CHAPTER 2

1. CHAPTER 2 Mechanical Behavior, Testing, and Manufacturing Properties of Materials

2. 2.1.개요:힘과 변형 • •재료에 외부에서 힘을 가할 경우 내부적으로 원자의 이동을 야기 시키고 외부적으로 변형 혹은 파괴를 유발함. •  - 원자의 수는 동일함(탄성 변형시는 부피변화하나 • 소성변형시 부피 변화 없음) •    - 내부조직 및 내부 결함 변화 •    - 외부 형상 변화 • •변형의 유형 ( 그림 2.1) •  - 인장(Tension) •    - 압축(Compression) •    - 전단(Torsion or shear) • - 모든 형상 변화는 상기 3 유형의 조합으로 이루어짐

3. (b) Tensile-Test Specimen and Machine Figure 2.1 (a) A standard tensile-test specimen before and after pulling, showing original and final gage lengths. (b) A typical tensile-testing machine.

4. Stress-Strain Curve Figure 2.2 A typical stress- strain curve obtained from a tension test, showing various features.

5. 인장특성 • o 인장시험 •    - 가장 보편적 기계적 특성시험법(ASTM 혹은 KS) •    - 하중과 변형량 측정→ 공칭응력/공칭 변형율등 •      *공칭응력(Engineering stress): e= P/A0 ,단위 psi(ksi) or pa(MPa) •     *공칭변형율(Engineering strain):e=( l-l0)/l0단위 길이/길이(무단위) • O 인장특성 •   -탄성한계/ 비례한계(Elastic limit,Proportional limit):측정이 어려움 • -탄성계수(Elastic Modules or Young's Modulus): • E = e/ e 단위 Gpa, Ksi • -항복강도(Yield Strength,Y orYS):0.002offset strain 에서의 강도 • -극한 인장강도(Ultimate Tensile Strength, UTS or TS):최대하중에서 강도 •   -균일변형율(Uniform strain):UTS까지 변형율 •   -연신율(% Elongation): 파단시까지 변형율 = {(lf-l0)/l0}x100 % •   -단면 감소율(%)={(A0-Af)/A0}×100 %

6. Mechanical Properties of Various Materials at Room Temperature

7. Loading and Unloading of Tensile-Test Specimen Figure 2.3 Schematic illustration of the loading and the unloading of a tensile- test specimen. Note that, during unloading, the curve follows a path parallel to the original elastic slope.

8. Elongation versus % Area Reduction Figure 2.4 Approximate relationship between elongation and tensile reduction of area for various groups of metals.

9. 진응력과 진변형률 • 어떤 순간에 어떤 지점에서의실제응력과 변형율       - 진응력(true stress): = P/A • - 진변형률(true strain): = dl/l = (ln l/l0) • *균일변형구간에서는 (ln l/l0)=(ln A0/A) • 진응력-진변형률 곡선(그림 2.3) •   -σ =Kεn 으로 표시(탄성영역은 표시 못함) •      →logσ=log K + nlogε •   *n: 가공경화지수 혹은 변형경화지수(work-hardening  exponent or strain-hardening exp.) •     K:  강도 계수(Strength coefficient) •유동응력(Flow stress): 어떤 변형율에서의 소성변형 을 유발시키는데 필요한 응력 •인성:파단시까지 소산된 단위체적당 에너지 -진응력-진변형률 곡선의 아랫부분 면적 = d 

10. 불안정성(Instability) •인장시험시 극한인장강도(UTS)에 해당되는 점에서 Necking시작 -하중-변위곡선의 기울기 0(dp/dl=0) -단면적이 급격히 감소되는 불안정 변형 -At Necking point, dp/dl=0 dp/d =0d/d=  & σ =Kεnu =n →n 값이 커지면 균일 변형율 증가 -Necking은 하중에 따른 단면적 감소 속도가 변형 경화에 의한 강도의 증가속도보다 커질 때 발생 •균일변형구간에서 공칭응력/변형률과 진응력 변형률간의 관계 σ = P/A=P/(A0 l0/l)= σe(1+e)  = ln (l/ l0) = ln(l- l0+l0)/l =ln(1+e)

11. Construction of True Stress-True Strain Curve Figure 2.5 (a) Load-elongation curve in tension testing of a stainless steel specimen. (b) Engineering stress-engineering strain curve, drawn from the data in Fig. 2.5a. (c) True stress-true strain curve, drawn from the data in Fig. 2.5b. Note that this curve has a positive slope, indicating that the material is becoming stronger as it is strained. (d) True stress-true strain curve plotted on log-log paper and based on the corrected curve in Fig. 2.5c. The correction is due to the triaxial state of stress that exists in the necked region of a specimen.

