소성변형

대부분의 금속 재료는 변형률이 약 0.005 정도까지만 탄성변형이 일어나며, 이 점을 넘어서면 응력은 더 이상 변형률에 비례하지 않는다. 즉, 훅의 법칙이 적용되지 않으며, 회복되지 않는 영구 변형, 즉 소성변형(plastic deformation)이 일어난다. 대부분의 금속에 있어 탄성에서 소성으로의 전이(transition)는 점차적으로 일어나며, 소성변형이 시작하면 응력-변형률 선도는 곡선으로 바뀌고, 응력 증가에 따라 빠르게 상승한다. 

 

미시적으로 보면, 소성변형이란 수많은 원자 또는 분자가 상대적으로 움직이면서 가장 가까이 있떤 원자와의 결합을 끊고 새로운 원자와 결합하는 현상으로, 응력을 제거해도 원자들은 원래의 위치로 돌아가지 않는다. 결정 재료에서 나타나는 소성 기구와 비정질 재료의 수성 기구는 다르다. 결정 고체 재료에서는 전위의 움직임에 따른 슬립(slip) 현성에 의해 소성변형이 일어나지만, 비정질 고체나 액체에서는 점성 흐름 기구(Viscus flow mechanism)에 의해 나타난다. 

 

 

 

인장 성질 

 

항복 현상과 항복 응력

 

대부분의 구조물은 영력이 가해질 때 단지 탄성변형만이 일어나도록 설계되어야 한다. 그러므로 소성변형이 시작되는 응력, 즉 항복(yielding) 현상이 나타나는 응력을 알아야 한다. 탄성에서 소성으로의 전이가 점진적으로 일어나는 금속에 있어서는 응력-변형률 곡선이 직선에서 벗어나는 점을 항복점으로 정한다. 이것을 비례 한계(proportional limit)라고 한다. 이 점의 위치를 정확히 결정할 수 없으므로, 응력-변형률 곡선의 탄성 영역에 평행하게 선을 그어 변형률 축을 따라 0.002만큼 수평 이동시킨 후에 응력-변형률 곡선과 만나는 점을 항복 강도(yeild strength)로 정의한다. 

 

비선형 탄성 거동이 나타나는 재료에 대해서는 이와 같은 변형률-수평 이동방법을 사용할 수가 없으므로, 정해진 변형률을 일으키는데 요구되는 응력을 항복강도로 정의한다. 탄성에서 소성으로서의 전이가 매우 분명하게 그리고 급작스럽게 나타나며, 이 현상을 가리켜 항복점 현상(yield point phenomenon)이라 한다. 상항 복점에서는 실질적으로 응력이 감소하면서 소성변형이 일어나며, 변형은 하항 복점이라 하는 어느 일정 응력에서 약간의 응력 변동이 수반되면서 지속적으로 일어나다가, 어느 시점에 이르면 변형률의 증가에 따라 응력도 증가하게 된다. 

 

이때의 하항복점은 매우 명확하게 나타날 뿐만 아니라 실험 과정에 거의 영향을 받지 ㅇ낳는다. 그러므로 항복점 현상이 나타나는 재료에 있어서는 하항 복점을 항복 응력으로 간주한다. 또한 이러한 재료에 대해서는 변형률-수평 이동 방법을 적용할 필요가 없다. 

금속의 항복 강도는 소성 가공에 대한 저항성을 나타낸다. 저강도 알루미늄의 항복 강도는 35MPa 정도이며, 고강고 강은 1400 MPa 정도이다. 

 

 

인장강도

 

소성변형이 시작된 후 계속적으로 소성변형을 일으키기 위해서는 응력이 증가되어야 하며, 응력은 최대 응력점까지 증가한 후 다시 감소하다가 파괴점에 이르게 된다. 인장강도(tensile strength)는 공칭 응력-변형률 곡선상에서의 최대 응력 점이다. 이 점은 응력을 받고 있는 구조물이 지지할 수 있는 최대 응력에 해당되며, 이 이상의 응력이 가해지면 파괴가 일어난다. 최대 인장점까지는 인장 시편의 게이지 길이 부분에 나타나는 모든 변형은 균일하다. 그러나 최대 인장점에 이르면 어느 한 부분이 수축되는 현상이 시작되고, 그 후 변형은 수축된 한 부분에 집중하게 된다. 이 현을 가리켜 네킹(necking)이라고 하며, 결국 파괴는 이 네킹 부분에서 일어난다. 파괴 강도는 파괴가 일어나는 응력을 말한다. 

 

알루미늄의 인장강도는 50MPa, 고강도 강의 인장강도는 3000 MPa이며, 대부분의 금속들은 이 범위 안의 인장 강도를 갖고 있다. 구조물에 인장 강도에 해당하는 응력이 가해 졌을 때에는 이미 많은 소성변형이 일어나 구조물의 기능이 상실된 상태가 된다. 그러므로 통상적으로 설계 시의 재료 강도는 항복강도를 뜻한다. 한편 파괴 강도(fracture strength)는 공학적 설계 시에는 의미가 없다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판