체결 부품의 강도 수치는 힘을 봉이 처음 가졌던 단면적으로 나눈 값입니다

이 페이지가 쓰인 경위를 밝혀 둡니다. 여기서는 보통 포럼의 질문 하나를 골라 그 뒤에 있는 문서를 읽습니다. 이번에는 브라우저 도구를 쓸 수 없었기 때문에, 주제는 이 사이트 자체의 공백에서 골랐습니다. 이 사이트의 수백 페이지가 강도 수치를 인용하는데, 전체를 검색해도 내력, 표점 거리, 신율계, 변형률 속도, 0.2 %라는 표현은 한 건도 나오지 않습니다. 바로잡을 가치가 있다고 보았습니다.

여기서는 재료나 시험에 관한 권고를 하지 않으며, 어떤 시험소나 장비도 거명하지 않습니다.

분모는 결코 움직이지 않습니다

둥근 봉을 당기면 늘어나고, 어느 지점을 지나면 한 곳이 가늘어지기 시작합니다. 끊어질 무렵이면 파단부의 금속은 처음보다 훨씬 작은 단면으로 하중을 받고 있습니다. 그 순간 그 금속의 응력은 보고될 어떤 수치보다도 상당히 높습니다.

표준은 처음부터 끝까지 원래 단면적 S_o로 나누기 때문입니다. 이것이 공칭 응력의 뜻이며, 문서는 이를 추론하게 두지 않고 한 줄로 밝힙니다.

두 번째 놀라운 점은 대표 수치의 정의에 있습니다. 인장 강도 R_m은 최대 하중에 대응하는 응력입니다. 파단 시의 하중이 아닙니다. 연성 금속에서는 이 둘이 눈에 보이는 간격을 둔 별개의 사건입니다. 하중이 정점에 이르고, 넥킹이 생기고, 하중이 떨어진 뒤에 파단됩니다. 인용되는 수치는 정점의 값입니다.

대부분의 경우 항복 강도는 없습니다

이 부분이 사양서를 읽는 방식을 바꿉니다. 항복 강도는 “금속 재료가 항복 현상을 보일 때”(번역) 적용되는 것으로 정의됩니다. 즉 하중이 전혀 늘지 않는데 소성 변형이 일어나는 응력입니다. 어떤 강재는 눈에 띄게 그렇게 하며, 표준은 이들에게 상항복 강도와 하항복 강도를 부여합니다.

대부분은 그렇지 않습니다. 나머지 모든 재료에는 소성 연신 내력 R_p가 있습니다. 소성 연신이 신율계 표점 거리의 규정된 백분율과 같아지는 응력이며, 그 백분율은 아래 첨자에 적습니다. R_p0.2가 여기서 나옵니다.

따라서 모두가 항복점이라고 부르는 수치는 대부분의 체결 부품용 강재에서 1000분의 2의 영구 연신을 남기기 때문에 선택된 응력입니다. 20 mm 신율계 표점 거리에서는 0.04 mm이며, 이는 표준이 아니라 저희가 계산한 값입니다. 재료가 넘어서는 문턱이 아닙니다. 모서리가 없는 곡선 위에 위원회가 그어 놓은 선입니다.

그리고 알맞은 계측기 없이는 측정할 수 없습니다. 정의 부분의 주는 R_p를 포함해 연신에 기반한 특성에는 신율계 사용이 필수라고 분명히 말합니다.

지름의 5배를 5.65로 적은 것

연신율은 길이에 대한 백분율이므로 길이를 합의해 두어야 합니다. 표준은 권장 시험편을 L_o = k √S_o로 정의되는 비례 시험편이라 부르고, “국제적으로 채택된 k 값은 5.65이다”(번역)라고 명시합니다.

이 수는 1998년판이 그 아래에 단 각주를 찾기 전까지는 임의의 값처럼 보입니다.

원형 단면에서 √(4S_o/π)는 지름입니다. 그러니 식 전체가 말하는 것은 지름의 5배입니다. 상수에 대한 저희 계산은 5 × √(4/π) = 5 × 1,128 4 = 5,641 9이며, 반올림하면 5.65입니다. 그리고 단면이 너무 작을 때 표준이 제시하는 대안 11.3은 10 × 1,128 4 = 11,283 8, 즉 지름의 10배이며 정확히 5.65의 두 배입니다.

