기계적 성질

2024.04.29 - [Note] - 기계적 성질(Mechanical Properties)

기계적 성질(Mechanical Properties)

 

기계적 성질에 대하여 이야기를 나누거나 문의사항을 연락할때 응력에 관하여 말씀하시는 분이 많았고 큰 차이는 없지만 금속과 플라스틱에서 쓰는 단어 차이등을 생각하다.

다시 작성하게 됩니다.

기계적 성질은 재료가 외부 힘에 반응하는 방식을 나타내는 특성입니다.

이는 재료의 강도, 경도, 연성, 탄성 등을 포함하고, 재료의 성능과 적용 가능성을 결정짓는 핵심 요소중 하나라고 하는데요.

기계적 성질을 이해하고 분석하는것이 재료 선택과 최적의 설계의 필수적 요소중 하나라고 다들 말을 합니다.

1. 응력 (Stress)

재료에 힘이 가해졌을 때 나타나는 변형과 파괴에 대한 저항력의 값

재료 내부에 작용하는 단위 면적당 힘으로 인장, 압축, 전단 응력 등이 있습니다.

변형률(Strain)은 재료의 변형 정도를 나타내는 무차원 값입니다.

응력-변형률 선도는 재료에 가해지는 응력에 따른 변형률의 변화를 그래프 나타낸것으로, 재료의 탄성영역, 소성 영역, 항복점 등 중요한 기계적 특성을 보여줍니다.

2.강도: 재료의 저항력

강도는 재료가 파괴되지 않고 견딜수 있는 최대 응력을 의미합니다.

주요 강도 유형으로는 항복강도, 인장강도, 압축강도, 전단강도가 있으며, 각각 다른 하중 조건에서의 재료 성능을 나타냅니다.

3.경도: 정의와 측정

경도는 재료가 변형에 저항하는 능력을 나타내는 기계적 성질입니다.

주요 측정 방법으로는 브리넬, 로크웰, 비커스 경도 시험이 있으며 이들은 각각 다른 압입자와 하중을 사용하여 재료 표면의 여구 변형을 측정합니다.

3. 경도: 경도와 다른 성질의 관계

경도는 재료의 다른 기계적 성질과 밀접한 관련이 있습니다.

일반적으로 경도가 높을수록 강도와 내마모성이 높지만, 연성은 낮아집니다. 또한 경도 측정은 비파괴적이고 간편하여 재료의 품질 관리와 열처리 효과 확인에 널리 사용되고 있습니다.

4.연성과 취성

연성과 취성은 재료의 변형 및 파괴 특성을 나타내는 중요한 기계적 성질입니다.

이들은 재료 선택과 설계에 큰 영향을 미칩니다.

연성(Ductility)의 특징

연성은 재료가 파괴되기 전에 큰 소성 변형을 겪을 수 있는 능력입니다. 연성재료는 인장 시 길게 늘어나며, 단면적이 감소합니다.

취성(Brittleness)의 특징

취성은 재료가 거의 또는 전혀 소성 변형 없이 갑자기 파괴되는 특성입니다. 취성 재료는 응력 집중에 매우 민감하며 충격에 약합니다.

연성 - 취성 전이

일부 재료는 온도 변화에 따라 연성에서 취성으로 전이됩니다. 이를 연성 -  취성 전이라 부르며, 특히 철강 재료에서 자주 일어나느 중요 현상중 하나입니다.

5. 탄성과 소성

탄성 변형의 특징

탄성 변형은 응력을 제거하면 원래 형태로 완전히 회복되는 가역적 변형입니다. 이 구간에서는 응력과 변형률이 선형 관계를 가지며, 이를 후크의 법칙이라고 부릅니다. 탄성 변형 동안 재료 내부의 원자간 거리만 변하고 원자의 상대적 위치는 변하지 않는다는 연구가 있습니다.

소성 변형의 매커니즘

소성 변형은 응력을 제거해도 영구적인 변형이 남는 비가역적 변형입니다. 소성 변형은 재료 내부의 전위(dislocation)가 이동하면서 발생합니다. 이 과정에서 원자들의 상대적 위치가 바뀌며, 재료의 형태가 영구적으로 변화를 이룹니다.

탄성 한계

탄성 한계는 재료가 탄성 변형만을 유지할 수 있는 최대 응력 값입니다. 이 한계를 넘어서면 재료는 소성 변형을 시작합니다. 탄성한게는 재료선택과 기계설계에 활용에 있어 중요한 기준이 된다고 일커지며, 안전한 사용 범위를 결정하는데 활용이 많이 되고 있습니다.

항복점

항복점은 재료가 탄성 변형에서 소성 변형으로 전환되는 지점입니다. 이 지점에서의 응력을 항복 강도라고 합니다. 명확한 항복점이 없는 재료의 경우 0.2% 영구 변형이 발생하는 지점을 항복 강도로 정의합니다. 항복점은 재료의 소성 변형 시작을 나타내는 중요한 지표입니다.

