금속의 기계적 성질

우리가 원하는 조건의 소재를 엔지니어링 하기 위해서는 화학적 성질뿐 만이 아니라 물리적 특징에 대해서도 알아봐야할 필요가 있다. 특히 금속의 경우에는 기계적(물리적)성질을 관찰하는 것이 화학적 성질보다 중요하게 받아들려지기도 한다.

 

8.1 기계적 성질의 판단 방법

물질의 기계적 거동을 판단하기 위한 방법은 크게 4가지로 분류가 가능하다. 

 

 

1. 인장 (Tensile) -> 시편의 장축을 따라 반대방향으로 잡아당김
2. 압축 (Compressive) -> 시편의 장축을 따라 반대방향으로 누름
3. 전단 (Shear) -> 임의의 방향에 대한 힘의 작용을 가하는 것 
4. 뒤틀림 (Torsion) -> 순수 전단에 의한 변형으로 회전에 대한 변형

 

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8.2 공칭 응력과 공칭 변형

위와 같은 변형에 대해서 시편의 기하학적 형상을 배제하기 위해, 하중과 신장량을 각각 공칭 응력(stress)과 공칭 변형률(strain)으로 정의한다. 

 

응력에 대한 수식적인 정의

응력은 가해진힘/단면적으로 N/m2의 단위를 가진다. 응력은 크게 인장응력 (σ 시그마)과 전단응력 (τ 타우)로 나뉘어 진다. 인장응력은 단면적에 수직하게 작용하는 힘을 의미하고 전단응력은 단면적에 수평하게 작용하는 힘을 의미한다.

사실상 이 두가지 정의로 작용하는 힘에 대해 모든 것을 정의할 수 있다. (상식적으로 물질에 물리적으로 힘을 작용하는 방식이 저 두가지 밖에 없다)

변형률에 대한 수식적 정의

변형률은 말 그대로 변형된 정도를 수식으로 나타낸 것이다. 그렇기에 변형률 = 변형된 길이 / 원래 길이 로 정의되어 단위가 없다. (때론 m/m나 %로 나타내기도 한다) 

 

또한 변형률에 대해서 새로운 정의를 가지고 사용하는데, 축방향 변형률에 대한 횡방향 변형률의 바로서 푸아송비 라는 것을 사용하기도 한다. 

푸아송비의 정의

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8.3 Hooke's Law와 탄성계수

위에서 응력과 변형률에 대해 다루었는데 과연 어떤 의미가 있을까? 무슨 이유로 저런 단위를 기준으로 세우고 기계적 성질을 판단하게 되는것일까? 사실 이건 물질의 기계적 성질을 측정하는 근본적 방법과 연관되어 있다. 

물질의 성질을 측정할 때 재료공학자는 물질에 힘을 가하고 변형된 정도를 보는 방법으로 물성을 파악한다. 앞서 설명했던 응력이 가한 힘이돠고 변형률이 변형된 정도가 되기에 이런 방식으로 정의했다고 이해할 수 있다. 

 

이를 나타내는 수식을 Hooke's Law 라고 하는데, 위의 그림에서 E는 탄성계수(modulus of elasticity)혹은 영의 계수(Young's modulus)라고 하고 물질이 힘에 저항하는 정도를 의미한다. 탄성계수가 클수록 재료는 변형을 잘 일으키지 않고 변형률이 더 작아진다. 

 

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8.4 탄성변형과 소성변형

재료에 힘을 가해주게 되면 재료는 변형된다. 하지만 어떤 물질은 다시 돌아오고, 어떤 물질은 늦게 돌아오고, 어떤 물질은 변형된 채로 돌아오지 않는다.

 

이를 정확히 정의하게 되면

1. 탄성변형 (elastic) : 다시 돌아오는 변형
2. 의탄성변형 (anelasticity) : 천천히 돌아오는 변형
3. 소성변형 (plastic) : 돌아오지 않는 변형

탄성변형과 소성변형에서의 변화율

 

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8.5 변형의 원인

그렇다면 탄성,소성 변형은 왜 일어나고 탄성계수가 정의되는데 기여하는 원인은 무엇일까? 탄성변형률은 재료를 구성하는 원자간 거리가 힘에 따라 변하고, 원자와 원자 사이의 결합상태가 늘어난 것으로 볼 수 있다. 다시 말하면 탄성계수는 근접 원자가 떨어지지 않으려는 저항력 = 원자간 결합력으로 이해할 수 있다.

거리-원자간 결합력의 그래프와 온도에 따른 물질의 탄성계수 변화

즉 평형상태에 있는 F(원자간 결합력)의 구배와 탄성계수는 비례하게 된다. 위의 그림처럼 강한 결합에서의 탄성계수가 큰 것을 아래의 수식으로 이해할 수 있다.

탄성계수와 F의 구배사이 관계

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8.6 항복응력의 정의

재료에 큰 인장력을 지속적으로 가한다면 어떤 물질이든 소성변형을 일으키고 결국 파괴될 수 밖에 없다. 그렇기에 소성변형이 일어나지 않고 탄성변형만 일어나도록 버틸 수 있는 응력의 최댓값을 구하는 것이 중요하다.

 

이것이 소성변형이 일어나는 응력 "항복응력(Yielding)"이다. 보통 응력-변형률 곡선이 선형에서 비선형으로 넘어가는 지점을 비례한계로 정의한다.

 하지만 이런 비례한계를 구해내는건 매우 어려운데 그렇기에 변형률 수평 이동 방법 (strain offset method)라는 방법을 이용하여 이를 구해낸다. (비례한계 = 항복응력) 

변형률 수평 이동 방법 (strain offset method)

선형 탄성 영역에 평형하게 0.002만큼 떨어진 선을 그려 그래프와 만나는 곳을 비례한계 지점이라고 정의한다. 

 

만일 물질이 비탄성으로 비선형적인 그래프를 보인다면 0.005인 지점에 시컨트, 탄젠트 계수를 활용하여 선을 그어 비례한계지점을 정의한다. 

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8.7 인장강도의 정의

소성 변형이 일어난뒤 계속해서 소성변형이 일어나기 위해서는 응력이 증가해야 하며 결국 파괴점에 이르게 된다. 

 

인장강도 (tensile stress, TS)란 위의 그래프에서 최대 응력을 의미한다. 이는 재료내에 neck(들어가는 부분)이 생기는 응력을 의미한다. 항복응력을 지나면 재료의 소성변형이 일어나지만 늘어나기만 하고 크게 형태가 변화하지는 않는다. 하지만 어느 지점을 넘어서면 한 부분이 수축되는 (necking)현상이 생기고 이것이 응력의 최댓값으로 정의하게 된다.

금속이 아닌 세라믹이나 폴리머에서도 TS는 정의되는데, 금속과 다르게 항복강도가 넘어서면 바로 파괴되어 버리기에 TS = 항복응력 이 되게 된다. 

 

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8.8 재료의 4가지 기계적 성질

재료의 기계적 성질에는 4가지가 있다.

 

1. 연성 (Ductility) -> 파괴되기 전에 변형되는 정도
2. 탄력 (Resilience) -> 탄성변형에 따른 에너지의 흡수와 이를 방출하는 정도
3. 인성 (Toughness) -> 파괴되기 전에 에너지를 흡수하는 정도 (파괴에 대한 저항 정도)
4. 경도 (Hardness) -> 국소 소성변형에 따른 재료의 저항성 (강한 정도)