응력-변형률 곡선(Stress-Strain curve) (용어정리, 그래프해석)

안녕하세요 율짓입니다.

 

오늘은 응력-변형률 곡선(Stress-Strain curve)에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.

 

 

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출처: 금속재료학 서적

 

 

우선 응력-변형률 곡선은 위와 같은 인장 시험을 통해 만들어지게 됩니다.

 

저는 그중에서도 강재의 응력-변형률 곡선에 대해서 다뤄 볼 예정입니다.

 

 

 

1. 용어정리

 

- x축 (변형률)

변형률(strain) = 늘어난 길이(Δl)/처음길이(l)

 

- y축 (응력)

응력(stress) = 가한 힘/시험편의 원단면적

 

- B (비례한계)

응력-변형률 곡선이 선형인 응력의 최댓값

 

- C (탄성한계)

영구적 변형이 발생하지 않는 응력의 최댓값

(힘을 가함에 따라 직선적으로 늘어났다가 힘을 제거하면 원래의 상태로 되돌아 옴)

 

- D (상위항복점)

소성변형이 발생하기 이전의 응력값

 

- E (하위항복점) (E-F)

강재의 항복강도를 의미하며, 소성변형이 발생하는 지점

 

- G (인장강도)

시험편이 받을 수 있는 최대의 응력

 

- H (파단점)

시험편이 파단되는 응력

 

- 탄성영역

응력과 변형률이 비례관계를 가지는 영역

 

- 소성영역

변형도가 증가하는 영역

 

- 변형도 경화영역

응력과 변형률이 비선형적으로 증가하는 영역

 

- 파괴영역

변형률은 증가하지만 응력은 감소하며 넥킹현상에 의해 파단이 발생하는 영역

 

 

 

2. 응력-변형률 곡선(Stress-Strain curve) 해석

 

-  A-B-C영역 (탄성영역)

 

탄성영역이란 힘을 가함에 따라 직선적으로 늘어났다가 힘을 제거하면 원래 상태로 되돌아오는 영역입니다.

 

이런 현상이 발생하는 이유는 자유전자에 의해 결합된 금속원자들이 힘을 가하면 늘어났다가

제거하면 다시 돌아오기 때문입니다.

 

* A-B영역

가해준 응력에 비례하여 변형률이 직선적으로 정비례합니다.

 

* B-C영역

A-B영역과 다르게 직선적으로 정비례하진 않지만,

힘을 제거하게 되면 원래상태로 되돌아오는 구역입니다.

 

 

 

- D-E-F영역 (소성영역)

 

D점 이후 소성변형이 발생하는 영역입니다.

 

상부항복점 이상의 응력이 시편에 가해지게 되면 응력집중이 쉬운 부분에 밴드 모양에 선이 나타나고

시간이 경과됨에 따라 이 밴드가 넓어지면서 금속이 늘어나기 시작합니다.

 

일반적으로 상부항복점이 하부항복점보다 약 10% 높은 응력을 가지고 있지만,

 

상부항복점의 경우 실제로 측정하기에 어려움이 있어서 강재에서 항복점이란 하부항복점을 이야기하게 됩니다.

 

밴드가 시편의 시험 부분 길이 끝까지 전파되게 되면 소성영역이 끝나게 되고 변형에 따라 다시 하중이 증가하게 됩니다.

 

 

 

- F-G영역 (변형도 경화영역)

 

가공경화가 일어나는 영역입니다.

 

F점 이후에 강도가 계속 증가하는 이유는

 

소성변형의 경우 결정립 내에 수많은 전위가 이동하면 나타나는 현상으로

 

F점 이후 계속되는 전위 증가로 인해 이러한 전위들이 어떤 방향으로도 움직일 수 없게 되기 때문입니다.

 

 

그 결과 전위들이 4각형 모양의 전위 CELL을 형성하고,

 

이렇게 만들어진 전위 CELL를 통과하여 전위가 이동하기 위해서는 더 큰 힘을 필요하게 됩니다.

 

즉, 가공이 계속됨에 따라 재료의 강도는 증가하게 됩니다.

 

 

 

- G-H영역 (파괴영역)

 

G점의 인장강도 이후에는 응력이 저하하다가 H점에서 파단이 발생하게 됩니다.

 

 

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오늘은 강재의 응력-변형률 곡선(Stress-Strain curve)에 대해서 알아보았습니다.

 

다음엔 다른 주제로 찾아뵙도록 하겠습니다.