열응력 - thermal stress

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물체는 열을 받으면 그 체적이 증가하는 반면 냉각이 되면 반대로 체적이 감소한다. 하지만 물체를 늘어나거나 줄어들지 않도록 구속하게 되면 물체 내부에는 이 구속에 저항하려는 내력이 발생하게 된다. 예를 들어 가느다란 원형 단면의 금속 봉을 아무런 구속없이 열을 가하면 자유로이 늘어난다.

하지만 이 금속 봉을 길이방향으로 늘어나지 못하도록 양 끝을 구속한 상태에서 열을 가한다고 생각해 보자. 그러면 금속 봉은 구속하고 있는 물체에 힘을 가하는 반면 구속하고 있는 물체는 금속 봉에 크기가 같고 방향이 반대인 반력을 가하게 된다. 그 결과 금속 봉은 외부로부터 힘을 받는 상태와 같게 되고 이로 인해 내부에 저항하려는 내력이 발생하게 된다.

그리고 금속 봉의 단위 면적당의 저항력을 열응력이라고 부른다. 열응력의 크기는 열을 받는 물체의 고유한 재료 물성치인 열팽창계수(thermal expansion coefficient)와 온도 증가에 비례한다. 물체가 아무런 구속없이 자유로이 팽창 혹은 수축하는 경우에는 열응력은 발생하지 않는다. 하지만 물체가 구속이 되어있지 않다고 하더라도 물체 전 영역에서 온도분포가 일정하지 않기 때문에 이러한 온도구배로 인하여 내부에 열응력이 발생하게 된다. 가장 대표적인 예로 용접 후 물체 내부에 남게되는 잔류 열응력(residual thermal stress)을 들 수 있다.

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기술용어통 Thermal Stress 열응력 열팽창계수 category-cae
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