/Engineering stress Ao: 초기 단면적 Nominal/ Engineering strain Lo: 초기 길이 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  4. 나일론의 인장시험 진응력-변형률 선도(true stress- true stain diagram) A는 하중 P에서의 실제 단면적 True stress Logarithmic strain l은 하중 P에서의 실제 길이 탄성 및 항복 영역에서는 공칭 응력-변형률 선도와 거의 동일 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  5. 그림 3-6: 연강은 상/하 항복점 존재 pl의 317배 pl의 25배 연강재의 응력-변형률 선도(stress-stain diagram) bkhan@wow.hongik.ac.kr

  6. 3.3 연성재료와 취성재료의 응력-변형률 거동 연성재료(ductile materials):파단 전에 큰 변형률이 발생하는 재료 ex)연강, 황동, 몰리브덴 등 (f값이 큰 재료) 연성의 척도: 퍼센트 신장률(f), 퍼센트 면적 감소율 ex)연강: f =0.380=38% ex)연강: 60% Af는 neck부의 단면적, Ao는 원래 단면적 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  7. 자연 고무의 -선도 Offset 방법 항복 현상이 발생하지 않는 재료는 Offset방법으로 항복강도를 구함. 예) 알루미늄은 0.2% offset방법으로 항복응력을 구한다. 대부분의 탄성거동: 항복 강도  탄성한도  비례한도 자연고무(비탄성거동): 탄성한도  비례한도 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  8. 취성재료(brittle materials): 파손 전 거의 항복을 나타내지 않는 재료 ex)회주철, 콘크리트, 세라믹 등 (f 0인 재료) 파괴 mechanism: crack에 의한 파괴 파손응력: crack의 방향, 크기에 따라 정해짐. 인장 f <<압축 f ( cracks close) 연성/취성 거동 ·탄소강: %C증가  취성 %C감소  연성 ·일반재료: 온도 증가  연성 증가(경도와 강도 감소) 온도 감소  취성 증가(경도와 강도 증가) bkhan@wow.hongik.ac.kr

  9. bkhan@wow.hongik.ac.kr

  10. 다양한 강들의-선도 3.4 후크의 법칙 탄성역 (비례영역):1676년 Robert Hooke가 후크의 법칙 발견 E:초기 curve의 기울기 E: 탄성계수(modulus of elasticity) or 영계수(Young's modulus) From그림 3-6,E값 계산 재료의 탄성계수 값: Est = 29(103) ksi = 200 GPa Erubber= 0.1(103) ksi= 0.7 MPa EAl = 10(103) ksi = 68.9 GPa EBr = 15(103) ksi = 103 GPa ETi = 17.4(103) ksi = 120 Gpa Ewood= 1.4(103) ksi = 9.65 GPa bkhan@wow.hongik.ac.kr

  11. :변형경화(탄성영역증가, 연성감소) E:원자간 힘의 관계를 나타내므로 일정한 값 변형경화(strain hardening) 기계이력(mechanical hysteresis) bkhan@wow.hongik.ac.kr

  12. u 선형 탄성역: 후크 법칙 성립  3.5 변형에너지 단축응력의 경우: F 작용으로 와 가 발생한다면, 에너지가 보존된다면, 변형에너지로 저장된다. 단위체적당의 변형에너지(변형 에너지 밀도: strain energy density): bkhan@wow.hongik.ac.kr

  13. ur 레질리언스 계수(modulus of resilience) ►  = pl일 때의 변형에너지 밀도로, ► 영구 변형 없이 재료가 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 나타냄. bkhan@wow.hongik.ac.kr

  14. Ut 인성계수(modulus of toughness): ► 파단 직전까지의 에너지 흡수 능력 ► Toughness material: high u & large f특성의 재료 ► Toughness는 합금에 따라 달라진다. bkhan@wow.hongik.ac.kr

  15. 예제 3-1 합금강의 인장시험결과에서 0.2% 오프셋 항복강도는? 극한응력과 파단응력은? 항복강도: 극한응력: 파단응력: 탄성계수: bkhan@wow.hongik.ac.kr

  16. 예제 3-2 600 MPa의 응력까지 하중을 가했다가 제거할 때, 영구 변형률은? 하중작용 전과 후의 레질리언스는? 탄성계수: 영구 변형률 oc : 레질리언스: SI unit: 1 J = 1 N· m bkhan@wow.hongik.ac.kr

  17. 예제 3-3 10 kN의 축하중에 의한 신장량을 구하라? 하중이 제거되었을 때의 현상은? 단, Eal=70 GPa이다. 각 구간의 수직응력: y=40 MPa 하중제거 시 구간 AB는 탄성복원 하중제거 시 구간 BC는 소성변형 각 구간의 변형률: 도표에서 막대의 신장량: 소성변형 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  18. 3.6 포아송비(Poisson's ratio;) Poisson's ratio 무차원 물성치 0    0.5: =0: no lateral strain =0.5: no volume change 무공성 재료의 경우 대략1/4 <  < 1/3 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  19. 예제 3-4 A-36강 막대에 P=80 kN이 작용할 때, 막대의 길이 변화와 단면의 변화는? 단 재료는 단성거동을 한다. 수직응력: 수직변형률: 막대의 축방향 신장량: 횡방향 변형률: 횡방향 단면치수 변화: bkhan@wow.hongik.ac.kr

  20. Pure shear ultimate shear stress fracture shear stress proportional limit 3.7 전단 응력-변형률 선도 실험(얇은 관의 torsion 실험) 결과: T-  관계 -관계 G: 전단탄성계수/강성계수 (Shear modulus of elasticity/modulus of rigidity) ex) 76 GPa bkhan@wow.hongik.ac.kr

  21. σo σo dy (1+εy)dy dx (1+εx)dx E, , G의 관계 (대개의 경우,측정이 어려우므로,E와G를 측정하고는 계산) bkhan@wow.hongik.ac.kr

  22. 예제 3-5 전단탄성계수 G와 비례한도, 극한 전단응력는? 탄성역에서 전단력 V에 의한 윗면의 최대 탄성 수평변위 d와 전단력 V는? 전단 탄성계수: 비례한도: 극한응력: 최대 탄성변위: 전단력 V: bkhan@wow.hongik.ac.kr

  23. 예제 3-6 Do=25 mm, Lo=250 mm인 시험편에 165 kN축방향력에 의해 표점거리가 1.20 mm신장될 때, 재료의 탄성계수는? 직경의 수축량은? 단, Gal= 26 GPa, y=440 MPa이다. 탄성계수: 평균 수직 응력 평균 수직 변형률 직경의 수축량: bkhan@wow.hongik.ac.kr

  24. 3.8 크립과 피로에 의한 재료의 파손 Creep: 일정 응력 하에서 시간에 따라 strain증가(time증가creep증가 ) ex. 고온의 금속, ceramic, 상온의 polymer 등 creep strength: 주어진 시간에 허용 strain이 나타나는 초기응력 값 bkhan@wow.hongik.ac.kr

  25. 피로(fatigue) σ< y인 반복하중이 작용할 때, 미소 영역(보통 부재의 표면)에서 응력집중  crack 발생 crack 성장  단면적 부족  급속한 파괴 내구한계(endurance limit) or 피로한계(fatigue limit) bkhan@wow.hongik.ac.kr

  26. 3장 의견 및 질문은? 시험준비는 잘 되고 있는지? 연습문제 및 복습문제를 유형별로 선택하여 풀어 봄으로써 자신의 성취도를 확인하기 바라며, 자유롭게 질문 해주기 바람. bkhan@wow.hongik.ac.kr

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