[재료과학과 공학] 8장 금속의 기계적 성질 (2)

앞선 내용을 보고오시면 연결됩니다.

[재료과학과 공학] 8장 금속의 기계적 성질 (1)

 

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소성변형

 

소성변형(Plastic deformation)은 탄성변형이 일어나는 구간이후 응력과 변형률이 비례하지 않고, 회복되지 않는 변형을 말한다.

직선으로 나타나던 응력과 변형률은 곡선으로 변화한다. 가까이 있던 원자와의 결합을 끊고 새로운 원자와 결합하는 현상으로 영구변형되는 것이다.

 

그래서 재료를 개발하고 이용해야하는 입장에서는 어디로니 튈지 모르고 변형되는 소성변형이 일어나지 않게

즉, 탄성변형만 일어나도록 구조물들을 설계해야 합니다. 그러면 중요한 지점은 그 소성변형이 시작되는 그 지점이 

중요하겠죠. 항복현상(Yielding)이 나타나는 응력을 알아야 하겠습니다.

 

인장강도

 

소성변형이 시작되고(탄성변형구간을 넘어서) 계속 소성변형이 일어나려면 응력이 증가되어야 할 것이고, 

최대 응력점까지 증가한 후 감소하다가 결국 파괴됩니다. 이 일련의 과정을 그래프에 나타내보면 아래와 같다.

 

 

응력(stress)가 가장 강하게 작용하는 곳이 인장강도(tensile strength)이다.

인장강도 이후에 응력이 줄어드는 이유는 인장강도 이전에 일어나는 인장시편 전체에 나타나는 변형은 모두 균일하게 일어나지만

최대 인장점에 이르면 구조물의 한 부분이 수축되는 현상이 일어나고 이후에 일어나는 변형은 그 수축된 부분에 집중되게 된다.

이 현상을 necking이라고 부르고 파괴는 결국 necking이 집중된 부분에서 일어난다.

 

necking

이런 느낌으로 일어난다. 가래떡을 잡고 쭉 늘리는 이미지가 생각나지 않나요(?)

 

사실 공학 설계부분으로 생각을 하자면 파괴강도부분까지는 필요가 없겠지만(파괴될 강도 전에 원치 않는 변형이 일어난 상태이기에...) 파괴는 네킹부분에서 일어나는 구나... 그렇구나 하면 될 거 같네요.

 

연성

 

연성(ductility) 파괴전까지의 소성변형의 정도를 나타내는 값입니다. 

 

파괴 시 소성변형이 거의 일어나지 않는 재료를 취성(brittle)재료라 하죠. 

대표적인 취성재료는 회주철, 유리, 콘크리트, 세라믹이 있습니다. 유리가 파괴전에 늘어나는 건(소성변형) 거의 일어나지 않는다. 정도로 기억해두면 좋겠습니다. 그리고 대부분의 금속이 저온에서 취성입니다.

 

연성은 길이 신장률 또는 단면적 감소율로 나타내어 정량적 표시를 합니다.

길이 신장률(percent Elongation, %EL), 단면적 감소율(percent reduction in area, %RA)

식은 말그대로 길이가 늘어난 퍼센트, 단면적 감소퍼센트라 그렇구나 하면 됩니다.

 

덕틸리티가 있는 재료를 좋다고 말하는 이유는 설계 후 응력의 오차가 있어도 허용할 수 있는 여유가 있기 때문입니다. 연성이 안좋으면 여지없이 파괴가 일어나겠죠?? 이렇게 이해하면 되겠습니다.

 

 

진응력

 

'진'이 붙어서 더 쌔보이는데 맞습니다.(응??)

앞선 시간에 소개한 응력(정확히 말하면 공칭응력)은 초기단면적과 힘으로 계산했습니다. 

그런데 우리는 시험을 진행하고 있고, 그에 따라 단면적은 점점 줄어들고 있겠죠? 그래서 실제에(진) 맞추어서

값을 다시 정의한 것 입니다. 하중 F를 소성이 일어나는 순간의 단면적으로 나눈 값으로 정의하는데, 분모가 작아지니까 

진응력은 공칭응력보다 큰 값을 나타내게 됩니다.

그런데 네킹현상이 일어나고 나서는 또 네킹부위에서의 응력상태가 달라지기 때문에 계산식이 달라집니다.

그냥 그렇구나 하시고, 진응력이 공칭응력과 어떻게 다른지 알면 되겠습니다.

 

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경도

경도(hardness)는 국소부위의 소성변형에 대한 재료의 저항성을 나타낸다.(조그마한 흠집을 말한다.)

흔히 '다이아몬드가 경도가 쎄다.' 정도로 알고 있을 것인데 맞습니다.

연한 석회를 1로 두고 다이아몬드를 10으로 한 모스스케일을 경도 식별법으로 사용을 합니다.

시험하기에 간단하고 저렴하다는 장점을 갖죠.

 

경도시험법의 종류

 

로크웰 경도시험: 여러가지 누름자와 하중을 조합하여 모든 금속과 합금을 시험할 수 있는 시험법

브리넬 경도시험: 마찬가지로 시편의 표면을 구형누름자로 누름으로써 시험

누프 및 비커스 미세 경도 시험: 피라미드형의 조그만 다이아몬드 이용, 작용하중이 작고 누름크기가 작으므로 미세경도 시험에 쓰인다. 현대 미세경도 시험기는 컴퓨터와 영상분석기를 연결하여 시스템 통제를 하며 사용한다.

 

 

측정방법에 따른 경도

외울 필요는 전혀 없겠습니다.

 

 

경도와 인장 강도의 관계

인장 강도와 경도는 모두 재료의 소성변형에 대한 저항성을 냅니다. 두 성질 사이에는 비례 관계가 있습니다.
대부분의 강은 아래같은 HB와 인장 강도의 관계를 만족하지만, 그렇다고 다른 모든 재료에서도 비례관계가 성립하는 것은 아니다.

TS(MPa) = 3.45 x HB(brinell)
TS(psi) = 500 x HB

그렇구나..합니다.