인장력

인장력

인장력(Tension Force, 引張力)은 물체의 중심축에 평행하게 바깥 방향으로 작용하여 물체가 늘어나게 하는 힘이다. 대비되는 힘으로는 누르는 힘인 압축력이 있다. 인장력은 일반적으로 파운드(lbs) 또는 뉴턴(N)으로 측정된다.

개요

인장력은 물체의 형상에따라 잡아 늘리려는 힘으로 당기는 힘을 말한다. 일상에서 쉽게 경험할 수 있는 대표적인 경우가 바로 낚시줄이다. 물고기가 걸렸을 때 강한 힘으로 끌어당길 수 있는데 바로 인장력이다. 로프 끝에 무게를 걸면 로프가 당겨지며 추에 의해 생성되는 힘을 인장력이라고 한다. 외력(外力)이 작용하면 재료 내부에는 이에 저항하는 힘이 생기는데 이를 응력(stress)이라고 한다. 응력이란 단위 면적당 작용하는 힘을 말하며 같은 힘을 주더라도 힘을 받는 면적이 넓으면 응력은 작아지게 된다. 잡아당길 때 생기는 응력을 인장응력이라고 한다.

인장시험

인장시험(Tensile Strength Test)은 재료의 기계적 특성을 알아내기 위한 가장 기본적인 시험일 것이다. 인장시험은 일반적으로 간단하며 상대적으로 저렴하고 거의 대부분 표준화가 되어있다. 재료를 당겨봄으로써 그 재료가 인장력에 대하여 어떤 반응을 보이는지를 알아내는 것이다. 즉 재료가 당겨질 때 그 재료가 얼마나 강하며 얼마나 잘 늘어나는지를 알아보는 시험이다.

위의 그래프는 일정한 속도로 시편 양쪽에서 잡아당겨 변형량을 증가시키고, 이에 필요한 하중을 측정하여 하중(Load) - 변형(Deformation)의 곡선이 얻어진다.

만약 재료를 세게 잡아당겨 응력이 탄성범위를 넘어서면 재료는 원래의 상태로 돌아오지 못하게 된다. 고무줄을 적당히 잡아당겼다 놓으면 원래 모습으로 돌아가지만 너무 세게 잡아당기면 끊어져 버리듯이 고체가 외부에서 탄성 한계 이상의 힘을 받아 형태가 바뀐 뒤 가해지던 힘이 없어져도 더 이상 본래의 모양으로 돌아가지 않는 성질을 소성(塑性, plasticity)이라고 합니다. 응력이 항복점(降伏點, 탄성과 소성의 경계점)까지 넘어서면 재료는 엿가락처럼 늘어나게 되는데 이것을 소성변화라고 한다. 여기서 더욱 세게 잡아당기면 재료는 늘어지며 목이 가늘어지는 네킹(necking) 현상이 발생하고 결국은 끊어지게 된다.

목적

인장시험을 통하여 그 재료의 특성을 잘 알 수 있다. 재료가 파단이 일어날 때까지 당기게 되면 위의 그림과 같은 인장 그래프를 얻을 수 있다. 이는 그 재료가 가해지는 인장력에 대해 어떻게 반응하는 가를 보여주는 것이다. 하중이 가장 높은 지점의 응력이 그 재료의 인장강도(Tensile strength)가 되며 최대 강도(Ultimate Strength) 또는 UTS라고 한다.

인장시험 계산식

UTS (psi) = maximum load (최대 하중) / area of original cross section (단면적 : 원일경우 3.14 x r ^2)

탄성영역에서의 응력은 거의 차이가 없으므로 소성영역에서의 진응력 σt (True Stress)를 적용한다.

• 시험편의 최대하중을 시험편의 최초 단면적으로 나눈값(kg/㎟ 또는 MPa)을 말한다. 즉 공칭응력의 최대점.
• "psi" 단위를 "MPa"로 변환할 경우, 0.00689를 곱해줄 것.

항복강도(Yield Strength)

탄성한계를 넘어서 하중을 계속 증가시키면 응력과 변형률의 곡선이 직선에서 벗어나게 되는 점에서의 응력을 말하며 상항복점에서의 응력 또는 0.2% 의 소성변형을 일으키는 응력, 즉 0.2% Offset 응력을 항복강도로 규정한다.

공칭변형률

공칭변형률 εn 은 시편의 변화 ΔL (변형 후 시편의 표점거리 L – 초기 표점거리 L0)을 L0로 나눈값으로 정의한다.

εn = ( L - L0 ) / L0 = ΔL / L0

인장응력

인장응력은 재료에 인장력 또는 인장력이 가해질 때 발생한다. 응력은 파스칼(Pa)이라고도 하는 전형적인 평방 인치당 파운드 (psi) 단위 또는 평방 미터당 뉴턴 (Newtons) 단위로 단면적에 가해지는 힘으로 정의된다. 재료가 노출되는 응력의 유형은 힘이 적용되는 방법에 따라 다르다. 세 가지 기본 유형의 응력은 인장, 압축 및 전단이다. 인장 응력에 대한 이해는 기계 공학 및 설계 응용 분야에서 재료를 선택할 때 중요하다. 응력이 가해진 물체의 크기는 힘이 가해질 때 발생하는 변형이나 변형으로 인해 변경된다. 인장 응력을 받는 재료는 변형이 발생하면 늘어난다. 낮은 응력에 노출된 재료는 힘이 제거된 후 원래 치수로 돌아간다. 응력이 높으면 힘이 제거되어 영구 변형될 때 재료가 원래 상태로 돌아오지 않을 수 있다. 적용된 응력과 해당 변형 간의 관계는 인장 응력에 노출될 때 재료의 거동을 예측하는 데 사용된다.

인장응력

참고자료

• 〈인장력〉, 《국어 사전》
• 〈인장력이란?〉, netinbag
• 초원, 〈인장력〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-09
• 한화택 교수, 〈2018.08.17 쉽게 알아보는 공학이야기 3 – 재료역학 편〉, 《티스토리》, 2018-08-17
• 플랜트자료, 〈인장시험 (Tensile Strength Test)〉, 《티스토리》, 2017-05-13
• 〈인장 응력이란?〉, Netinbag

같이 보기

• 물체
• 힘

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