재료공학자가 부품설계시 고려할점
부품설계시 재료관점에서 고려할점
재료의 속성은 재료로 만든 부품이나 구성 요소의 성능과 동작에 기본이 됩니다. 이러한 특성은 사용 환경의 영향을 받는 경우가 많으며 재료 엔지니어는 부품을 설계할 때 이를 고려해야 합니다. 그렇게 하지 않으면 예상치 못한 파손이 발생하여 잠재적으로 손상, 부상 또는 심지어 생명을 잃을 수도 있습니다.
부품을 설계할 때 재료 엔지니어는 재료의 속성에 영향을 줄 수 있는 다양한 요소를 고려해야 합니다. 이러한 요소에는 온도, 응력, 변형 속도 및 부식 또는 산화와 같은 환경 조건이 포함됩니다. 예를 들어, 주변 조건에서 잘 작동하는 재료는 열팽창 또는 수축을 경험할 수 있는 고온 환경에서 사용하기에 적합하지 않아 뒤틀림 또는 균열이 발생할 수 있습니다. 또한 주기적인 하중과 피로는 재료의 특성에 상당한 영향을 미쳐 시간이 지남에 따라 성능이 저하되고 결국 파손될 수 있습니다. 이는 부품이 실패 없이 반복되는 로드 및 언로딩 주기를 견딜 수 있어야 하는 항공 우주 및 자동차와 같은 산업과 특히 관련이 있습니다.
이러한 요소를 염두에 두고 부품을 설계하기 위해 재료 엔지니어는 다양한 도구와 기술을 사용합니다. 여기에는 컴퓨터 시뮬레이션, 응력 분석 및 실제 조건에서의 테스트가 포함될 수 있습니다. 재료가 다양한 환경과 조건에서 어떻게 작용하는지 이해함으로써 엔지니어는 부품 설계에 대한 정보에 입각한 결정을 내리고 원하는 성능 요구 사항을 충족하는 적절한 재료를 선택할 수 있습니다.
전반적으로 재료의 특성에 대한 사용 환경의 영향은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 재료 엔지니어는 예기치 않은 파손을 방지하고 안전하고 신뢰할 수 있는 성능을 보장하기 위해 이러한 요소를 염두에 두고 부품 및 구성품을 설계하는 데 중요한 역할을 합니다.
재료로 만들어진 부품의 특성은 사용 환경에 영향을 받습니다. 예기치 못한 파손이 발생할 수 있으므로, 재료 엔지니어는 이를 고려하여 부품을 디자인해야 합니다.
1) 고온 또는 저온 영향
재료에 높은 온도나 낮은 온도가 가할 수 있는 영향은 상당히 중요하며, 부품을 디자인할 때 반드시 고려해야 합니다. 극한 온도는 재료의 물리적 및 기계적 특성, 특히 강도, 가공성 및 인성 등을 변화시킬 수 있습니다. 높은 온도에서는 알루미늄 및 티타늄과 같은 금속은 강도와 가공성이 감소할 수 있으며, 세라믹은 더욱 브리틀하고 파손하기 쉬울 수 있습니다. 반면, 낮은 온도에서는 재복열 주기가 있으면 재료가 브리틀하고 파손하기 쉬워질 수 있습니다. 일부 금속, 특히 강은 낮은 온도에서 더욱 부식성이 강해질 수 있습니다.
열적 효과에 대해서는, 재료 엔지니어는 고온 합금이나 저온 고분자와 같은 특정 온도 의존적인 특성을 가진 재료를 선택할 수 있습니다. 그들은 또한 열 저항 코팅이나 절연체를 사용하여 극단적인 온도로부터 부품을 보호할 수 있습니다.
일반적으로, 재료 엔지니어는 재료의 온도에 대한 영향을 이해하는 것이 응용 프로그램의 부품에서 신뢰성 높은 성능을 설계하는 데 중요합니다.