측정 오차처럼 보이는 두 상수는 둥근 봉을 자기 지름의 5배와 10배 길이에서 잰 것입니다. 그리고 연신율은 정의상 그 길이에 대한 백분율이므로, 1998년판은 표점 거리가 5.65에 해당하는 길이가 아닐 때마다 기호에 지수를 붙이도록 요구합니다. A_11.3 또는 A_{80 mm}처럼입니다. 그냥 A로 인용된 연신율은 지름 5배짜리이며, 이 관례만이 그런 두 수치를 비교 가능하게 해 줍니다.

표점 거리에는 15 mm라는 하한이 있고, 주는 20 mm 미만에서는 연신율 결과의 불확도가 커진다고 경고합니다. 이는 표준이 아니라 저희의 관찰입니다만, 허용되면서도 더 나쁘다고 알려진 5 mm의 구간이 있는 셈입니다.

얼마나 빨리 당기는지도 답의 일부입니다

서문은 이 점에서 이례적으로 솔직합니다. 시험 속도에는 두 가지 방법이 있습니다. 방법 A는 변형률 속도에 기반하고 방법 B는 응력 속도에 기반합니다. 방법 A는 속도에 민감한 매개변수를 결정하는 순간의 시험 속도 변동을 최소화하고 측정 불확도를 최소화하기 위해 존재합니다.

그다음이 이유이며, 기억해 둘 만한 문장입니다. “재료의 변형률 속도 민감도는 알려지지 않은 경우가 많으므로 방법 A의 사용을 강력히 권장한다”(번역).

따라서 강도 수치는 당기는 속도를 포함한 질문에 대한 답이며, 표준은 그 속도에 대한 민감도가 해당 재료에서 알려지지 않은 경우가 많다고 말합니다. 표준은 속도가 중요하지 않다고 주장하는 대신 속도를 관리하는 방식으로 이 문제를 다룹니다.

상온은 25도 폭의 구간입니다

원리 조항이 조건을 정합니다. “별도 규정이 없으면 시험은 10 °C에서 35 °C 사이의 상온에서 실시한다.”(번역) 이 범위를 벗어나면 온도를 기록하고 보고해야 하며, 시험소는 그 영향을 평가해야 합니다.

이어서 두 번째로 더 엄격한 문장이 나옵니다. “관리된 조건에서 실시하는 시험은 23 °C ± 5 °C의 온도에서 한다.”(번역)

즉 한 조항 안에 상온이 두 가지 있으며, 일반 상온의 폭은 관리된 조건의 두 배 반입니다. 이는 저희가 뺄셈으로 구한 값입니다. 어느 조건인지 밝히지 않고 인용된 수치는 25도 폭 안의 어디에서 측정되었을 수도 있습니다.

부러뜨린 다음, 두 조각을 다시 맞춥니다

물리적인 장면만으로도 읽어 볼 가치가 있는 정의가 하나 있습니다. 파단 후 최종 표점 거리는 파단 뒤 상온에서 측정하며, “두 조각을 축이 일직선이 되도록 조심스럽게 맞춘 상태에서”(번역) 잽니다.

파단 연신율은 그 길이에서 원래 길이를 뺀 값을 원래 길이로 나눈 것입니다. 업계에서 가장 많이 인용되는 연성 수치는 부러진 봉을 손으로 다시 맞춰 두 표점 사이를 재서 얻습니다.

용어가 바뀌었습니다

1998년 문서와 현행 문서 사이에 작은 변경이 두 가지 있으며, 둘 다 숨기지 않고 기록되어 있습니다.

• 1998년판은 비비례 연신 내력이라고 불렀습니다. 2019년판은 소성 연신 내력이라고 부르며, 주에서 이 정의가 옛 명칭을 쓰는 기술 보고서를 바탕으로 했다고 밝힙니다
• 1998년판은 시험을 10도에서 35도 사이의 주위 온도에서 실시한다고 했습니다. 2019년판은 같은 두 수치 사이의 상온이라고 합니다

둘 다 값을 바꾸지는 않습니다. 다만 오래된 데이터시트에서 수치를 추적할 때 무엇을 검색해야 하는지는 바꿉니다. 이것이 이 변경에 주목할 실무적인 이유입니다.

강도 등급이 이 수치들을 어떻게 쓰는지, 그리고 등급이 어디서부터 적용되지 않는지는 별개의 문제로 강도 등급과 온도에 관한 페이지에서 다루며 여기서는 반복하지 않습니다.

