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물질에는 탄성과 소성, 또는 점탄성과 같은 성질이 있습니다. 이런 성질은 다분히 물질을 구성하는 원자나 분자들의 결합구조와 관계있습니다. 금속시편을 원통형으로 만들어 탄성실험을 했을 때와 용수철로 만든 제품이 가지는 탄성과는 상당히 다른 성질이 나타납니다. 금속시편으로 만들어 실험할 때 압력(stress)과 변형도(strain) 관계는 재료역학책의 점탄성물질에 보면 잘 나와있습니다. 응력과 변형도가 시간과 가한 압력에 따라 어떤 관계가 있고 모델링하는 과정도 잘 소개되어 있습니다. 예를 들어 맥스웰 모형, 포이그트 모형등, 이런 모형뿐만아니라 공식을 조합하여 실험치와 일치시키는 방법도 나옵니다. 재료역학과 관련된 논문을 찾아보면 금속시편이나 물질시편을 기계에 걸어놓고 실험한 결과를 현상학적으로 맞추기위한 여러 모델들이 나옵니다. 요즈음은 합성모형을 이용하여 미분방정식의 계수를 계속 높여 컴퓨터로 해석하는 경우와 탄성을 결정하는 영률을 고계텐서로 만들어 차원을 높여 복잡하게 만들어 컴퓨터로 해석을 하기도 합니다. 그러나 이런 모델은 모두 현상학적인 접근방식이기 때문에 탄성변형의 원인을 찾기는 힘듭니다. 재료역학과 관련된 논문들을 찾아보면 어떻게 현상학적으로 접근하는가를 알 수 있을겁니다. 탄성물질이 어떻게 탄성을 잃고 소성이 나타나거나 점탄성성질이 나오는가를 밝히는 것은 재료역학 중에서도 이론이나 기술과 관련된 고체물리 영역에 나옵니다. 한국에서는 좀처럼 구하기 힘들지만 외국에서는 어렵지 않게 찾을 수 있습니다. 물질을 구성하는 원자나 분자들의 allocation이 힘을 가할 때 어떻게 배치가 되는가에 따라 탄성이 소성으로 변하는 과정에 대해 설명을 하고 있습니다. 층밀림, 전치, 부분적인 균열 등이 탄성을 잃고 소성이나 점탄성을 나타내는 원인으로 작용하는데... 아마 발표 논문들을 조합해서 책으로 엮었기 때문에 관련 논문들을 찾아보면 탄성을 잃는 원인이나 관련 공식을 찾을 수 있을겁니다. 금속시편을 만들어 실험하는 것이 아니라 스프링으로 만들어 탄성을 따지는 방법에는 상당한 차이가 있습니다. 어떤 물질을 이용하더라도 각 나라에서 규정하는 공업규격을 만족하는 탄성을 가지면 됩니다. 대표적인 탄성물체은 강철로 스프링을 만들면 강철을 구성하는 물질은 흔히 알고 있듯이 철에다 탄소성분을 조정하여 강도를 조절하는데... 이렇게 간단하지 않습니다. 철만이 아니라 크롬, 망간, 니켈, 규소 등을 섞는데 대략 20여가지 금속이나 비철금속, 기타 원소들을 이용하여 원하는 영률이 나오도록 조절합니다. 원하는 탄성을 갖도록 영률을 조절하는 방법은 제조업체의 독특한 노우하우로 특허청에 등록이 되어 있고 (구성 성분과 제조방법) 각 나라의 공업규격에서는 단지 기호로만 취급합니다. 또 이런 물질을 이용하여 스프링의 형상으로 만들때는 (자동차의 현가장치나 다른 용도에서 사용할 때) 테스트 규범에 합격을 하면 됩니다. 테스트 규범은 각 나라의 공업규격과 국제규격에 나와있습니다. 