재료강도학 1-6주차 요약 정리

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1. 재료강도학의 정의 및 기본 개념

재료강도학은 재료의 기계적 성질을 이해하기 위해 재료에 가해지는 힘을 계산하고 응력을 도출하여 재료의 파괴현상을 해석하고 파괴를 방지하여 재료를 설계하는 학문입니다. 응력의 기본 공식은 F/A(힘/면적)이며, 파괴의 종류는 변형, 파괴(파단), 깨짐, 부식, 마모, 침식 등이 있습니다. 재료는 연성과 취성으로 나뉘며, 구조, 물성, 공정, 성능이 순서대로 관계를 이루고 있습니다.
2. 응력의 종류 및 모호의 원

응력은 단위 면적당 들어가는 힘으로 F/A 공식으로 표현됩니다. 응력은 전단응력, 수직응력, 다른 축의 응력 3개로 나뉘며, 3차원에서는 Oij로 표기됩니다. 응력의 부호 규약은 +와 -로 나뉘고 축에 따라 다릅니다. 모호의 원은 네모 형태의 응력을 원으로 나타내는 방법으로, 2차원과 3차원에서 응력 상태를 시각화합니다. 주응력, 최대수직응력, 최대전단응력 등이 포함됩니다.
3. 탄성변형과 변형률

변위와 변형률은 탄성변형을 중심으로 다루어집니다. 변형률의 종류는 평균 선형 변형률(1차원), 전단변형률(2차원), 3차원 변형률이 있습니다. 응력과 유사하게 +와 -로 규약되며, 모호의 원에서 2차원과 3차원의 변형률을 구할 수 있습니다. 탄성영역에서 응력과 변형률의 관계는 푸아송 비율, 훅의 법칙, 탄성계수를 이용하여 표현됩니다.
4. 소성변형 및 재료의 거동

소성변형은 힘에 따라 탄성변형과 구분되며, 미시적 관점에서 공공 점결함, 침입형 원자, 칼날전위의 이동으로 설명됩니다. 공칭응력과 공칭변형률 곡선, 진응력과 진변형률이 다루어지며, 항복강도, 인장강도, 연신율, 수축률 등이 재료별로 표로 정렬됩니다. 네킹과 불안정성 기준이 공식으로 표현되고, 변형 속도와 온도의 영향이 그래프로 설명됩니다.

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1. 재료강도학의 정의 및 기본 개념

재료강도학은 외부 하중에 대한 재료의 저항성을 연구하는 학문으로, 공학 설계의 기초가 됩니다. 이 분야는 재료가 어떻게 응력을 받고 변형되는지를 이해하는 데 필수적입니다. 기본 개념인 응력, 변형률, 탄성, 소성 등을 정확히 파악하면 구조물의 안전성과 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 특히 현대 산업에서 경량화와 고강도 재료의 개발이 중요해지면서 재료강도학의 역할이 더욱 중요해지고 있습니다. 이론과 실험을 통합한 접근이 재료의 거동을 정확히 예측하는 데 도움이 됩니다.
2. 응력의 종류 및 모호의 원

응력은 인장, 압축, 전단 등 다양한 형태로 나타나며, 각각의 응력 상태를 정확히 분석하는 것이 중요합니다. 모호의 원은 2차원 응력 상태를 시각적으로 표현하여 주응력과 최대 전단응력을 쉽게 파악할 수 있게 해줍니다. 이 도구는 복잡한 응력 상태를 단순화하여 재료의 파괴 조건을 예측하는 데 매우 유용합니다. 모호의 원을 통해 응력 변환 관계를 직관적으로 이해할 수 있으며, 이는 구조 설계 시 안전계수 결정에 도움이 됩니다. 현대 해석 소프트웨어에서도 이 원리가 기반이 되어 있어 기본 개념의 이해가 필수적입니다.
3. 탄성변형과 변형률

탄성변형은 하중이 제거되면 원래 형태로 복원되는 가역적 변형으로, 재료의 기본적인 거동을 나타냅니다. 변형률은 단위 길이당 변형량을 나타내는 무차원 값으로, 서로 다른 크기의 시편을 비교할 수 있게 해줍니다. 후크의 법칙에 따른 응력과 변형률의 선형 관계는 많은 공학 계산의 기초가 됩니다. 탄성계수는 재료의 강성을 나타내는 중요한 성질로, 재료 선택 시 핵심 지표입니다. 탄성변형 범위 내에서의 정확한 분석은 구조물의 처짐과 진동 특성을 예측하는 데 필수적이며, 이는 안전하고 효율적인 설계를 가능하게 합니다.
4. 소성변형 및 재료의 거동

소성변형은 하중 제거 후에도 남아있는 영구적 변형으로, 재료의 항복점을 초과할 때 발생합니다. 이는 재료 내부의 결정 구조 변화와 관련이 있으며, 재료의 강도와 연성 사이의 균형을 나타냅니다. 소성변형 거동을 이해하는 것은 재료의 극한 강도와 파괴 메커니즘을 파악하는 데 중요합니다. 가공경화 현상은 소성변형을 통해 재료의 강도를 증가시킬 수 있음을 보여주며, 이는 산업에서 광범위하게 활용됩니다. 재료의 연성과 취성의 차이를 이해하면 각 재료의 적절한 사용 조건을 결정할 수 있으며, 이는 구조 설계의 신뢰성을 크게 향상시킵니다.