N5-0130분
재료역학 기초
응력, 변형률, 탄성계수의 기본 원리
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
응력(Stress, σ)은 재료 내부에 작용하는 단위 면적당 힘입니다. 공식은 σ = F / A (F: 하중, A: 단면적)이며, 단위는 Pa(파스칼) 또는 MPa를 사용합니다.
변형률(Strain, ε)은 원래 길이 대비 변형량의 비율로, ε = ΔL / L (ΔL: 변형량, L: 원래 길이)입니다. 단위가 없는 무차원량입니다.
탄성계수(Young's Modulus, E)는 응력과 변형률의 비로, E = σ / ε입니다. 연강의 E ≈ 200 GPa이며, 이 값이 클수록 재료가 뻣뻣합니다.
🟡 Referenced
포아송비(Poisson's Ratio, ν)는 축방향 변형률에 대한 횡방향 변형률의 비입니다. 강의 포아송비는 약 0.3이며, 인장 시 길이가 늘어나면 단면이 줄어드는 현상을 정량화합니다.
전단응력(τ)은 단면에 평행하게 작용하는 응력으로, τ = V / A (V: 전단력)입니다. 용접 이음부의 필릿용접에서는 전단응력이 지배적인 하중 형태입니다.
🟡 Referenced
허용응력과 안전계수
허용응력(Allowable Stress, σ_all)은 재료의 항복강도 또는 인장강도를 안전계수로 나눈 값입니다.
- 항복강도 기준: σ_all = σ_y / n_y
- 인장강도 기준: σ_all = σ_u / n_u
ASME Sec.VIII Div.1 기준, 안전계수는 인장강도의 3.5 또는 항복강도의 1.5 중 작은 값을 적용합니다.
응력-변형률 선도(σ-ε Diagram)에서는 탄성구간(선형), 항복점, 가공경화 구간, 인장강도(UTS), 파단점을 확인할 수 있으며, 이 선도가 재료의 기계적 성질을 종합적으로 보여줍니다.
시험에서 σ = F/A 공식을 적용할 때, 단면적 A는 반드시 하중에 수직인 면적을 사용해야 합니다. 필릿용접의 경우 유효 목두께(throat) × 유효길이가 전단면적이 됩니다.
탄성계수 E는 재료 고유의 물성치로, 열처리나 가공으로 변하지 않습니다. 반면 항복강도와 인장강도는 열처리, 냉간가공에 의해 크게 변합니다.
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탄성구간 확인
응력-변형률 선도의 원점에서 직선 구간을 확인합니다. 이 구간의 기울기가 탄성계수(E)이며, 훅의 법칙(σ = Eε)이 성립하는 영역입니다. 하중 제거 시 원래 형상으로 복원됩니다.
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항복점 결정
직선 구간이 끝나고 비선형 변형이 시작되는 지점이 항복점입니다. 명확한 항복점이 없는 재료(알루미늄, 고장력강 등)는 0.2% 오프셋법으로 항복강도를 결정합니다.
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인장강도(UTS) 확인
선도에서 응력의 최댓값이 인장강도(Ultimate Tensile Strength)입니다. 이 점 이후에는 넥킹(necking)이 시작되어 단면이 국부적으로 수축합니다.
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파단 연신율 산출
파단점에서의 변형률이 파단 연신율이며, 재료의 연성을 나타내는 지표입니다. 파단 연신율(%) = (파단 시 변형량 / 원래 길이) × 100으로 계산합니다.
재료역학 시험 함정 5종 1. "탄성계수 E의 단위?" → GPa 또는 MPa (응력/변형률, 변형률은 무차원). 강 E ≈ 200 GPa = 200,000 MPa. 2. "0.2% 오프셋법 사용 시점?" → 명확한 항복점이 없을 때(Al·고장력강 등). 0.2% 영구변형 시점의 응력 = 항복강도. 3. "넥킹(Necking) 시점?" → 인장강도(UTS) 이후. 단면이 국부 수축. 변형이 한 곳에 집중. 4. "포아송 비(ν)?" → 횡변형/종변형 비. 강 ≈ 0.3, Al ≈ 0.33, 코르크 ≈ 0. 음수 재료(메타재료)도 존재. 5. "공칭응력과 진응력의 차이?" → 공칭=하중/원래단면, 진응력=하중/현재단면. 넥킹 이후 차이 큼.
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