6. 인성(Toughness)

인성: 재료의 에너지 흡수 능력

인성은 재료가 갑작스러운 충격이나 하중을 견딜 수 있는 능력을 나타냅니다. 높은 인성을 가진 재료는 균열의 진전을 억제하고, 파괴 전에 많은 에너지를 흡수할 수 있습니다. 이는 안정성이 중요한 구조물이나 부품에서 특히 중요한 특성입니다.

인성의 정의

인성은 재료가 파괴되기 전에 흡수 할수 있는 에너지의 양을 나타내는 기계적 성질입니다.

인성 측정 방법

인성은 주로 충격 시험이나 J-적분 시험을 통해 측정됩니다. 샤르피와 아이죠드 충격 시험이 가장 널리 사용되는 방법입니다.

인성과 다른 성질의 관계

인성은 강도와 연성의 조합으로 볼 수 있습니다. 높은 강도와 적절한 연성을 동시에 가진 재료가 높은 인성을 나타냅니다.

인성의 응용 분야

인성이 중요한 응용 분야로는 항공우주, 자동차, 건설, 방위 산업 등이 있습니다. 이러한 분야에서는 갑작스러운 파괴를 방지하는 것이 매우 중요합니다.

피로(Fatigue)

피로: 반복하중에 의한 재료의 점진적 손상

피로는 재료가 반복적인 하중을 받을 때 발생하는 점진적인 손상 과정입니다. 이는 정적 강도보다 낮은 응력에서도 발생할 수 있어, 구조물의 수명과 안정성에 중요한 영향을 미칩니다.

피로의 정의

피로는 재료가 반복적인 응력을 받을때 발생 하는 점진적인 손상 과정으로, 최종적으로 파괴에 이르게 합니다.

피로 파괴 메커니즘

피로 파괴는 균열 생성, 균열 성장, 급속 파괴의 세 단계로 진행됩니다. 초기 미세 균열이 반복 하중에 의해 점차 성장하여 최종 파괴에 이릅니다.

피로 수명

피로 수명은 재료가 특정 응력 수준에서 파괴 될 때까지 견딜 수 있는 하중 반복 횟수를 의미 합니다. 이는 재료와 응력 수준에 따라 다양합니다.

S-N 곡선

S-N 곡선은 응력 진폭(S)과 파괴까지의 반복 횟수(N)의 관계를 나타내는 그래프입니다. 이를 통해 재료의 피로 특성을 예측할 수 있습니다. 

피로 강도 향상 방법

피로 강도 향상을 위해 표면 처리, 응력 집중 감소, 잔류 압축 응력 도입 등의 방법이 사용됩니다. 또한 적절한 재료 선택과 설계도 중요합니다.

7.크리프(Creep)

크리프는 일정한 응력 하에서 시간에 따라 재료가 서서히 변형되는 현상입니다. 고온에서 장시간 사용되는 부품에서 중요한 고려사항이며, 재료의 수명과 안전성에 큰 영향을 미칩니다. 크리프는 재료 과학과 공학 분야에서 중요한 연구 주제입니다.

크리프의 정의와 단계

크리프는 세 단계로 진행됩니다.

1차 크리프(변형률 감소)

2차 크리프(일정 변형률)

3차 크리프(변형률 증가) 각 단계는 재료의 미세구조 변화와 관련이 있으며, 2차 크리프가 가장 오래 지속되는 단계입니다.

-크리프 저항성 향상-

크리프 저항성을 향상시키는 방법으로는 결정립 크기 조절, 석출물 형성, 합금 원소 첨가 등이 있습니다. 또한, 작동 온도를 낮추거나 응력을 줄이는 설계 변경도 효과적입니다.

 향후 나노 기술과 인공지능을 활용한 새로운 재료 개발 및 성능 예측 연구가 활발히 진행되기 전까지는 기계적 성질은 재료의 성능과 안정성을 결정짓는 핵심요소중 하나 입니다. 응력, 변형률, 강도, 경도, 연성, 취성, 탄성, 소성, 인성, 피로, 크리프 등 다양한 특성들이 상호 연관되어 재료의 거동을 결정합니다. 이러한 특성들의 종합적 이해는 최적의 재료 선택과 설계에 필수적이라 생각합니다.

이상 기계적 성질 이었습니다.

저희 진일텍푸라는 엔진니어링 플라스틱 흔히들 많이 알고 있는 MC나일론(Nylon), PTFE(테프론) 등을 생산하고 제작하는 는 회사입니다. 

엔지니어링 플라스틱은 기계 경량화와 금속 부식, 산화를 방지하며 금속을 대체하는 데 중요한 역할을 합니다. 물성표는 이 소재가 특정 부품에 적합한지를 판단하는 참고 수치일 뿐입니다.

하지만 실제 환경, 온도, 습기, 사용량과 같은 변수는 제가 모두 알 수 없습니다.
그래서 저는 이 글을 읽으시는 분들에게 판단에 필요한 정보를 제공하고, 고민을 함께 나누는 사람이 되고 싶습니다.

구매가 아니더라도 아무리 간단한 문의사항이라도 단순 궁금증이라고 해도 언제든지 연락주십시오.

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