정리

• 응력은 처음부터 끝까지 힘을 원래 단면적으로 나눈 값입니다. 표준은 응력이 모두 공칭 응력을 가리킨다고 말합니다
• 인장 강도는 파단이 아니라 최대 하중에서의 값입니다
• 항복 강도는 재료가 항복 현상을 보일 때만 존재합니다. 그렇지 않으면 그 수치는 명시된 소성 연신에서의 내력입니다
• R_p0.2는 1000분의 2의 영구 연신을 남기는 응력입니다. 20 mm 표점 거리에서 0.04 mm입니다
• 연신에 기반한 모든 특성에는 신율계가 필수입니다
• 5.65는 지름의 5배, 11.3은 10배입니다. 1998년판 각주는 이를 5.65√S_o = 5√(4S_o/π)로 분명히 적습니다
• 지수가 없는 연신율은 지름 5배짜리입니다. 다른 표점 거리는 모두 기호에 적어야 합니다
• 시험 속도는 영향이 없다고 가정하지 않고 관리합니다. 재료의 변형률 속도 민감도가 알려지지 않은 경우가 많기 때문입니다
• 상온은 10도에서 35도를 뜻하며, 관리된 조건에서만 23 ± 5로 좁혀집니다

이 중 어느 것도 수치를 틀리게 만들지는 않습니다. 수치를 구체적으로 만들 뿐입니다. 강도 수치는 분모, 표점 거리, 당기는 속도, 온도가 딸린 절차의 결과이며, 그 절차는 공개되어 있습니다. 절차 없이 수치만 인용하는 사람은 절반만 인용하는 것입니다.

이 글은 여섯 단계 중 하나에만 해당하지 않습니다. 여러 단계를 아우르거나 조립 후에 나타나는 문제입니다. 관련 결정은 영어 글 Specifying a screw에서 설명합니다.

자주 묻는 질문

볼트의 인장 강도는 파단 순간 금속 안의 응력입니까?

두 가지 이유로 아닙니다. 표준은 응력을 힘을 원래 단면적으로 나눈 값으로 정의하고, 응력은 모두 공칭 응력을 가리킨다고 말하므로 분모가 넥킹을 따라가지 않습니다. 그리고 인장 강도는 최대 하중에 대응하는 응력으로 정의되는데, 연성 금속에서 최대 하중은 파단 시점이 아니라 그 전에 나타납니다.

Rp0.2란 무엇입니까?

소성 연신 내력입니다. 표준은 이를 소성 연신이 신율계 표점 거리의 규정된 백분율과 같아지는 응력으로 정의하며, 백분율은 아래 첨자에 적습니다. 따라서 Rp0.2는 0.2퍼센트, 즉 1000분의 2의 영구 연신을 남기는 응력입니다.

그냥 항복 강도를 인용하면 안 됩니까?

많은 금속에는 인용할 항복 강도가 없기 때문입니다. 표준은 항복 강도를 재료가 항복 현상, 즉 하중이 늘지 않는데 소성 변형이 일어나는 현상을 보일 때 적용되는 것으로 정의합니다. 그런 현상을 보이지 않는 재료에는 대신 명시된 소성 연신에서의 내력을 부여합니다.

표점 거리 계수는 왜 5.65입니까?

지름의 5배이기 때문입니다. 1998년판은 이 항등식을 각주에 둡니다. 5.65 곱하기 So의 제곱근은 5 곱하기 4So를 파이로 나눈 값의 제곱근과 같고, 원형 단면에서 그 제곱근은 지름입니다. 상수에 대한 저희 계산은 5 곱하기 1,1284, 즉 5.6419입니다. 대안 값 11.3은 지름의 10배이며 정확히 5.65의 두 배입니다.

표점 거리가 연신율 수치를 바꿉니까?

바꿀 수밖에 없습니다. 파단 연신율은 원래 표점 거리에 대한 백분율로 정의되기 때문입니다. 그래서 1998년판은 표점 거리가 5.65에 해당하는 길이가 아닐 때마다 기호에 지수를 붙이도록 요구하며, A11.3이나 A80mm 같은 형태가 됩니다. 그냥 A는 지름 5배의 표점 거리를 뜻합니다.

시험 속도가 중요합니까?

