인장 특성에 대하여

항복 (Yielding)과 항복 강도 (Yield strength)

항복은 재료에 응력이 가해질 때 발생하는 현상입니다. 재료에 응력이 가해지면 원자 또는 분자가 서로 떨어져 나옵니다. 어느 시점에서 응력이 너무 커져 재료의 변형이 시작되는데, 이러한 변형을 항복이라고 합니다. 항복은 재료가 영구 변형을 받기 시작하는 지점을 표시하기 때문에 중요한 개념입니다. 즉, 한번 항복한 재료는 소성변형이나 파단과 같은 일종의 영구적인 변화를 거치지 않고는 원래의 형태로 돌아갈 수 없다.

재료의 항복 강도는 재료가 항복하는 데 필요한 응력의 양입니다. 엔지니어가 사용 중에 받게 될 응력과 하중을 견딜 수 있는 구조 및 구성 요소를 설계하는 데 사용하는 중요한 속성입니다. 재료의 항복 강도는 일반적으로 평방 인치당 파운드(psi) 또는 메가파스칼 (MPa)과 같은 압력 단위로 측정됩니다. 

항복과 항복 강도 [1]

인장 강도 (Tensile strength)

인장 강도는 장력 또는 당기는 힘 하에서 변형에 저항하는 재료의 능력을 측정한 것입니다. 재료가 늘어나거나 당겨지는 동안 재료가 파손되거나 영구적으로 변형되기 전에 견딜 수 있는 최대 응력으로 정의됩니다.

인장 강도의 측정 단위 역시 제곱인치당 파운드(psi) 또는 메가파스칼 (MPa)입니다. 인장 강도 값은 재료, 제조 공정 및 기타 요인에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

금속과 같은 일부 재료는 소성 변형을 겪고 응력 하에서 모양을 유지하는 능력으로 인해 인장 강도가 높습니다. 세라믹 및 복합 재료와 같은 다른 재료는 인장 강도가 낮고 인장 상태에서 더 쉽게 파손되거나 파손될 수 있습니다. 인장 강도는 일반적으로 재료 샘플이 파손될 때까지 증가하는 인장 하중을 받는 인장 시험을 통해 결정됩니다. 테스트 결과는 적용된 응력과 재료의 결과 변형 사이의 관계를 보여주는 응력-변형 곡선에 표시됩니다. 그런 다음 인장 강도는 곡선의 최대 응력에서 계산됩니다. 각 재료의 인장 강도를 조사하고, 이해한다는 것은 특정 용도에 대한 적합성을 결정하는 데 중요합니다.

Typical Stress-Strain behavior [1]

연성 (Ductility)

연성은 파단 없이 인장 응력 하에서 변형되는 재료의 능력입니다. 즉, 재료가 파손되기 전에 소성 변형을 겪을 수 있는 정도를 측정합니다. 연성은 파단이나 파손 없이 다양한 모양으로 형성될 수 있는 능력을 결정하기 때문에 재료의 중요한 기계적 특성입니다.

연성은 일반적으로 연신율 또는 면적 감소율로 표현됩니다. 백분율 연신율은 원래 길이의 백분율로 표시되는 인장 응력을 받은 후 재료 시편의 길이 증가입니다. 면적 감소율은 인장 응력을 받은 후 시편의 단면적 감소이며 원래 단면적의 백분율로 표시됩니다. 연성 재료는 파손되기 전에 상당한 양만큼 면적이 늘어나거나 줄어들 수 있는 재료입니다. 연성 재료의 예로는 구리, 알루미늄 및 대부분의 강철이 있습니다. 반면 취성 재료는 변형이 잘 일어나지 않고, 부서지기 쉬운 재료입니다. 취성 재료의 예로는 유리, 세라믹 및 일부 유형의 주철이 있습니다.

재료의 연성은 온도, 변형 속도, 재료의 불순물이나 결함의 존재와 같은 요인의 영향을 받습니다. 일반적으로 온도를 높이거나 변형 속도를 줄이면 재료의 연성이 증가하는 경향이 있지만 불순물이나 결함이 있으면 연성이 감소할 수 있습니다.

연성은 금속 가공, 건설 및 항공 우주 공학과 같은 응용 분야에 사용되는 재료의 중요한 특성입니다. 연성이 높은 재료는 작업하기 쉽고 파단 없이 다양한 모양으로 성형할 수 있어 판금 성형, 와이어 드로잉 및 압출과 같은 응용 분야에 이상적입니다. 연성은 제조 작업 중 허용 가능한 변형 정도를 나타내고 구조가 파괴되기 전에 소성 변형되는 정도를 지정하기 때문에 중요합니다. 취성 재료는 약 5% 미만의 파단 변형률을 갖는 재료입니다. 변형이 필요한 구조물을 설계하고 파손을 방지하려면 연성에 대한 지식이 필수적입니다.

Percent elongation (%EL)

탄성 (Resilience)

탄성은 재료가 탄성적으로 변형될 때 에너지를 흡수하고 하중이 제거될 때 영구 변형을 일으키지 않고 에너지를 방출하는 능력입니다. 즉, 재료가 영구 변형을 거치지 않고 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양입니다.

탄성은 스프링이나 충격 흡수 장치와 같이 반복 하중을 받는 재료의 중요한 기계적 특성입니다. 일반적으로 재료의 항복점까지 응력-변형 곡선 아래 영역으로 정의되는 탄성 계수로 표현됩니다. 탄성이 높은 재료는 탄성이 낮은 재료보다 단위 부피당 더 많은 에너지를 저장할 수 있으므로 충격과 충격을 흡수하는 데 더 적합합니다. 예를 들어, 고무는 탄성적으로 변형되고 변형 후에 원래의 형태로 회복되는 능력 때문에 높은 복원력을 가지고 있습니다.

탄성 계수는 재료의 구성, 미세 구조 및 가공 이력과 같은 요인의 영향을 받습니다. 열처리 또는 가공 경화된 재료는 일반적으로 강도와 경도가 증가하여 탄력성이 더 높습니다.

 

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering