1-4 ≫ 재료의 강도 1. 하중의 종류 (1) 작용 방향에 따른 분류 ② 전단하중(shearing load) ① 인장하중(tensile load), 압축하중(compressible load) ② 전단하중(shearing load) ③ 굽힘하중(bending load) ④ 비틀림 하중(twisting load) Chapter 01 기계설계의 기초
2. 응력 및 변형률 (1) 응력－변형률 선도 ▪ 하중－변위 선도(load－displacement diagram) ▪ 응력－변형률 선도(stress－strain diagram) ▪ 공칭응력(公稱應力, nominal stress) ▪ 진응력(眞應力, true stress) ▪ 후크의 법칙(Hooke's law) - 비례한도(proportional limit) - 탄성한도(elastic limit) - 세로탄성계수, 또는 영계수(Young's modulus) : E Chapter 01 기계설계의 기초
▪ 소성변형(plastic deformation) - 항복점(yield point), 상항복점(upper yield point), 하항복점(lower yield point), 미끄럼(slip) 현상, 선, - 네킹(necking), 변형경화(strain hardening), 또는 가공경화(working hardening) - 극한강도(ultimate strength), 인장강도(tensile strength), 압축강도(compressive strength) ▪ 0.2% 내력 : 주철, 구리합금, 알루미늄, 고무 등과 같이 연성이 큰 재료 0.2%ε의 영구변형을 일으키는 곳의 응력을 항복강도(yield strength) Chapter 01 기계설계의 기초
(2) 후크의 법칙 Chapter 01 기계설계의 기초
Chapter 01 기계설계의 기초
(3) 진응력과 진변형률 ① 공칭응력과 공칭변형률 Chapter 01 기계설계의 기초
② 진응력과 진변형률 Chapter 01 기계설계의 기초
③ 신장률 및 단면감소율 Chapter 01 기계설계의 기초
(4) 연성 및 경도 ▪ 연성(延性, ductility) : 재료가 변형되어 파괴될 때까지의 소성변형의 정도(程度)를 나타냄 - 연성재료(ductile material) - 취성재료(brittle material) ▪ 경도(硬度; hardness) : 국부적인 소성변형에 대한 재료의 저항성을 표시 HB : 브리넬 경도(Brinell hardness), σu : 인장강도[MPa] ▪ 인성(toughness) : 재료가 파괴될 때까지의 에너지 흡수 능력 ▪ 파괴인성(fracture toughness) : 균열이 존재하는 재료에 대한 파괴의 저항성 Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－9> 응력성분의 표시 Chapter 01 기계설계의 기초
Chapter 01 기계설계의 기초
Chapter 01 기계설계의 기초
(3) 3축 응력 ▪ 3축 응력에 대한 Hooke의 법칙 ▪ 식 (1·29)의 응력에 관한 표시식 Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－13> 3축 응력에 대한 모어의 응력원 Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－14> 굽힘 모멘트에 의한 잔류응력 4. 잔류응력 ▪ 재료가 외력 또는 열에 의하여 소성변형을 일으키는 경우 재료에 가해진 제거하더라도 불균일한 영구변형에 의해 재료 내에 응력이 남아 있는 현상 <그림 1－14> 굽힘 모멘트에 의한 잔류응력 Chapter 01 기계설계의 기초
▪ 인장응력이 발생하는 부분에 압축 잔류응력을 발생 큰 하중에 견딜 수 있는 이점 ▪ 잔류응력은 반복하중에 의해서 감소 ▪ 표면의 잔류응력은 반복하중에 의해 제거 ▪ 잔류응력의 발생 - 소성가공(단조, 압연, 인발, 압출, 프레스 가공) - 소성변형(절삭가공, 연삭가공) - 열처리 및 용접 등의 온도차이에 의한 열응력 - 침탄 및 질화 등의 표면경화, 숏피닝(shot peening) 강도 향상 Chapter 01 기계설계의 기초
5. 열응력 ▪ 수직변형률(normal strain) : ▪ 열응력 : Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－15> 냉각 및 가열에 의한 열응력 Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－18> 크리프 곡선 Chapter 01 기계설계의 기초
