정적 하중 시의 현상
재료가 응력의 영향을 받아 변형되는 현상은 매우 복잡하므로, 이를 이해하기 위해 여러 측면에서 단순화해야 한다. 이러한 단순화 중 하나는 예를 들어 인장 및 압축 시험에서 시편에 하중을 점진적으로 가한다는 가정이다.
인장 하중을 받는 강재 봉에 점차 증가하는 하중을 가하고 그 _신장 ℇ_을 측정하면, 그림에 표시된 다이어그램을 얻는다.
_1= 비례한계 _2 =탄성한계 3 =항복 하한 3’= 항복 상한
처음에는 연신이 매우 작고 응력에 비례하는데, 이는 훅의 법칙이 요구하는 바와 같다. 일정한 응력에 이르면 _비례성_이 사라지고 연신은 더 빠르게 증가한다. 이 비례 한계의 정확한 위치는 정하기 어렵다. 측정이 더 정확할수록 그 값은 더 낮게 나온다. 대부분의 재료에서 이 값은 δ=0에 있으며, 이때 훅의 법칙은 _탄성 거동_에 대한 첫 번째 근사, 즉 좌표 원점 부근에서 함수 ℇ=ℇ (δ)의 테일러 급수 전개 첫 항에 불과하다. 막대를 하중 해제하면, 응력이 너무 크지 않았던 경우 후크의 법칙에 따라 변형도 사라지는 것을 알 수 있다. 그러나 이것도 비례한계를 가까이 두는 일정한 응력, 즉 _탄성한계_를 초과하면 달라집니다. 그때 전체 변형은 탄성(복원) 부분과 비탄성(영구) 부분으로 이루어집니다. 탄성한계 역시 정확하게 정할 수 없으며, 측정 정밀도가 높을수록 그 값은 더 낮게 나타납니다.
그러나 이것은 거의 모든 재료역학 계산에서 중요성의 경계를 나타내고, 동시에 최초의 영구 손상이 발생하는 경계이므로, 시편 시험을 위해서는 채택된 어떤 관례에 따라 엄격히 정의된다. 따라서 예를 들어 0,2%의 경계는 영구 변형이 0,2%에 도달하는 응력으로 표시된다.
탄성한계를 넘는 즉시 변형은 급격히 증가하며 육안으로도 확인할 수 있다. 거의 일정한 응력에서 막대는 계속 늘어난다. 이 응력을 _항복한계_라고 한다.
재료 시험용 유압기계에서는 항복이 시작된 뒤 응력의 다소 뚜렷한 감소가 관찰될 수 있으며, 이는 도표의 점선 곡선으로 표시된다. 이때 최대값은 상부 항복한계라 하고, 그 뒤에 나타나는 일정한 항복응력은 하부 항복한계라 한다.
일정한 연신에 도달하면, 그것은 거의 완전히 비탄성적이므로 응력은 다시 증가하기 시작하고 재료는 경화한다. 이 하중 영역에서는 (비탄성) 측방 수축으로 인해 봉의 단면적이 현저히 감소하며, 응력-변형도 다이어그램의 이후 거동은 무엇보다도 응력 계산 시 인장력 P가 봉에 작용할 때 이를 원래 단면 Fo로 나누는지, 또는 현재 단면 F로 나누는지에 달려 있다. 기술적 목적에서 중요한 것은 응력 P/F이다. 이 응력은 최대값을 지나는데, 이를 재료의 강도라고 하며, 이 최대값을 넘으면 봉은 한 지점에서 심하게 가늘어지며 파단된다. ,,실제 응력“ P/F는 파괴까지 증가한다.
다른 금속들의 거동은 여기서 설명한 것과 여러 면에서 다르다. 항복은 종종 뚜렷하지 않으며, 경화는 탄성한계를 넘은 직후 시작된다.
취성 재료(석재, 유리, 콘크리트)에서는 비탄성 변형이 일반적으로 매우 작으며, 작은 변형률에서도 파괴가 일어난다. 재료가 파괴될 때까지 겪는 전체 변형률은 재료의 연성(반대로: 취성)을 나타내는 척도이며, 강재의 경우 이는 기술 조건에서 정확히 규정된다. 그러나 파괴 직전에 추가 변형이 단면 축소부 주변에 집중되므로, 측정 길이를 봉의 더 큰 부분 또는 더 작은 부분으로 잡는지에 따라 파괴 시 변형률 값이 달라진다. 따라서 단일하고 서로 비교 가능한 결과를 얻기 위해서는 사전에 일정한 기준을 채택해야 한다. 파괴 시 변형률은 보통 원형 봉의 지름 d를 갖는 시편에 대해 시험 전에 측정 길이 l = 10 d를 표시하고, 그 연장량 ∆l로부터 파괴 시 변형률 ℇSl= ∆1/1를 계산하여 측정한다.
다른 단면의 봉재를 시험해야 할 필요가 있으면, 측정 길이는 같은 단면적을 가진 원형 원통 봉의 지름에 따라 정한다.