2) 주기적인 응력, 피로
주기적인 응력과 피로는 재료 고장의 원인 중 하나입니다. 일반적으로 재료가 주기적인 응력을 받으면 응력의 크기가 일정치 않고 주기마다 바뀌기 때문에 재료 내부에서 응력 집중이 발생할 수 있습니다. 이러한 응력 집중은 재료의 결함과 결합 부위에서 쉽게 발생할 수 있습니다. 이러한 문제는 반복적인 응력이 작용하는 부품이나 구조물에서 발생하기도 합니다.
피로는 반복적인 응력이 작용하는 재료에서 발생하는 현상입니다. 반복적인 응력을 받으면 재료 내부에서 결함이 발생하고 이러한 결함은 시간이 지남에 따라 확대될 수 있습니다. 이러한 결함이 크기가 커지면 결국 재료의 파괴로 이어질 수 있습니다.
주기적인 응력과 피로를 고려하여 부품을 디자인하는 것은 매우 중요합니다. 이를 위해 재료 고장에 대한 이해가 필요하며, 피로 수명을 고려한 재료 선택과 디자인이 필요합니다. 또한 부품 내부에서 응력 집중이 발생할 가능성이 높은 지점에 대해 고려하여 재료를 처리하거나 부품 구조를 개선하는 등의 조치가 필요합니다.
3) 급격한 충격, 변형율
급격한 충격 또는 변형율의 변화는 부품 및 구조물의 파손에 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 요소들은 부품 및 구조물의 설계에 고려되어야 합니다. 충격이나 변형율의 변화로 인해 재료는 더 이상 원래 상태로 돌아오지 못할 수 있으며, 이는 재료의 기계적 성질에 변화를 일으킬 수 있습니다.
예를 들어, 급격한 충격이나 충격하중을 받은 부품이나 구조물은 강도 감소, 변형 및 파손 등의 문제를 유발할 수 있습니다. 이러한 문제는 공항, 다리, 자동차 및 항공기와 같이 안전이 중요한 부분에 적용됩니다. 또한, 재료에 가해지는 변형율이나 변형률은 재료의 기계적 성질에 영향을 미칩니다. 이러한 변형률은 급격한 변화로 인해 재료가 파손되거나, 영구적인 변형이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 급격한 열팽창이나 수축, 외부 압력 등은 재료의 변형율을 증가시키며, 이는 재료의 특성을 왜곡시킬 수 있습니다.
재료 엔지니어는 이러한 급격한 충격과 변형율의 변화에 대한 이해가 필수적입니다. 따라서 부품 또는 구조물의 설계에는 충격과 변형율의 영향을 고려하여 적절한 재료와 구조를 선택해야 합니다. 또한 충격 흡수 능력이 높은 재료나 충격을 완화하는 장치를 도입하여 재료가 급격한 충격과 변형율 변화에 대응할 수 있도록 설계될 수 있습니다.
4) 부식 또는 산화 등
부식 또는 산화는 환경적 요소 중 하나로, 재료의 물리적, 화학적, 기계적 성질에 영향을 미칩니다. 부식은 일반적으로 재료의 표면을 침식시키는 것을 의미하며, 산화는 재료의 표면에 산화물을 형성하는 것을 의미합니다.
부식은 다양한 요소에 의해 유발될 수 있으며, 가장 일반적인 것은 습기, 열, 산성 물질 및 염기성 물질입니다. 특히, 금속 재료는 습기와 산성 물질에 민감하며, 플라스틱 재료는 염기성 물질에 더욱 민감합니다.
이와 같은 환경적 요인은 부식 및 산화를 일으키는데, 이는 재료의 물성과 기계적 성질을 약화시키고, 파손 및 손상을 초래할 수 있습니다. 따라서 재료 엔지니어는 부식과 산화를 최소화하기 위해 내식성이 높은 재료를 선택하거나, 부식 방지 코팅, 도금, 산화 방지 처리 등을 적용하여 부식 및 산화를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있습니다.