8. 응력집중계수 ▪ 응력집중(應力集中, stress concentration) : 구멍(hole), 홈(groove), 노치(notch) 및 단붙이 축의 필릿(fillet) 부위에서는 국부적인 큰 응력이 발생하는 현상 ▪ 응력집중계수(應力集中係數, stress concentration factor) 또는 형상계수(形狀係數, shape factor) : Chapter 01 기계설계의 기초
(1) 판재에 대한 응력집중계수 ▪ 원공(圓孔, circular hole) 단면의 경우<그림 1－19(b)> Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－19> 판재의 응력집중 Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－20> 원공의 크기에 대한 응력집중계수 Chapter 01 기계설계의 기초
▪ 타원 구멍이 존재하는 경우 ▪ 단붙이축 및 홈붙이축의 응력집중계수 ① 인장의 경우(단붙이축) ② 굽힘의 경우 ③ 비틀림의 경우 ④ 인장의 경우(홈붙이축) Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－21> 단붙이축의 응력집중 Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－22> 단붙이축의 응력집중계수 Chapter 01 기계설계의 기초
① 이론적 방법(엄밀해) : 탄성이론(theory of elasticity) ② 수치해석적 방법(근사해) : ▪ 응력집중계수의 해석 : ① 이론적 방법(엄밀해) : 탄성이론(theory of elasticity) ② 수치해석적 방법(근사해) : - 유한요소법(有限要素法: finite element method ; FEM) - 경계요소법(境界要素法: boundary element method ; BEM) ③ 실험적 방법 : 광탄성 실험법(photoelastic experiment) Chapter 01 기계설계의 기초
(2) 응력집중의 완화 대책 ① 반원 홈 부착, 라운딩을 주고, 곡률 반지름 증가, 테이퍼 등 ② 몇 개의 단면 변화에 의한 완만한 응력 흐름 ③ 단면 변화 부분에는 보강재 부착 ④ 숏피닝(shot peening), 압연처리, 열처리 강도 증가, 표면거칠기 향상 <그림 1－24> 응력집중의 완화 대책 Chapter 01 기계설계의 기초
1-5 ≫ 재료의 파손 1. 파손과 파괴 ▪ 파손(破損 ; failure) : 연성재료의 변형률이 급격한 증가로 항복된 상태 ▪ 파괴(破壞 ; fracture) : 취성재료는 변형이 작으므로 균열(crack) 발생 · 진전 파단 현상 Chapter 01 기계설계의 기초
2. 파손이론 (1) 최대주응력설(maximum principal stress theory) ▪ 파손조건 : 재료에 조합하중이 작용하는 경우 (1) 응력 한계설 : ① 최대주응력설 ② 최대전단응력설 (2) 변형률 한계설 : ① 최대주변형률설 ② 최대전단변형률설 (3) 변형률 에너지설 : ① 전변형률 에너지설 ② 전단변형률 에너지설 (1) 최대주응력설(maximum principal stress theory) ▪ 주철과 같은 취성재료에 잘 일치하는 이론 Chapter 01 기계설계의 기초
(2) 최대전단응력설(maximum shear stress theory) Tresca의 식 ▪ 3축 응력상태일 때 : ▪ 최대 및 최소주응력만을 고려, 중간 주응력 고려하지 못하는 결점 Chapter 01 기계설계의 기초
(3) 최대주변형률설(maximum principal strain theory) Chapter 01 기계설계의 기초
(4) 변형률 에너지설(strain energy theory) Chapter 01 기계설계의 기초
(5) 전단변형률 에너지설(distortion energy theory) Mises의 식 ▪ 전단변형 에너지설에 의한 파손조건 (3축 주응력) ▪ 중간 주응력의 영향도 고려한 식 연성재료의 미끄럼 파손에 가장 잘 일치 Chapter 01 기계설계의 기초
(6) 파손이론의 비교 Chapter 01 기계설계의 기초
▪ Tresca(최대전단응력설)의 식, Mises(전단변형률 에너지설)의 식이 1축 응력 상태에서 가장 잘 일치 <그림 1－25> 파손이론의 비교 ▪ Tresca(최대전단응력설)의 식, Mises(전단변형률 에너지설)의 식이 1축 응력 상태에서 가장 잘 일치 ▪ Tresca 식은 Mises 식의 타원에 내접하는 6각형 이론 ▪ 이들 두 식론의 차는 약 15.5[%] 정도이다. Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－26> 파손이론 및 실험결과 <그림 1－26>은 각종 파손이론과 재료한 파손강도의 실험 측정결과 <그림 1－26> 파손이론 및 실험결과 Chapter 01 기계설계의 기초
