굴곡 계수: 엔지니어링에서의 재료 강성

굴곡 계수란 무엇인가요?

굽힘 또는 굴곡 응력을 받을 때 재료의 강성을 특징짓는 재료 특성입니다. 굽힘 하중, 특히 응력이 제거된 후 재료가 원래 모양으로 돌아가는 탄성 범위에서 재료가 얼마나 변형되는지를 정량화합니다. 굴곡 계수는 구조 부품, 자동차 부품, 포장재 등 굽힘 또는 굴곡 하중이 일반적인 응용 분야에서 중요한 파라미터입니다.

간단히 말해서, 굴곡 계수는 굽힘 하중 하에서 변형에 저항하는 재료의 능력을 반영합니다. 굴곡률이 높을수록 재료가 단단하고 구부러짐에 잘 견디며, 값이 낮을수록 유연성이 높습니다.

굴곡 계수 대 영의 계수 대 탄성 계수

이 용어들은 종종 같은 의미로 사용되지만, 굴곡률, 영의 계수 및 탄성 계수는 각각 응력 하에서 재료의 다른 측면을 설명합니다.

- 탄성 계수: 탄성 계수는 응력 하에서 변형에 강한 소재에 적용되는 일반적인 용어입니다. 인장, 압축, 전단 등 모든 유형의 가해진 힘에 대한 재료의 강성을 측정한 값입니다. 탄성 계수는 가해지는 응력의 유형에 따라 여러 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

- 영의 계수: 영의 계수는 특히 인장 또는 압축 응력 하에서 재료의 강성을 나타냅니다. 재료에 일축 응력이 가해질 때 재료의 응력 대 변형률의 비율을 측정한 값입니다.

- 굴곡 탄성률: 굴곡 계수는 굽힘 응력에 대한 재료의 반응을 다룹니다. 한 축을 따라 재료를 늘리거나 압축하여 결정되는 영 계수와 달리, 굴곡 계수는 굽힘 힘으로 인한 변형을 나타냅니다. 이는 주어진 하중에서 재료가 영구적으로 변형되지 않고 구부러지는 양을 측정한 것입니다.

세 가지 계수는 모두 재료의 강성과 관련이 있지만, 굴곡 계수는 굽힘을 구체적으로 나타내는 반면, 영 계수는 1차원에서 늘어남과 압축을 구체적으로 나타내며 일반 탄성 계수는 모든 유형의 변형을 나타낼 수 있습니다.

굴곡률과 ASTM D790

"비강화 및 강화 플라스틱 및 전기 절연 재료의 굴곡 특성에 대한 표준 시험 방법"이라는 제목의 ASTM D790 표준 시험 방법은 재료, 특히 플라스틱의 굴곡 계수에 대해 가장 널리 인정받는 방법 중 하나입니다. 이 테스트는 빔처럼 두 지점에서 지지된 상태에서 재료 샘플에 힘을 가한 다음 굽힘 정도를 측정하는 방식으로 진행됩니다.

ASTM D790 테스트의 주요 측면은 다음과 같습니다:

3점 굽힘 테스트: 중앙에 하중을 가한 상태에서 두 개의 지지대 위에 재료를 놓습니다. 알려진 하중 하에서 샘플 중앙의 처짐을 측정하여 굴곡 계수를 계산합니다.

4점 굽힘 테스트: 3점 테스트와 유사하지만 두 지점에 하중이 가해지는 테스트 구성입니다. 이 구성은 시편 중앙에서 실패할 가능성을 줄여주며 일반적으로 더 부서지기 쉬운 재료에 대해 수행됩니다.

이러한 테스트 결과는 제조업체가 특정 용도에 대한 재료의 적합성을 평가하고 굽힘 중에 제품이 영구적인 변형을 일으키지 않는지 판단하는 과정에서 중요한 역할을 합니다.

굴곡 계수: 계산 및 공식

굴곡 계수인 E_f의 값은 다음 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다.