대체적인 테스트 규범은 스프링을 걸어놓고 프레스로 힘을 천천히 주고 (공업규격에는 정적인 힘을 가할 때 시간과 최대 압력을 규정하고 있습니다) 원래 길이의 몇 퍼센트까지 회복되는가를 보고 합격 여부를 결정합니다. 또 진동장치에 걸어놓고 몇 Hz로 힘을 가할 때 변형이 된 후 원래 탄성을 유지하는가도 규정하고 있습니다. 자동차의 현가장치에 사용하는 스프링은 대표적인 것으로 코일 스프링이 있고 화물차나 버스의 뒷바퀴에 사용하는 겹판스프링이 있습니다. 또 드물게 접시형 스프링이 있고 탄성이 있는 고무에 공기를 넣은 공기스프링, 지하철의 현가장치에 사용하는 고무스프링이 있습니다. 코일스프링은 탄성을 가지면서 탄성한계내에서 선형성이 가장 뛰어납니다. 이런 스프링이라도 오래 사용하면 금속을 이루는 분자들 사이에 층밀림이 일어나 점차 탄성을 잃거나 표면에 균열이 가거나 녹이 슬어 탄성을 벗어나기도 합니다. 그러나 어떤 경우든지 파탄이 일어나지 않는다면 가장 좋은 탄성 특성이 나타납니다. 어떤 공식이 있어 탄성을 어느 정도 벗어나는가에 대한 정보는 잘 알려져있지 않습니다. ISO와 같은 공업규격이나 DIN, EN 등을 찾아봐도 관련 공식이 없습니다. 겹판스프링은 제조 목적이 코일스프링과는 다릅니다. 탄성을 가지고 있으면서 강철판을 서로 겹쳐놓아 마찰에 의해 댐핑효과를 주고 있습니다. 코일 스프링은 댐퍼도 장착해야 하나 겹판스프링은 마찰면을 조절하여 댐핑효과를 주고있습니다. 따라서 겹판스프링을 테스트 장비에 걸어놓고 실험을 해보면 히스테리시스 현상을 관찰할 수 있습니다. 이런 스프링에서는 공업규격에 따른 탄성유지를 따집니다. 몇 년간 스프링을 이용한 후 테스트 장비에 걸어 정적, 동적테스트를 해서 규정하는 회복정도를 만족하면 다시 장착하고 그렇지 않으면 용광로로 들어갑니다. 지하철에 사용하는 고무스프링도 히스테리시스를 이용하나 특성곡선이 겹판스프링과 조금 다르기 때문에 소음을 줄여야 하는 전철에 많이 사용하나 한국에서는 별로 장착한 지하철이 없습니다. 결국 물질 모델로 접근을 할 때 탄성을 잃는 공식은 점탄성공식을 이용하는 어려운 논문을 보면 어느 정도 찾을 수 있을 듯하고, 제품으로 탄성을 따질 때는 각 나라의 공업규격을 참고하면 되나 공식은 찾을 수 없을 듯 합니다. >안녕하세요? >어제도 질문을 올렸는데 좀더 자세히 묻겠습니다.^^ >금속시편에 항복강도 이전의 압력으로 가한후 압력을 해제하면 다시 원래 모습으로 되돌아 옵니다. 그런데 간혹 변형이 발생하는것 같기도 하고 아닌것 같기도 합니다. 예를 들면 자동차 현가장치에서 스프링같은 경우 항복강도 이전의 압력으로 하면 처음에는 원상태로 돌아오지만 몇년시간이 지나면 원래모습의 스프링으로 돌아오지는 않습니다. 이런경우 대체 어떤 이유때문에 원래 모습을 잃어버리게 되는 것인가요? 압력을 가한시간과 항복강도의 관계가 있다면 구체적인 수학적 공식을 알려주시면 감사하겠습니다. 또한 시간, 및 다른 물릴적 변수가 있다면 이러한 여러변수를 이용해서 항복강도 이전의 압력에서도 원형모습을 잃게되는 이론적 공식을 알려주시면 감사하겠습니다. > >제가 화학전공이라..^^ 꼭 좀 부탁드립니다.