표준은 무시할 것이 아니라 관리할 대상으로 다룹니다. 변형률 속도에 기반한 방법 A와 응력 속도에 기반한 방법 B를 제시하고, 재료의 변형률 속도 민감도가 알려지지 않은 경우가 많다는 이유로 방법 A를 강력히 권장합니다.

인장 시험은 몇 도에서 합니까?

별도 규정이 없으면 섭씨 10도에서 35도 사이의 상온에서 하며, 그 범위를 벗어나면 온도를 기록하고 보고합니다. 관리된 조건에서 실시하는 시험은 23도 ± 5에서 합니다. 저희가 뺄셈으로 구하면 일반 구간의 폭은 관리된 구간의 두 배 반입니다.

파단 연신율은 실제로 어떻게 잽니까?

파단 후 최종 표점 거리는 파단 뒤 상온에서, 부러진 두 조각을 축이 일직선이 되도록 조심스럽게 맞춘 상태로 잽니다. 백분율은 그 길이에서 원래 길이를 뺀 값을 원래 길이로 나눈 것입니다.

이 페이지가 어떤 재료를 써야 하는지 알려 줍니까?

아닙니다. 재료 선정이나 시험에 관한 권고를 하지 않으며 시험소나 장비도 거명하지 않습니다. 공개된 강도 수치가 무엇을 측정한 것인지 설명해, 수치를 그것을 만든 절차와 함께 읽을 수 있게 할 뿐입니다.

참고 자료

• ISO 6892-1:2019, Metallic materials, Tensile testing, Part 1: Method of test at room temperature. 제3판, 인쇄 기준 9쪽까지 담긴 15쪽 무료 미리보기. 서문, 용어와 정의 전체, 원리, 시험편 조항 포함
• ISO 6892:1998, 15쪽 무료 미리보기. 옛 용어와 5.65가 지름의 5배임을 밝힌 각주를 확인하는 데 사용

무료 미리보기 두 건을 내려받아 읽었습니다. ISO 6892-1:2019(카탈로그 78322, 15쪽, 인쇄 기준 9쪽까지)와 ISO 6892:1998(카탈로그 2472, 15쪽)입니다. 이 사이트가 금속 기계 시험 위원회의 표준을 쓴 것은 이번이 처음이며, 인용한 모든 수치와 식은 추출된 텍스트가 아니라 페이지를 렌더링한 이미지로 확인했습니다. 이 글에는 포럼 출처가 없습니다. 이 사이트가 질문에 답하기 전에 그 질문을 읽을 때 쓰는 브라우저 도구가 두 번의 시도 모두 확장 프로그램이 연결되지 않았다고 알려 왔기 때문에, 주제는 이 사이트의 기존 내용에서 골랐습니다. 이 사이트의 모든 글을 검색해도 내력, 표점 거리, 신율계, 변형률 속도, 0.2 %라는 표현은 한 건도 없었지만 강도 수치는 곳곳에 나옵니다. 다음은 어느 판의 서술도 아닌 저희 계산입니다. 5 곱하기 4를 파이로 나눈 값의 제곱근은 5,6419, 10을 곱하면 11.2838이므로 두 계수는 지름의 5배와 10배이고 11.3은 정확히 5.65의 두 배라는 것, 20 mm 표점 거리의 0.2퍼센트는 0.040 mm라는 것, 10도에서 35도 구간은 23 ± 5 구간의 두 배 반이라는 것, 그리고 5 mm 범위의 표점 거리가 불확도를 키운다고 표시되면서도 허용된다는 관찰입니다. 실제 시험 속도 수치가 담긴 제10절, 제11~23절, 부속서 A~L은 모두 미리보기 범위 밖이라 읽지 않았습니다. 여기에는 시험소 간 비교 프로그램에 따른 인장 시험 정밀도를 다루는 부속서 L도 포함되므로, 이 페이지는 시험소끼리 얼마나 차이 나는지에 대해 아무것도 말하지 않습니다. 이 페이지를 위해 ISO 898-1은 읽지 않았으며, 어떤 강도 등급 값도 인장 시험 표준에서 나온 것으로 돌리지 않습니다. ISO 7500-1, ISO 9513, ISO/TR 25679는 읽지 않았습니다. 재료 선정이나 시험에 관한 권고를 하지 않으며, 시험소, 계측기, 제조사를 거명하지 않습니다.