E_f =

여기서

- E_f = 파스칼 단위의 굴곡 계수, Pa

- L = 지지대 사이의 길이(미터)

- F = 적용된 힘(뉴턴)

- d = 최대 처짐(미터)

- b = 샘플의 너비(미터)

- δ = 샘플 중앙에서 측정된 처짐(미터)

이 공식은 적용된 힘-재료 강성-처짐 관계를 사용하여 굴곡 계수를 계산하는 빔 굽힘 이론의 기본 관계에서 파생됩니다. 얻어진 값은 굽힘 과정을 거칠 때 재료의 강성을 나타내며, 주어진 하중 하에서 재료가 얼마나 구부러지는지를 보여줍니다.

일반적으로 굴곡 강도를 테스트하는 재료

굴곡률 테스트는 일반적으로 다양한 재료, 특히 구조용, 자동차 및 소비재에 사용되는 재료에 대해 수행됩니다. 굴곡 강도를 테스트하는 다양한 일반적인 재료는 다음과 같습니다:

- 플라스틱 및 폴리머: ABS, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 등 다양한 플라스틱의 굴곡 계수를 확인하여 포장, 자동차 부품 및 소비재에 적합한지 평가합니다.

- 복합재: 탄소 섬유 및 유리 섬유와 같은 섬유 강화 복합재는 구조 및 항공 우주 산업에서의 적용을 평가하기 위해 굴곡 테스트를 거칩니다.

금속: 플라스틱보다는 덜 일반적이지만 알루미늄, 강철, 티타늄과 같은 금속은 건축 및 자동차 부품과 같이 굽힘 또는 굴곡 응력에 대한 우려가 발생하는 특정 용도에서 굴곡률 테스트를 받을 수 있습니다.

- 세라믹 및 유리: 세라믹 및 유리와 같은 부서지기 쉬운 재료의 굴곡 계수는 건축, 전자 및 광학 응용 분야에서 굽힘 힘에 의한 파손이 발생하지 않도록 결정됩니다.

굴곡률 테스트는 굽힘과 관련된 실제 애플리케이션에서 재료의 성능과 제품이 하중 하에서 무결성을 유지하는 방법을 결정하는 데 중요한 측면입니다.

결론

굴곡 계수는 엔지니어와 설계자가 굽힘 응력 하에서 재료가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 되는 중요한 속성입니다. 제조업체는 3점 및 4점 굽힘 테스트와 같은 표준화된 방법을 사용하여 재료를 테스트함으로써 소비자 제품에서 구조용 부품에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 적합한 재료를 선택할 수 있습니다. 굴곡 계수를 이해하면 최종 사용 제품의 성능, 안전성 및 신뢰성을 향상시켜 더 나은 설계를 선택할 수 있습니다. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.

자주 묻는 질문

1. 굴곡률과 인장률의 차이점은 무엇인가요?

굴곡 계수는 굽힘 또는 굴곡 변형에 대한 저항성을 나타내는 재료를 나타내며, 인장 계수(영 계수라고도 함)는 장력, 즉 늘어남이나 압축에 의한 변형에 대한 재료의 저항성을 나타냅니다. 두 특성 모두 재료의 강성을 반영하지만, 서로 다른 응력 조건에서 테스트됩니다.

2. 소재 선택에서 굴곡 계수가 중요한 이유는 무엇인가요?

굽힘 계수는 빔, 자동차 부품 및 포장재와 같이 구부리거나 휘어지는 응용 분야에서 소재를 선택할 때 사용 중 영구적인 변형 없이 기계적 응력을 견딜 수 있는지를 확인하기 위해 중요합니다.

3. 온도는 굴곡률에 어떤 영향을 미치나요?

일반적으로 온도가 상승하면 굴곡률은 감소합니다. 재료가 가열되면 원자 구조가 더 유연해지므로 하중을 받으면 더 쉽게 구부러집니다. 다양한 온도에서 테스트하면 다양한 환경 조건에서 소재가 어떻게 작동하는지에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

4. 굴곡 계수를 사용하여 실제 응용 분야에서 재료의 성능을 예측할 수 있나요?

예. 굴곡 계수는 실제 굽힘 조건에서 소재가 어떻게 작동할지 예측하는 좋은 지표입니다. 제조업체는 굴곡률을 테스트하여 소재가 특정 애플리케이션에 필요한 강도와 내구성을 충족하는지 확인할 수 있습니다.