>안녕하세요? >어제도 질문을 올렸는데 좀더 자세히 묻겠습니다.^^ >금속시편에 항복강도 이전의 압력으로 가한후 압력을 해제하면 다시 원래 모습으로 되돌아 옵니다. 그런데 간혹 변형이 발생하는것 같기도 하고 아닌것 같기도 합니다. 예를 들면 자동차 현가장치에서 스프링같은 경우 항복강도 이전의 압력으로 하면 처음에는 원상태로 돌아오지만 몇년시간이 지나면 원래모습의 스프링으로 돌아오지는 않습니다. 이런경우 대체 어떤 이유때문에 원래 모습을 잃어버리게 되는 것인가요? 압력을 가한시간과 항복강도의 관계가 있다면 구체적인 수학적 공식을 알려주시면 감사하겠습니다. 또한 시간, 및 다른 물릴적 변수가 있다면 이러한 여러변수를 이용해서 항복강도 이전의 압력에서도 원형모습을 잃게되는 이론적 공식을 알려주시면 감사하겠습니다. > >제가 화학전공이라..^^ 꼭 좀 부탁드립니다. 고무같은 점탄성 재료는 논외로 하고, 일단 금속을 기준으로 설명해보죠. 스프링이 항복강도이하의 압력에서 원래대로 돌아오지 않는것은 Stress relaxation이 일어나기 때문입니다. Stress relaxation이 일어나는 이유는 주로 탄소, 질소와 같은 확산속도가 빠른 침입형 원자들이 재료내부의 공공이나 전위와 같은 결함과 쉽게 결합하면서 외부응력이 완화되는 현상과 관련이 있고, Zener 완화 또는 Snoek 완화현상이라고 합니다. 이외에도 다양한 결함 또는 상변태에 의해서 응력완화 현상이 일어날수있습니다. 질문하신 내용중 압력을 가한 시간과 항복강도의 관계는 약간 다른 질문으로 생각됩니다. 압력(응력), 시간, 변형량과의 관계는 윗분이 설명하였듯이 가장 일반적으로 Voigt 모델과 Maxwell 모델이 있으니 관련논문을 찾아보시기 바랍니다. 아울러 아래 주소 및 문헌을 참고해보시기 바랍니다. 1. Creep and anelasticity in the springback of aluminum, International Journal of Plasticity Volume 20, Issue 12, December 2004, Pages 2209-2232 2. http://www.brushwellman.com/, 스프링재료로 많이 쓰이는 Cu-Be합금관련자료 풍부

>안녕하세요? >어제도 질문을 올렸는데 좀더 자세히 묻겠습니다.^^ >금속시편에 항복강도 이전의 압력으로 가한후 압력을 해제하면 다시 원래 모습으로 되돌아 옵니다. 그런데 간혹 변형이 발생하는것 같기도 하고 아닌것 같기도 합니다. 예를 들면 자동차 현가장치에서 스프링같은 경우 항복강도 이전의 압력으로 하면 처음에는 원상태로 돌아오지만 몇년시간이 지나면 원래모습의 스프링으로 돌아오지는 않습니다. 이런경우 대체 어떤 이유때문에 원래 모습을 잃어버리게 되는 것인가요? 압력을 가한시간과 항복강도의 관계가 있다면 구체적인 수학적 공식을 알려주시면 감사하겠습니다. 또한 시간, 및 다른 물릴적 변수가 있다면 이러한 여러변수를 이용해서 항복강도 이전의 압력에서도 원형모습을 잃게되는 이론적 공식을 알려주시면 감사하겠습니다. > 재료에는 탄성과 소성의 성질이 있습니다. 유리처럼 취성재료는 탄성을 갖는데 작은 소성도 포함되어 있습니다. 반면 고무나 연강처럼 연성재료는 주로 소성적 성질이며 탄성이 작습니다. 즉, 재료에는 탄소성이 포함되어 있습니다. 상대적으로 어느 것이 지배적인지의 문제입니다. 만일 극저온에서 취성재료에 하중을 가하면 완전 탄성에 가깝습니다. 아시다시피 탄성은 힘을 가한 후 제하하면 원래의 모양으로 회복되는 성질입니다. 탄성과 항복은 다른 문제입니다. 주로 항복은 소성구간에서 생기고, 소성의 시작이 항복을 의미하는 것은 아닙니다. 질문하신 분은 예상컨데 탄성점 이상에서 압력을 가한 듯합니다. 제 생각으론, 항복강도보다 더 낮은, 즉 탄성구간 내의 강도조건에서 행해야 원래 모습으로 돌아옵니다. 이럴 경우에도 재료에 미미한 결함이나 형상변화가 급격한 부분에서는 더 낮은 강도수준이 되어야 형상이 회복됩니다. 탄성구간에서도 몇 년지나면 회복되지 않는 이유는 피로현상이 가중되기 때문이지요. 참고로 강도나 응력은 단위면적당 힘을 의미합니다. 압력과 동일하지요.