변형 강화(Strain-Hardening) 의 개념
가공 경화(Work Hardening) 또는 냉간 가공(Cold Hardening)으로도 알려진 변형 경화(Strain-Hardening)는 재료의 소성 변형이 강도와 경도를 증가시키는 현상입니다. 재료가 소성 변형을 받아 재료 내부의 전위(Dislocation)가 이동하고 서로 상호 작용하여 재료의 내부 응력과 변형 저항이 증가할 때 발생합니다. 재료에 인장이나 압축과 같은 외력이 가해지면 재료 내의 원자가 서로 밀리거나 서로 밀착되어 재료가 변형됩니다. 초기에 재료의 변형은 탄성, 즉 가역적이며 외력이 제거되면 재료가 원래 모양으로 돌아갑니다. 그러나 일정 지점 이상으로 외력이 가해지면 재료가 소성 변형되기 시작하여 비가역적이며 영구 변형이 발생합니다. 소성 변형 중에 재료 내의 전위가 이동하고 서로 상호 작용하여 재료를 경화시킵니다. 이는 전위의 이동에 에너지가 필요하고, 이는 가해진 외부 힘에 의해 공급되며, 전위 사이의 상호 작용은 재료가 더 이상 변형되기 어렵게 만드는 내부 응력을 생성하기 때문입니다. 결과적으로 재료는 더 강해지고 단단해집니다. 변형 경화 정도는 재료 유형, 변형량 및 변형률을 비롯한 여러 요인에 따라 달라집니다. 금속과 같은 일부 재료는 변형 경화에 특히 민감한 반면 세라믹과 같은 다른 재료는 그렇지 않습니다. 요약하면, 변형 경화는 재료의 소성 변형이 전위를 이동시키고 서로 상호작용하게 함으로써 재료의 강도와 경도를 증가시키는 과정으로, 내부 응력을 생성하고 재료가 추가로 변형되는 것을 더 어렵게 만듭니다.
응력-변형 곡선(Stress-strain Curve) 의 종류
응력-변형 곡선은 외부 하중을 받는 재료의 응력(단위 면적당 힘)과 변형 사이의 관계를 설명합니다. 재료와 하중의 유형에 따라 다양한 유형의 응력-변형 곡선이 관찰될 수 있습니다.
(1) 탄성 선형 응력-변형 곡선 (Elastic Linear Stress-strain Curve) : 항복점까지 선형적으로 변형되는 완전 탄성 재료의 거동을 나타내며, 그 너머에서 소성 변형을 겪습니다. 곡선의 기울기는 재료의 탄성 계수(Young's Modulus)를 나타내며, 이는 재료의 강성을 나타내는 척도입니다. 하중이 제거되면 재료가 원래 모양으로 돌아갑니다.
(2) 완벽한 강성 응력 변형 곡선 (Perfect Rigid Stress-strain Curve): 하중을 받아 변형되지 않고 대신 파손되거나 고장나는 재료를 나타냅니다. 곡선은 재료의 궁극적인 강도에 도달할 때까지 수평이며, 이때 급격히 떨어진다. 이러한 유형의 재료는 어떠한 변형도 겪지 않기 때문에 일반적으로 이상적이라고 여겨지기도 합니다.
(3) 강성-완전 플라스틱 응력-변형 곡선 (Rigid-perfect Stress-strain Curve): 탄성 변형 없이 소성 변형을 겪는 재료를 나타냅니다. 재료는 항복점에 도달할 때까지 변형되지 않으며, 이를 넘어서면 최종 강도에 도달할 때까지 소성 변형이 일어나 실패합니다. 이러한 유형의 재료는 탄성 변형을 겪지 않으며 항복점에 도달할 때까지 견고한 것으로 간주됩니다.
(4) 탄성-완전 플라스틱 응력-변형 곡선 (Elastic-perfect Plastic Stress-strain Curve): 항복점까지 탄성적으로 변형되는 재료를 나타내며, 그 이상에서는 추가적인 탄성 변형 없이 소성 변형을 겪습니다. 재료는 최종 강도에 도달할 때까지 소성 변형되며, 그 이후 부서지게 됩니다. 이러한 형태의 재료는 일정한 지점까지 탄성적으로 변형된 후 원래의 형태로 돌아가지 않고 소성 변형을 겪을 수 있습니다. 그 전의 강도에 도달 후 힘을 제거하면 변형 강화가 일어나게 됩니다.
(5) 탄성-플라스틱 응력-변형 곡선 (Elastic-plastic Stress-strain Curve): 항복점까지 탄성적으로 변형되는 재료를 나타내며, 그 너머에서 소성 변형을 겪습니다. 재료는 최종 강도에 도달할 때까지 소성 변형되며, 그 이후 부서지게 됩니다. 이러한 종류의 물질은 일정한 지점까지 탄성적으로 변형될 수 있으며, 이후 소성변형 단계에서 어느 정도의 탄성을 나타내면서 소성변형을 거치게 됩니다. 재료가 소성변형을 겪음에 따라 곡선의 기울기가 변하고, 하중이 증가함에 따라 소성변형량이 증가합니다. 하중이 제거되면 재료는 어느 정도의 탄성 회복을 거치지만 완전히 원래 모양으로 돌아가지는 않습니다.
응력-변형 히스테리시스(Stress-strain Hysteresis) 의 개념
응력-변형 히스테리시스는 물질의 응력-변형 관계가 로딩 및 언로딩 방향에 따라 달라지는 현상을 말합니다. 즉, 로딩 주기 동안의 응력-변형 곡선은 언로딩 주기 동안의 곡선과 다릅니다. 물질이 하중을 받으면 일정 지점인 항복점까지 탄성적으로 변형되며 이 지점을 넘어서면 물질은 플라스틱 변형을 겪어 영구적인 변형이 일어납니다. 하중 주기 동안 응력-변형 곡선은 외부 힘에 대한 물질의 반응을 나타내는 특정 경로를 따릅니다. 외부 힘이 제거되면 물질은 원래 모양으로 돌아갑니다. 언로딩 주기 동안 응력-변형 곡선은 하중 주기 동안 축적된 내부 응력을 해제하면서 나타나는 물질의 행동을 반영합니다. 로딩 주기와 언로딩 주기 간의 차이는 응력-변형 곡선 상에 루프 모양의 히스테리시스를 생성합니다. 이 히스테리시스 루프로 둘러싸인 면적은 로딩 주기 및 언로딩 주기 동안 내부 마찰 및 기타 소진 과정으로 인해 손실되는 에너지를 나타냅니다. 응력-변형 히스테리시스는 금속, 고분자 및 복합 재료 등 여러 종류의 물질에서 관찰됩니다. 히스테리시스의 크기는 물질의 종류, 하중 속도, 온도 및 플라스틱 변형 범위 등 여러 요인에 의해 결정됩니다. 요약하면, 응력-변형 히스테리시스는 하중 주기 동안의 응력-변형 곡선이 언로딩 주기 동안의 곡선과 다른 루프 모양의 히스테리시스를 생성하는 현상으로, 이 현상은 로딩 주기 동안 축적된 내부 응력 및 언로딩 주기 동안 소진되는 에너지에 기인합니다.
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