강도 대 강성: 주요 차이점 이해하기
동일한 하중을 가했을 때 어떤 재료는 구부러지고 어떤 재료는 부러지는 이유는 무엇일까요? 그 차이는 강도와 강성에 있습니다. 이 문서에서는 강도를 다음과 같이 정의하면서 이러한 중요한 속성을 살펴봅니다.
어떤 재료는 쉽게 구부러지는 반면 어떤 재료는 단단하게 유지되는 이유가 궁금한 적이 있나요? 이 블로그에서는 탄성 계수와 강성의 매혹적인 세계에 대해 알아보고, 엔지니어링에서 중요한 역할을 하는 탄성 계수와 강성에 대해 설명합니다. 마지막에는 이러한 특성이 일상적인 재료의 강도와 유연성에 어떤 영향을 미치는지 이해하게 될 것입니다.
탄성 계수: 재료의 탄성 변형 단계에서 정상 응력과 해당 정상 변형률의 비율입니다.
탄성 변형 단계에서 재료의 응력과 변형률은 후크의 법칙에 따라 비례하며, 이 비례 계수를 탄성 계수라고 합니다.
"탄성 계수"라는 용어는 재료의 탄성에 대한 일반적인 설명입니다. 여기에는 영 계수, 전단 계수, 벌크 계수 등 여러 가지 특정 계수가 포함됩니다.
따라서 '탄성 계수'와 '벌크 계수'는 포괄적인 용어입니다.
엘라스토머에 외부 힘("응력"이라고 함)이 가해지면 모양("변형률"이라고 함)이 바뀝니다. 탄성 계수는 응력 대 변형률의 비율로 정의됩니다.
예를 들어
선형 스트레인:
얇은 막대에 인장력 F가 가해질 때 선형 응력은 인장력을 막대의 단면적 S로 나눈 값으로 계산됩니다.
선형 변형률은 막대의 연신율(dL)을 원래 길이(L)로 나눈 값으로 계산됩니다.
선형 응력을 선형 변형률로 나눈 값은 영탄성계수 E = (F/S) / (dL/L)와 같습니다.
전단 변형률:
탄성체에 횡력(일반적으로 마찰력) f가 가해지면 탄성체는 사각형에서 다이아몬드 모양으로 바뀝니다.
이 변형 각도를 "전단 변형률"이라고 하며, 해당 힘을 응력 영역으로 나눈 값을 "전단 응력"이라고 합니다.
전단 응력을 전단 변형률로 나눈 값은 전단 계수 G = (f / S) / a와 같습니다.
볼륨 변형:
탄성 중합체에 전체 압력 P가 가해지면 이를 "체적 응력"이라고 합니다.
엘라스토머의 부피 감소(-dV)를 원래 부피(V)로 나눈 값을 "부피 변형률"이라고 합니다.
체적 응력을 체적 변형률로 나눈 값은 벌크 탄성계수 K = P / (-dV/V)와 같습니다.
일반적으로 혼동이 없는 경우, 금속 재료의 탄성 계수는 양의 탄성 계수라고도 하는 영의 계수를 의미합니다.
단위: 단위: E(탄성 계수)는 GPa 단위로 측정됩니다.
탄성 계수는 엔지니어링 소재의 중요한 성능 매개변수입니다.
거시적 관점에서는 물체의 탄성 변형에 대한 저항력을 측정하고, 미시적 관점에서는 원자, 이온 또는 분자 간의 결합 강도를 반영합니다.
결합 모드, 결정 구조, 화학적 조성, 미세 구조, 온도 등 재료의 탄성 계수에 영향을 미치는 요인도 결합 강도에 영향을 미칠 수 있습니다.
영의 계수는 금속 소재 는 합금 구성, 열처리 상태, 저온 소성 변형 등으로 인해 5% 이상 변동될 수 있습니다.
그러나 일반적으로 탄성 계수는 금속 소재 는 구조에 영향을 받지 않는 기계적 특성 지수입니다.
합금, 열처리(섬유 구조), 저온 소성 변형은 탄성 계수에 미치는 영향이 제한적이며 온도 및 하중 속도와 같은 외부 요인은 탄성 계수에 미치는 영향이 미미합니다.
따라서 일반적인 엔지니어링 애플리케이션에서 탄성 계수는 상수로 간주됩니다.
단위: 단위: 탄성 계수의 경우 GPa(기가파스칼).
탄성 계수는 탄성 변형에 대한 소재의 저항력을 측정하는 척도입니다.
값이 높을수록 일정량의 탄성 변형을 일으키는 데 필요한 응력이 커지며, 이는 재료가 더 단단하고 주어진 응력 하에서 탄성 변형이 덜 발생한다는 것을 의미합니다.
E로 표시되는 탄성 계수는 재료가 외부 힘에 의해 단위 탄성 변형을 겪는 데 필요한 응력의 양을 측정한 값입니다.
탄성 변형에 저항하는 재료의 능력을 나타내며 다음과 같은 강성과 비교할 수 있습니다. 봄.
'강성'은 구조물이나 구성 요소가 탄성 변형에 저항하는 능력을 말합니다. 강성은 단위 변형률을 생성하는 데 필요한 힘 또는 모멘트에 의해 결정됩니다.
회전 강성은 "k"로 표시되며 "k = M / θ"로 계산할 수 있으며, 여기서 "M"은 적용된 토크, "θ"는 회전 각도입니다.
기타 강성에는 다음이 포함됩니다:
강성을 계산하는 방법은 소변위 이론과 대변위 이론의 두 가지 접근 방식으로 나눌 수 있습니다.