12. Typical Values for K and n at Room Temperature

13. True Stress-True Strain Curves Figure 2.6 True stress-true strain curves in tension at room temperature for various metals. The curves start at a finite level of stress: The elastic regions have too steep a slope to be shown in this figure, and so each curve starts at the yield stress, Y, of the material.

14. 공정변수가 특성에 미치는 영향 •온도의 영향   - 온도증가→강도저하, 연신율 증가, n 감소 • 변형율 속도의 영향.   - 금속 가공공정에 따라 변형속도가 크게 다름(표2.4)   -온도가 증가할수록 변형거동에 미치는 영향이 커짐(그림2.11)   - 변형율 속도 증가→강도증가, n 감소   - 일반식: σ=K'εnεm, m:변형율 속도 민감지수(strain-rate sensitivity exponent)  = 0.05이하(냉간가공의 경우) ,   0.05~0.4(열간가공의 경우)        0.3~085(초소성 재료의 경우),     1 (뉴턴유체)   - m 값이 클 경우 necking에 대한 저항이 커짐→연신율 증가→     초소성 거동 • 정수압(hydrostatic pressure)의 영향   -연성 증가, 진응력-진변형률 곡선 형태에는 거의 영향 없음

15. Temperature Effects on Stress-Strain Curves Figure 2.7 Typical effects of temperature on stress-strain curves. Note that temperature affects the modulus of elasticity, the yield stress, the ultimate tensile strength, and the toughness (area under the curve) of materials.

16. Typical Ranges of Strain and Deformation Rate in Manufacturing Processes

17. Figure 2.8 The effect of strain rate on the ultimate tensile strength for aluminum. Note that, as the temperature increases, the slopes of the curves increase; thus, strength becomes more and more sensitive to strain rate as temperature increases. Source: J. H. Hollomon. Effect of Strain Rate on Ultimate Tensile Strength

18. 응력-변형율 곡선의 형태 •재료의 특성과 조건에 따라 다른 모델:그림2-8  - 완전 탄성재료(Perfectly elastic material) •  ex. 유리, 세라믹, fiber, 일부주철등 취성재료 - 강(剛)-완전소성재료(rigid-perfectly plastic material): • E값이 무한대이며 가공경화가 없음, 가상재료거동. - 탄성-완전소성재료(elastic-perfectly plastic mat.): 가공경화 없슴. 금속재료의 고온에서의 형거동  - 강-선형가공경화재료(rigid-linearly strain-hardening • mat.):E값이 무한대,직선적 가공경화 - 탄-선형가공경화재료(elastic-linearly strain-hardening •  mat.): 금속재료의 상온에서의 일반적인 변형거동과 유사함

19. 압축시험(Compression test) • 원통형 시편을 압축하여 압축하중에 따른 변형측정 →진응력-진변형율로 환산 • - 마찰이 있을 경우 barreling 현상(그림2.15) •  →실제 변형 거동 Data를 얻기 어려움 • - 배럴 표면에 균열 →소성변형능(Workability) 측정 • 평면 변형율 압축시험(Plane strain compression test): -한방 향으로의 변형이 일어나지 않도록 한 조건에서 압축시험. • 바우싱거 효과(Bausehinger effect) - 인장후 압축 혹은 압축후 인장을 소성역까지 할 경우 항복강도가  낮아지는 현상 •변형연화(Strain softening) 혹은 가공연화(Work softening):변형에 따라 강도가 낮아짐

20. Disk and Torsion-Test Specimens Figure 2.9 Disk test on a brittle material, showing the direction of loading and the fracture path. Figure 2.10 Typical torsion-test specimen; it is mounted between the two heads of a testing machine and twisted. Note the shear deformation of an element in the reduced section of the specimen.

21. 원판시험 및 비틂시험 •원판시험: 원판을 이용한 세라믹등 취성재료의 강도 측정 방법,  =2P/dt •비틂 시험(Torsion test) -일반적으로 관형상 시편(tubular specimen) - 전단응력(torsional stress or shear stress) •  = T/2 r2t , T: 비틂 모멘트(twist moment or torque) - 전단 변형율(torsional strain or shear strain) •  =r/l , : 비틂감(rad 단위) - 전단 탄성계수(shear modulus) •     G= / , and also G= E/2(1+) , : Poisson’s ratio - 인장시험과 달리 Necking이 발생하지 않음. •     예 2.4 dT/dε≠0

22. Bending Figure 2.11 Two bend-test methods for brittle materials: (a) three-point bending; (b) four-point bending. The areas on the beams represent the bending-moment diagrams, described in texts on mechanics of solids. Note the region of constant maximum bending moment in (b); by contrast, the maximum bending moment occurs only at the center of the specimen in (a).

23. 굽힘시험 •세라믹이나 카바이드 같이 단단하고 취성이 큰 재료 - 시편가공, 인장/압축시험이 어려움 • → 굽힘시험(Bending test) 혹은 굴곡시험(flexure test)을 주로 사용 - 직사각형 혹은 원주형 보(beam) 시편의 하면을 양단지지하고 하중은 하나(Three point bending) 혹은 두개의 점(Four point bending  test)에 수직으로 작용 - 파단응력을 파단계수(modulus of rupture), 굽힙강도(bend strength), flexural strength 혹은 횡 파단강도 (transverse rupture strength)라고 함 •  = MC/I, • M: 굽힘 모멘트,      C: 시편 두께의 반      I: 단면 2차 모멘트 - 직사각 시편의 경우 M= FL/4, C=d/2, I=bd3/12(F:하중, L: span, d:두께, b:폭) • TRS = 3FfL/2 bd3 - 세점 굽힘시험에서는 최대 응력이 보의 중심점에 위치. 네점굽힘에서는 두 하중 작용점 사이에 균일하게 위치 - 하중점 하부에 존재하는 결함에 매우 민감함 •  → 네점 굽힘시 결함 확율이 큼 • → 일반적으로 낮은 횡파단 강도를 나타내나 덜분산됨

24. 경도시험(hardness Testing) •경도: 압입으로 생기는 영구변형에 대한 재료의 저항 정도 •표준 시험법 -브린넬 시험(Brinell Hardness Test) o표면적에 대한 압입하중의 비로 표현. o 일반적으로 경도가 낮거나 중간정도의 재료에 적합 - 로크웰 시험(Rockwell Hardness test) o 하중에 따른 압입된깊이측정. o압입자의 크기, 형상에 따라 A~G까지 (표 2.24) •      예:HRAOO, HRBOO - 비커스 시험(Vickers hardness test) o피라미드 경도 시험(diamond pyramid hardness test)라고도 하며 피라미드 형상의 다이아몬드 압입자를 1~120kg의 하중으로  압입. o주로 경한 재료의 경도 시험에 적합하며 미세경도 측정에도 많이 활용 됨. •    ․예: VHN000 등. - 누우프 시험(Knoop Hardness test) • o한쪽 대각선이 긴 다이아몬드 압입자를 사용 • o가벼운 하중을 사용하여 미소경도 시험 (microhardness test)에 적합. - 기타:쇼어(Shore) 경도, 모스(Mohs), duro test등 - 경도는 강도와 거의 비례 함: 경도= cY

25. Hardness Tests Figure 2.12 General characteristics of hardness-testing methods and formulas for calculating hardness. The quantity P is the load applied. Source: H. W. Hayden, et al., The Structure and Properties of Materials, Vol. III (John Wiley & Sons, 1965).

26. Hardness Conversion Chart Figure 2.14 Chart for converting various hardness scales. Note the limited range of most scales. Because of the many factors involved, these conversions are approximate.

27. 피로(Fatigue)와 크리프(Creep) • 피로(Farigue) -반복하중에 의한 낮은 응력에서의 파괴 -실제 구조품이나 부품 파리의 주 원인(80%이상) -다양한 형태의 반복 하중이 실제적으로 가하지며 시험 은 실제 하중에 근접한 상태로 수행이 바람직. -일반적 시험 o 인장/압축 반복, 예:Rotating bending test •    →S/N curve o재료에 따라 내구한도(endurance limit) 혹은 피로한도(fatigue limit)를 가짐(철강재료) • 크리프(Creep) -정하중하에서 시간이 경과 함에 따라 변형되는 현상으로 고온(0.5Tm • 이상)에서 작동되는 부품들의 경우 중요함. -크리프 곡선(그림2.30) •    1단계(Primary), 2단계(Secondary), 3단계(tertiary) 크리프 →크리프 파단(Creep rupture) •응력이완(Stress relaxation) -크리프와 밀접한 관계가 있으며 정해진 탄성변형을 유지하는데 필요한 응력이 시간에 따라 소멸되는 현상 ,   예: 리벳, 볼트, 스프링 등.

28. S-N Curves Figure 2.15 Typical S-N curves for two metals. Note that, unlike steel, aluminum does not have an endurance limit.

29. Endurance Limit/Tensile Strength versus Tensile Strength Figure 2.16 Ratio of endurance limit to tensile strength for various metals, as a function of tensile strength. Because aluminum does not have an endurance limit, the correlation for aluminum are based on a specific number of cycles, as is seen in Fig. 2.15.

