훅의 법칙, 항복점에 대해 설명하라.

(1) 훅의 법칙

고체역학의 기본법칙으로 고체에 힘을 가하여 변형시키는 경우, 힘이 어떤 크기를 넘지 않는 한 변형의 양은 힘의 크기에 비례한다는 법칙을 말한다. 이 법칙이 적용되는 힘의 한계를 비례한계라 하고, 이 한계 안에서 힘과 용수철의 변형량 사이의 비를 그 변형에 대한 탄성률이라 한다.

용수철에 추를 달아 놓으면 어느 일정 수준까지 추의 무게에 비례하여 용수철이 늘어난다. 따라서 이 관계를 그래프로 그리면 용수철의 길이와 추의 무게가 서로 비례하는 결과를 얻게 된다. 그러다가 더 이상 비례의 관계가 성립하지 않고 길이가 잘 늘어나지 않게 되는데 그때가 바로 비례한계이다. 일반적으로 이 관계는 늘어남 변형뿐 아니라 고체의 어떠한 변형에 대해서도 성립한다. 그러나 금속 중 구리와 주철의 경우, 힘과 변형 사이에는 비례부분이 없기 때문에 비례한계가 없다. 훅의 법칙을 응용한 계기로는 용수철저울을 비롯하여 여러 탄성압력계 등이 있다.

한편, 물체에 작용하는 추(하중)에 의해 내부에 생기는 응력(변형력)과 변형과의 관계를 나타내는 선도를 응력변형도선도라고 한다. 이 선도는 물체의 탄성한계·항복점·극한강도·신장률 등 재료가 가지는 기계적 성질을 조사하는 데 이용된다.

(2) 항복점

물체에 외력을 가하면 물체 내부에는 변형력이 나타나며, 변형이 생긴다. 보통 변형력이 작은 동안은 변형은 응력에 비례하나, 비례한계를 넘어서 응력을 크게 해가면 어떤 값부터는 응력은 거의 증가하지 않으며 변형만이 증가하는 현상이 일어난다. 이 현상을 항복이라 한다. 항복의 현상은 연강과 같은 물질에서는 분명히 나타나지만, 무른 물질에서는 거의 나타나지 않는다.