큰 변위 이론은 응력 후 구조물의 변형을 고려하고 그에 따라 평형 방정식을 형성하여 정확한 결과를 제공하지만 계산 과정이 더 복잡합니다.
반면 소변위 이론은 구조물이 크게 변형되지 않는다고 가정하므로 외부 하중에서 내부 힘을 구한 다음 변형을 계산하는 데 사용할 수 있습니다.
이 접근 방식은 풀기가 훨씬 간단하기 때문에 대부분의 기계 설계 애플리케이션에서 널리 사용됩니다.
예를 들어, 빔 굽힘 변형 계산에서는 실제 변형이 매우 작기 때문에 소변위 이론을 사용하는 경우가 많습니다.
이 이론은 곡률 공식에서 처짐의 첫 번째 미분을 무시하고 두 번째 미분을 사용하여 빔 축의 곡률을 근사화하는 것으로, 미분 방정식을 선형화하여 해의 과정을 단순화하는 데 도움이 됩니다.
여러 하중이 동시에 작용하는 경우 각 하중으로 인한 굽힘 변형을 개별적으로 계산한 다음 결합할 수 있습니다.
정적 하중 하에서 변형에 대한 저항을 정적 강성이라고 하며, 동적 하중 하에서 변형에 대한 저항을 동적 강성이라고 하며, 단위 진폭에 필요한 동적 힘의 양을 의미합니다.
간섭력이 천천히 변화하는 경우(즉, 간섭력의 주파수가 자연 주파수 )의 동적 강성은 본질적으로 정적 강성과 동일합니다.
그러나 간섭력이 빠르게 변화하는 경우(즉, 간섭력의 주파수가 구조의 고유 진동수보다 훨씬 큰 경우) 구조 변형이 상대적으로 작아지고 따라서 동적 강성이 상대적으로 커집니다.
간섭력의 주파수가 구조물의 고유 진동수에 가까우면 공진이 발생하고 동적 강성이 최소가 되어 구조물이 가장 쉽게 변형되며, 동적 변형은 정하중 변형의 몇 배 또는 10배 이상에 달할 수 있습니다.
구성 요소의 과도한 변형은 작동에 영향을 미칠 수 있습니다.
예를 들어, 기어 샤프트의 과도한 변형은 기어 맞물림에 영향을 미칠 수 있고 공작 기계의 과도한 변형은 가공 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
강성에 영향을 미치는 요인으로는 재료의 탄성 계수와 구조적 형태가 있습니다. 구조 형태를 변경하면 강성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
강성 계산은 진동 이론과 구조 안정성 분석의 기초입니다. 질량이 일정하게 유지되면 강성이 높으면 고유 진동수가 높아집니다.
정적으로 불확정적인 구조의 응력 분포는 각 부품의 강성 비율과 관련이 있습니다.
In 골절 역학 분석을 통해 균열 부재의 유연성에 따라 응력 강도 계수를 결정할 수 있습니다.
강성과 탄성 계수는 재료 과학의 기본 개념으로, 각각 재료의 변형에 대한 저항의 다른 측면을 설명합니다. 서로 연관되어 있지만 재료의 분석과 적용에 있어 각기 다른 역할을 합니다.
탄성 계수는 영 계수라고도 하며 응력 하에서 변형에 저항하는 재료의 고유한 능력을 나타내는 구체적인 척도입니다. 이는 재료의 응력-변형률 곡선의 선형 탄성 영역에서 응력(단위 면적당 힘)과 변형률(비례 변형) 사이의 관계를 정량화합니다. 탄성 계수는 재료의 속성이며 재료의 모양이나 크기와는 무관합니다. 파스칼(Pa)과 같은 압력 단위로 표시됩니다.
반면 강성은 가해진 하중 하에서 구조물의 탄성 변형에 대한 저항을 나타내는 더 넓은 의미의 용어입니다. 강성은 단순히 물성만이 아니라 구조의 형상 및 경계 조건에 따라 달라집니다. 강성은 일반적으로 단위 변위를 달성하는 데 필요한 힘(예: 미터당 뉴턴, N/m)으로 표현됩니다.
구조 요소의 강성은 재료의 탄성 계수와 요소의 지오메트리에서 도출할 수 있습니다. 예를 들어, 보의 굴곡 강성(EI)은 탄성 계수(E)와 보 단면의 관성 모멘트(I)의 곱입니다. 마찬가지로 비틀림 강성(GI)은 전단 계수(G)와 극 관성 모멘트(I)의 곱입니다.
엔지니어링 설계에서 강성은 특히 스핀들, 가이드 레일, 리드 스크류와 같이 하중을 받아도 모양을 유지해야 하는 부품의 경우 매우 중요합니다. 또한 항공기 날개나 고정밀 어셈블리와 같이 엄격한 변형 제어가 필요한 구조물에도 필수적입니다.
강도는 외부의 힘에 의한 영구적인 변형과 파손에 저항하는 재료의 능력입니다. 여기에는 항복 강도, 인장 강도, 압축 강도, 굽힘 강도 등 다양한 유형의 강도가 포함됩니다. 이러한 특성은 기계 부품의 하중 지지 능력과 내구성을 결정하는 데 매우 중요합니다.
강성과 탄성 계수의 차이를 이해하는 것은 기계 부품과 구조물을 설계하고 분석하는 데 필수적입니다. 탄성 계수는 변형에 대한 재료의 고유한 저항을 측정하는 반면, 강성은 재료 특성과 기하학적 요소를 모두 고려하여 구조의 전반적인 변형에 대한 저항을 설명합니다. 두 개념 모두 엔지니어링 설계의 성능과 신뢰성을 보장하는 데 필수적인 요소입니다.
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