3. 재료의 선택 및 기계적 성질[3]

3. 재료의 기게적 성질

재료 또는 요소에 하중이 작용하면 그 형상에 대응하여 부재에는 응력과 스트레인이 발생한다. 풀림을 한 연강의 인장시험에서 얻은 응력과 스트레인(strain)의 변화를 선도로 표시하면 응력-스트레인 선도(stress-srtain diagram)를 얻을 수 있다. 이 선도에서 실선으로 표시되는 것은 재료에 작용하는 하중을 최초의 단면적으로 나눈 응력치, 공칭하중(nominal stress)를 표시한 것이고, 점선으로 표시한 것은 하중을 그때그때의 단면적으로 나눈 진응력(true stress)을 표시한 것이다. 이와 같은 선도에서 있어서 응력은 스트레인과 비례 관계에 있은 점을 비례한도(proportional limit)라 부르고, 직선의기울기로부터 재료의 강성계수를 구할 수 있다. 또 이 범위내에서 응력과(σ)과 스트레인(ε) 사이에 후크의 법칙(Hooke's law)이 성립한다. 즉 σ=Eε 여기서 E는 재료의 종탄성계수이다. 다음에 응력을 제거하면 스트레인도 완전히없어지는 한계점을 탄성한계(elastic limit)라 한다. 이 탄성한계 점을 넘어서 응력이 더 가하여지면 재료에 영구변형(permanent set)이 잔류하게 된다. 또 응력이 그대로 있거나, 혹은 감소하여도 스트레인만 급증하는점이있다. 이와 같은 점을 항복점(yield point)이라고 부른다. 보통항복점에는 제1항복점(상항복점)과 제2항복점(하항복점)이 나타난다. 제1항복점은 시험 속도나 시험편의 형상 등에 영향을받으나 제2항복점은 재료의 참된 특성치로 나타낸다. 그러나 주철, 동, 알미늄, 고무등에는 항복점이 나타나지 않는다.따라서 이와 같은 재료에는 편의상 0.002의 영구 스트레인을 잔류하는 응력치를 항복점으로 생각하고 이것을 항복응력(yield strength)이라고 부른다. 항복점을 초과하면 재료에는 흰 주름이 생기기 시작하고 공칭을력과 진응력과의 차는 증대하여 간다. 그리고 시료가 견딜 수 없는 최대응력치가 되고 결국 재료의 흰 주름 부분이 파단된다.이와 같은 응력을 극한강도(ultimit strength)라고 하며 인장시험의 극한강도를 인장강도, 압축 시험의 극한강도를 압축 강도라고 한다. 또 연강, 동, 알미늄 등의 연성재료는 영구 스트레인을 잔류하여 소성적 변형을 받게 되면 재료는 경화하고, 연성은 감소하며 동시에 강도는 증대한다. 이와 같은 현상을 스트레인 경화(strain hardening)라고 한다. 스트레인 경화는 냉간소성가공을 받는 재료에 나타나고, 이것은 재료의 탄성적 성질을 개선라려는 목적으로도 이와 같은 가공법이 흔히 사용된다. 취성재료는 항복점과 연신율을 나타내지 않으므로 인장강도가 설계의 기준강도가 되지만,  연성재료에는 연신율과 단면감소율도 고려된다. 연신율은 표점 거리 L0의 봉이 파단 후 L로 되었을 때 δ = {(L-L0)/L0} x 100(%) 을 파단늘음율(elongation)이라고 하며,단면적 A0의 봉이 파단후 파단부의 단면적이 A로 되었을 때 φ = {(A-A0)/A0} x 100(%) 을 단면감소율이라고 한다. 파단 늘을 및 단면 감소는 파단까지의 소성변형량을 나타내며, 재료의 연성, 취성을 표시하는 지표로 된다. 또 이것이 클 때는 재료가 파단할 때 까지에 흡수하는 에너지가 큰 것을 뜻하며, 특히 재료가 충격하중을 받을 때는 파괴에 대한 저항의 대소를 란단하는 재료가 된다.