재료 과학의 스트레스

소개

재료 과학에서 응력은 단위 면적당 재료에 가해지는 힘을 의미합니다. 응력은 재료가 외부 힘에 반응하는 방식을 이해하는 데 사용되는 중요한 개념으로, 다양한 유형의 하중 조건을 고장 없이 견딜 수 있는 재료의 능력을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 응력은 다양한 조건에서 강도, 내구성 및 성능을 보장하기 위해 재료와 구조물을 설계하는 데 있어 핵심적인 요소입니다.

응력의 정의

응력은 수학적으로 물체에 가해지는 힘 F를 힘이 가해지는 단면적 A로 나눈 값으로 정의됩니다:

응력(σ)=F/A

여기서

• F는 가해지는 힘(뉴턴, N 단위)입니다.
• A는 단면적(평방미터, m²)입니다.
• σ는 파스칼(Pa) 또는 평방미터당 뉴턴(N/m²) 단위로 측정된 응력입니다.

재료 과학에서 응력에는 정상 응력과 전단 응력의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

1.정상 응력: 인장 또는 압축 상태에서 표면에 수직으로 힘이 가해질 때 발생합니다.

• 인장 응력: 재료가 당겨질 때(예: 와이어를 늘릴 때) 발생합니다.
• 압축 응력: 재료가 압축될 때(예: 기둥을 쥐어짜는 경우) 발생합니다.

전단 응력: 표면에 평행하게 힘이 가해져 재료의 층이 서로에 대해 미끄러질 때 발생합니다. 예를 들어 전단력을 가하여 금속 조각을 절단하는 경우입니다.

재료의 응력 유형

인장 응력:

인장응력은 재료에 당기는 힘이 가해질 때 발생합니다. 이는 재료의 신장 또는 신축으로 이어집니다.

l예시: 고무 밴드가 늘어나는 경우.

압축 응력:

l 압축응력은 재료에 압축력이 가해질 때 발생하며, 재료가 짧아지거나 압축되는 결과를 초래합니다.

l 예시: 건물의 무게를 지탱하는 기둥.

전단 응력:

전단응력은 표면에 평행하게 두 개의 반대 힘이 가해질 때 발생하며, 미끄러지는 형태의 변형을 일으킵니다.

l 예시: 종이를 자르는 가위.

굽힘 응력:

l 굽힘응력은 재료가 구부러질 때 발생하는 인장 응력과 압축 응력의 조합입니다.

l 예시: 중간에 하중을 지탱하는 빔.

응력에 영향을 미치는 요인

다음과 같은 여러 요인이 재료가 받는 응력에 영향을 줄 수 있습니다:

-재료 속성: 재료의 강도, 연성 및 탄성은 재료가 응력에 반응하는 방식에 영향을 줍니다. 예를 들어 금속은 인장 응력을 받으면 연성이 높아지는 경향이 있는 반면 세라믹은 더 쉽게 파손될 수 있습니다.

-온도: 온도가 높으면 재료가 약해져 변형되거나 파손되기 전에 스트레스를 견디는 능력이 떨어질 수 있습니다.

-하중 조건: 가해지는 하중의 속도와 지속 시간은 스트레스에 대한 소재의 반응에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 고응력 하중을 빠르게 가하면 재료가 파손될 수 있지만 시간이 지나면서 천천히 가하면 동일한 응력을 견딜 수 있습니다.

응력-변형률 관계

응력과 변형률은 소재의 탄성 계수를 통해 직접적으로 연관됩니다. 응력-변형률 곡선은 다양한 수준의 응력 하에서 소재가 어떻게 변형되는지를 설명합니다. 응력-변형률 곡선의 주요 영역은 다음과 같습니다:

1.탄성 영역: 이 영역에서는 응력이 제거되면 머티리얼이 원래 모양으로 돌아갑니다. 응력과 변형률의 관계는 선형입니다.

2.소성 영역: 소재가 항복점에 도달하면 영구적인 변형이 발생합니다.

3.파단점: 궁극적인 인장 응력을 넘어서면 재료는 결국 파손되거나 부서집니다.

재료 과학에서 응력의 응용

-구조 공학: 건물, 교량 및 기타 구조물을 설계할 때 무게, 바람, 지진 등의 힘을 고장 없이 견딜 수 있도록 하려면 응력을 이해하는 것이 필수적입니다.

-제조: 주조, 단조, 용접과 같은 공정에서 엔지니어는 생산 중 재료의 변형이나 고장을 방지하기 위해 응력을 고려해야 합니다.

-재료 선택: 재료마다 응력에 견디는 능력이 다릅니다. 예를 들어 강철과 같은 재료는 높은 인장 및 압축 응력을 견딜 수 있기 때문에 건설에 사용됩니다.

-피로 및 고장 분석: 응력 사이클이 반복되면 시간이 지남에 따라 재료가 약화되고 고장이 발생할 수 있습니다. 응력을 이해하면 재료의 피로를 예측하고 항공기 날개 및 엔진 부품과 같은 부품의 고장을 방지하는 데 도움이 됩니다.

- 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)를 참조하세요.

자주 묻는 질문

인장 응력과 압축 응력의 차이점은 무엇인가요?

인장 응력은 소재를 당기거나 늘릴 때 발생하여 연신율로 이어집니다. 압축 응력은 재료를 밀거나 압축할 때 발생하며, 짧아지거나 찌그러집니다.

온도는 소재의 응력에 어떤 영향을 미치나요?

일반적으로 온도가 높을수록 소재는 약해져 강도와 응력을 견디는 능력이 떨어집니다. 일부 소재는 연성이 높아져 쉽게 변형되는 반면, 다른 소재는 부서지기 쉬워져 더 빨리 파손될 수 있습니다.

응력-변형률 곡선의 항복점은 무엇인가요?

항복점은 재료가 소성 변형되기 시작하여 응력이 제거되면 원래 모양으로 돌아갈 수 없는 응력 수준입니다. 이 지점을 넘어서면 영구적인 변형이 발생합니다.

구조 엔지니어링에서 응력을 이해하는 것이 중요한 이유는 무엇인가요?

엔지니어는 건물, 교량 및 기타 구조물이 붕괴나 고장 없이 무게, 바람, 지진 등의 외부 힘을 견딜 수 있도록 응력을 이해해야 합니다.

재료의 피로는 무엇이며 스트레스와 어떤 관련이 있을까요?

피로는시간이 지남에 따라 반복되거나 주기적인 스트레스로 인해 재료가 약해지는 것을 말합니다. 재료의 최종 강도보다 낮은 수준의 스트레스도 지속적으로 또는 주기적으로 가해질 경우 고장을 일으킬 수 있습니다.