연성, 탄력, 인성

연성(Ductility) 

 

연성은 재료의 또 다른 중요한 기계적 성질로서 파괴가 일어날 때까지의 소성변형의 정도를 나타내며, 파괴 시 소성변형이 거의 수반되지 않는 재료를 취성(brittle) 재료라 한다. 연성을 정량적으로 표시하기 위하여 길이 신장률 또는 단면적 감소율을 사용한다. 길이 신장률, 즉 % EL은 파괴 시의 소성 변형률을 백분율로 나타낸 것이다. 

 

파괴 시의 소성변형은 주로 시편의 네킹 부분에 집중되므로 % EL의 양은 시편의 게이지 길이에 따라 다르다. 초기 짧으면 짧을수록 네킹 부분에서 일어나는 신장량이 차지하는 비율은 더 커진다. 그러므로 길이 신장률을 나타날 때는 초기값을 명시해 주어야 한다. 

 

재료의 연성은 설계 시 구조물의 파괴가 일어나기 전까지 나타나는 소성변형의 정도와 제작 성형에 허용되는 변형의 정도를 나타내므로 중요한 기계적 성질의 하나이다. 연성인 재료를 보통 괜찮은(forgiving) 재료라고 하는 이유는, 설령 설계의 응력 계산에 오류가 있다 하더라도 단지 국부적인 변형만이 일어날 뿐이며 파괴가 쉽게 일어나지 않기 때문이다. 

 

대체적으로 파괴 변형률이 5% 미만이면 취성 재료로 간주한다. 그러므로 인장 응력-변형률 시험을 통하여 여러 가지 중요한 기계적 성질을 구할 수 있다. 이러한 성질들은 사전 변형량과 불순물 및 열처리 내력에 크게 영향을 받지만, 탄성 계수는 이러한 것들에 거의 영향을 받지 않는다. 온도가 증가함에 따라 탄성 계수, 항복 강도 및 인장 강도는 감소하지만 연성은 증가한다.

 

 

탄력(Resilience) 

 

탄력은 탄성변형에 따른 에너지 흡수력과 하중 제거에 따른 에너지의 회복력을 뜻한다. 탄력 계수는 하중을 제거한 상태에서 항복점까지 응력을 상승시키는데 요구되는 단위체적당 변형률 에너지로 나타낸다. 

단일축 인장 시험 시현에 대한 탄력 계수는 항복점까지의 공칭 응력-변화율 곡선의 밑면적으로 산출할 수 있다. 탄력 재료는 높은 항복 강도와 낮은 탄성 계수를 가진 재료이며 그와 같은 합금은 스프링 등에 쓰인다. 

 

 

인성(Roughness)

 

인성은 파괴가 일어나기까지의 재료의 에너지 흡수력을 뜻한다. 시편의 기하학적 형상 또는 하중을 가하는 방법은 인성 측정에 크게 영향을 미친다. 동적 하중 조건과 노치가 존재할 경우에는 충격 시험을 통하여 노치 인성을 평가한다. 또한 파괴 인성은 균열이 존재할 때 재료가 갖는 파괴에 대한 저항성을 나타낸다. 정적 하중 조건의 인성은 인장 시험 결과로 구할 수 있으며, 파괴까지 밑면적으로 나타낸다.

 

인성의 단위는 탄력의 단위와 같은 단위체적당 에너지이다. 인성이 큰 재료는 항복 강도와 연성이 커야 한다. 일반적으로 연성 재료가 취성 재료보다 인성이 크다. 그러므로 높은 항복 강도와 인장 강도를 갖는 취성 재료는 연성 재료보다 연성이 작으므로 낮은 인성 값을 갖는다. 

 

 

진응력과 진변형률

 

응력이 최대점을 지나면 재료가 약해지는 것처럼 보이지만, 이것은 사살이 아니며, 단지 변형이 집중되는 네킹 부분의 단면적이 감소함으로써 시편의 하중 지지력이 감소 하기 때문에 나타는 현상이다. 실질적으로는 강도가 증가한다. 응력은 소성 전의 초기 단면적을 기준으로 하고 있으며, 네킹 부분의 면적 감소는 고려하지 않고 있다. 

 

때때로 진응력-진변 형률을 사용하는 것은 보다 의미가 있다. 진응력은 하중을 소성이 일어나는 순간의 단면적으로 나누어 준 값으로 정의한다. 응력 최대점을 지나면 실제 응력과 실제 단면적 및 실제 게이지 길이를 측정하여 진응력과 진변형률을 구하여야 한다. 

 

진응력은 인장점 M을 지나서도 변형률이 증가에 따라 계속 증가한다. 또한 네킹 현상은 네킹 부위에 복잡한 응력 상태를 유발한다. 즉, 축방향으로의 응력 이외에 다른 응력이 나타나게 된다. 결과적으로 네킹 부위의 축 방향 응력은 작용 응력과 네킹 부위의 실제 면적으로부터 산출한 응역보다 약간 작다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판