온도가 재료 성능에 미치는 영향: 종합적인 분석

온도와 관련된 재료 계수에는 두 가지 유형이 있는데, 하나는 재료의 기계적 특성과 관련된 계수이고 다른 하나는 열전도와 관련된 계수입니다. 전자는 E, G, v, a와 같은 요소를 포함하며, 후자는 C(비열용량), ρ(밀도), k(열전도도)로 구성됩니다.

이 계수는 일정하지 않고 온도에 따라 달라집니다. 그러나 온도가 높지 않을 때는 평균값을 상수로 취급하는 경우가 많습니다. 온도가 높거나 변화가 큰 상황에서는 온도에 따른 변화를 고려하는 것이 중요합니다.

1. 탄성 계수와 온도와의 관계

금속의 탄성 계수 E와 전단 계수 G는 온도가 증가함에 따라 감소하는 반면, 푸아송 비 v는 온도에 따라 거의 변하지 않습니다. 온도에 따른 E와 G의 측정은 정적 또는 동적으로 수행할 수 있습니다.

정적 방법은 고온 용광로에서 부하를 사용하여 테스트하는 반면, 동적 방법은 진동 또는 초음파 펄스 기술을 활용합니다.

진동법은 고온 용광로에서 테스트 샘플에 탄성 진동을 가하고 주파수를 측정하여 탄성 상수를 결정합니다.

초음파 방법은 테스트 샘플에 초음파를 가하고 파의 전파 속도를 측정하여 E, G, v를 결정합니다.

2. 열 계수와 온도의 관계

의 열 계수는 금속 소재 는 일반적으로 온도와 선형 관계를 나타냅니다. 선팽창 계수 α는 온도가 상승함에 따라 선형적으로 증가하는 경향이 있는 반면, 열전도율 k는 온도가 상승함에 따라 감소하고 비열 용량은 온도에 따라 증가합니다.

실험 테스트를 통해 측정한 열 계수와 온도 사이의 관계를 나타내는 선의 기울기 또는 곡선의 곡률은 특정 물질의 열 계수가 온도에 따라 어떻게 변하는지를 보여줍니다.

예를 들어, 다양한 데이터 소스에서 도출한 탄소강의 온도에 따른 열 계수 변화는 다음 차트에 나와 있습니다.

3. 재료의 열 피로

연성 소재의 온도가 상승하면 응력이 항복점을 초과하더라도 즉시 파손되지 않습니다. 그러나 응력 수준이 낮더라도 상당한 온도 변화가 반복되면 결국 피로로 인해 균열이 발생하여 파손됩니다. 이러한 현상을 열 피로라고 합니다.

다음 그림과 같이 양쪽 끝에 고정된 테스트 막대가 최고 온도와 최저 온도 사이에서 반복적인 열 사이클을 받는다고 가정해 보겠습니다.

실험이 시작될 때 막대가 최고 온도에서 고정된 다음 냉각되어 인장 응력이 발생한다고 가정하면, OAF는 응력 변화선을 나타냅니다. 재가열하면 응력-변형률 곡선은 처음에 OA와 평행하게 아래쪽으로 이동하여 냉각 사이클 인장력보다 낮은 응력에서 항복하여 결국 지점 E에 도달합니다.

한동안 최고 온도를 유지하면 응력 이완이 발생하여 압축 응력이 감소하여 지점 E'에 도달합니다. 냉각이 재개되면 E'F'를 따라 상승하여 가장 낮은 온도에서 F' 지점에 도달합니다.

가장 낮은 온도에서는 압력 완화가 일어나지 않으므로 재가열이 시작되면 곡선은 F'E"를 따라 떨어지고 최고 온도에서 점 E"에 도달합니다. 응력 완화로 인해 응력이 감소하여 점 E"'로 이동하고, 냉각이 재개되면 곡선 E"'F"를 따라 최저 온도에서 점 F"에 도달합니다.

이 냉각 및 가열 사이클이 반복되면 응력-변형률 곡선이 매번 히스테리시스 루프를 추적하고, 이와 관련된 회복 플라스틱 변형이 열 피로의 원인이 됩니다. 열 사이클의 최대 및 최소 온도, 평균 온도, 최대 온도에서의 유지 시간, 반복 속도, 재료의 탄성-소성 특성은 모두 열 피로에 영향을 미치는 요소입니다.

열 피로의 강도는 사이클의 소성 변형률 ε 사이의 관계를 나타냅니다._P 와 실패에 도달하기 위한 반복 횟수 N을 곱합니다. 맨슨-코핀의 경험적 공식에 따르면:

여기서 ε_f 는 열 사이클의 평균 온도에서 정적 인장 시험 중 재료가 파단되는 지점에서의 연신율을 나타냅니다.

앞서 설명한 내용은 재료의 단방향 열 응력 피로에만 해당합니다. 그러나 실제 구조물의 열 피로는 다방향성이며 전문적인 연구 분야를 구성합니다.