30. Creep Curve Figure 2.17 Schematic illustration of a typical creep curve. The linear segment of the curve (secondary) is used in designing components for a specific creep life.

31. 충격인성, 잔류응력 • 충격인성(Impact Toughness) -재료가 충격하중(Impact loading)을 받아 파괴 될 때까지 흡수되는 -Charpy, Izod 충격시험이 주로 사용됨 -파괴인성(Fracture toughness) 과 다름 • 잔류응력 -소재가 변형 된 후 외력이 모두 제거된 상태에서도 소재에 남아 있는 응력.   예: 그림 2.32 -잔류응력이 있는 상태에서 형상에 변화를 주면, 예:구멍을 뚫거나 부분적 절삭등, 평형이 깨어져서 응력 평형을 만족 시키는 형상으로 변형됨. •   →뒤틀림(Warping)등 초래. -상변태, 온도구배등에 의해서도 잔류응력이 생성됨. •잔류응력의 제거 -응력제거 풀림처리(stress,relif annealing)를 하거나 소성변형을 추가시키는 방법등. - 응력제거 풀림처리는 뒤틀림을 동반 할 수 있음.

32. Residual Stresses Figure 2.29 Residual stresses developed in bending a beam having a rectangular cross-section. Note that the horizontal forces and moments caused by residual stresses in the beam must be balanced internally. Because of nonuniform deformation during metalworking operations, most parts develop residual stresses.

33. Distortion of Parts with Residual Stresses Figure 2.30 Distortion of parts, with residual stresses, after cutting or slitting: (a) flat sheet or plate; (b) solid round rod; (c) think-walled tubing or pipe.

34. Impact Test Specimens Figure 2.18 Impact test specimens: (a) Charpy; (b) Izod.

35. Failures of Materials and Fractures in Tension Figure 2.19 Schematic illustration of types of failures in materials: (a) necking and fracture of ductile materials; (b) Buckling of ductile materials under a compressive load; (c) fracture of brittle materials in compression; (d) cracking on the barreled surface of ductile materials in compression. Figure 2.20 Schematic illustration of the types of fracture in tension: (a) brittle fracture in polycrystalline metals; (b) shear fracture in ductile single crystals--see also Fig. 1.6a; (c) ductile cup-and-cone fracture in polycrystalline metals; (d) complete ductile fracture in polycrystalline metals, with 100% reduction of area.

36. Ductile Fracture Figure 2.21 Surface of ductile fracture in low-carbon steel, showing dimples. Fracture is usually initiated at impurities, inclusions, or preexisting voids (microporosity) in the metal. Source: K.-H. Habig and D. Klaffke. Photo by BAM Berlin/Germany.

37. Fracture of a Tensile-Test Specimen Figure 2.22 Sequence of events in necking and fracture of a tensile-test specimen: (a) early stage of necking; (b) small voids begin to form within the necked region; (c) voids coalesce, producing an internal crack; (d) the rest of the cross-section begins to fail at the periphery, by shearing; (e) the final fracture surfaces, known as cup- (top fracture surface) and cone- (bottom surface) fracture.

38. Deformation of Soft and Hard Inclusions Figure 2.23 Schematic illustration of the deformation of soft and hard inclusions and of their effect on void formation in plastic deformation. Note that, because they do not comply with the overall deformation of the ductile matrix, hard inclusions can cause internal voids.

39. Transition Temperature Figure 2.24 Schematic illustration of transition temperature in metals.

40. Brittle Fracture Surface Figure 2.25 Fracture surface of steel that has failed in a brittle manner. The fracture path is transgranular (through the grains). Magnification: 200X. Source: Courtesy of B. J. Schulze and S. L. Meiley and Packer Engineering Associates, Inc.

41. Intergranular Fracture Figure 2.26 Intergranular fracture, at two different magnifications. Grains and grain boundaries are clearly visible in this micrograph. Te fracture path is along the grain boundaries. Magnification: left, 100X; right, 500X. Source: Courtesy of B. J. Schulze and S. L. Meiley and Packer Engineering Associates, Inc.

42. Fatigue-Fracture Surface Figure 2.27 Typical fatigue-fracture surface on metals, showing beach marks. Magnification: left, 500X; right, 1000X. Source: Courtesy of B. J. Schulze and S. L. Meiley and Packer Engineering Associates, Inc.

43. Reduction in Fatigue Strength Figure 2.28 Reductions in the fatigue strength of cast steels subjected to various surface-finishing operations. Note that the reduction becomes greater as the surface roughness and the strength of the steel increase. Source: M. R. Mitchell.