3. 피로파손 (1) 응력 사이클 ▪ 피로파손(fatigue failure) : 일정 시간을 주기로 반복하중에 의한 최대응력의 크기가 정하중의 항복강도보다 훨씬 낮은 응력에서도 반복횟수가 많으면 매우 작은 반복응력에 의해서도 파괴되는 현상 <그림 1－27> 피로 하중의 종류 Chapter 01 기계설계의 기초
Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－28> 반복 응력 사이클 Chapter 01 기계설계의 기초
(2) S－N 곡선 Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－29> 곡선 Chapter 01 기계설계의 기초
▪ 저주기 피로(low－cycle fatigue) : 각 사이클마다 큰 응력이 작용하여 탄성변형과 약간의 소성변형을 일으키므로 피로수명이 짧아지므로 104사이클 이하에서 피로파손이 발생 ▪ 고주기 피로(high－cycle fatigue) : 완전한 탄성변형만이 나타나는 낮은 응력에서는 피로수명이 길어지므로 104사이클 이상에서 피로파손이 발생 ▪ 알루미늄, 구리 및 마그네슘 등의 비철금속 합금 S－ N곡선 곡선이 수평으로 되지 않는 경우가 있으므로 사이클 수 N을 107 또는 108을 지정하여 그 사이클 수에 해당하는 피로한도 적용 ▪ 피로강도 감소의 주요 인자 노치 및 결함, 평균응력, 표면거칠기, 부식 및 표면의 인장잔류응력 등 ▪ 피로강도 향상의 주요 인자 열처리, 고주파 담금질, 침탄처리, 질화처리, 표면압연, 숏피닝 및 표면의 압축잔류응력 등 Chapter 01 기계설계의 기초
(3) 각종 내구 수명식 ① Soderberg의 식(1930년) ② Goodman의 식(1899년) ▪ 정적 및 동적하중의 동시 작용시 각종 내구 수명식 ① Soderberg의 식(1930년) ② Goodman의 식(1899년) ③ Gerber의 식(1874년) Chapter 01 기계설계의 기초
<그림 1－30> 각종 내구수명 선도 Chapter 01 기계설계의 기초
5. 기계의 안전설계 (1) 사용응력과 허용응력 ▪ 사용응력(使用應力 ; working stress) : σw ▪ 허용응력(許容應力 ; allowable stress) : σa - 사용응력의 정확한 파악은 거의 불가능하므로 재료를 사용하는데 허용되는 최대응력 ▪ 극한강도 > 항복응력 > 탄성한도 > 허용응력 ≥ 사용응력 Chapter 01 기계설계의 기초
(2) 안전계수 ▪ 안전계수(safety factor) 또는 안전율 기준강도/허용응력 - 안전계수를 너무 크면 안전성은 좋지만 경제성 저감 - 안전계수를 가능한 한 작게 선정 최적설계 Chapter 01 기계설계의 기초
▪ 안전계수를 결정할 때 고려하여야 할 중요 사항 ① 재질의 균질성 ② 하중계산의 정확성 ③ 응력계산의 정확성 ④ 사용조건(온도, 습도, 마찰, 부식) 등의 영향 ⑤ 공작 및 조립 정밀도와 잔류응력 ⑥ 수명 Chapter 01 기계설계의 기초
(3) 기준강도 ▪ 기준강도의 선정 : 재질, 사용조건 및 수명 등 고려 ① 정하중이 연성재료에 작용 항복응력 ② 정하중이 취성재료에 작용 극한강도 ③ 교번하중 피로한도 - 반복하중 반복피로한도 - 임의의 평균응력 작용 내구선도로부터 응력진폭, 최대응력 및 최소응력 ④ 고온에서 정하중 작용 크리프 한도 ⑤ 저온이나 천이온도 이하 저온취성을 고려한 기준강도 ⑥ 긴 기둥이나 편심하중 좌굴응력 ⑦ 소성설계, 극한설계 붕괴하지 않는 최대하중 Chapter 01 기계설계의 기초
1-6 ≫ 기계재료의 선정 1. 기계재료의 특성 ▪ 공업재료 : 금속, 세라믹스, 고분자, 반도체, 복합재료 ▪ 물리적 성질, 기계적 성질, 전자기적 및 화학적 성질 ▪ 가공방법, 열처리 ▪ 공업재료의 특성을 면밀히 파악한 후 적재적소에 재료 선정 인재의 적재적소 배치와 유사 Chapter 01 기계설계의 기초
▪ 제품의 최적설계 제품의 형상 및 치수의 결정 ▪ 기계적 성질 : 강도, 경도, 충격강도, 피로강도, 크리프 한도, 연성, 전성(展性), 가단성, 주조성, 푸아송비, 가로탄성계수, 세로탄성계수, 파괴인성 ▪ 물리적 성질 : 밀도, 용융점, 비열, 열전도율, 전기전도율, 열팽창계수, 자성 등 ▪ 화학적 성질 : 부식성, 융해잠열 등 Chapter 01 기계설계의 기초
2. 재료 기호 ▪ 재료 기호 : 재료 성분, 제품 규격, 재료 강도, 경도 및 제조방법 등 표시 - 첫 번째 문자 : 재질의 성분 표시 기호로서 원소기호 또는 영어 두문자 - 두 번째 문자 : 규격명 또는 품명의 표시 기호로서 제품 형상과 용도 - 세 번째 문자 : 재료의 최저인장강도 또는 재질의 종류 - 네 번째 문자 : 제조방법 - 다섯 번째 문자 : 제품의 형상기호 Chapter 01 기계설계의 기초