재료의 성질: 탄성·소성·연성·취성·전성

핵심 정리

재료가 외력을 받으면 변형되는데, 하중을 제거했을 때 변형이 사라지는지 남는지에 따라 성질이 갈린다. 이 단원의 뼈대는 탄성과 소성의 구분, 그리고 작은 변형에서 파괴되는지 크게 늘어난 뒤에 파괴되는지를 가르는 취성과 연성의 구분이다. 전성과 인성은 이 틀 위에 얹어 함께 외운다. 탄성과 소성은 하중을 제거한 뒤 변형이 남는지를 기준으로 가른다.

취성은 재료가 작은 변형에도 쉽게 파괴되는 성질이다. 전성은 재료를 두들기면 얇게 펴지는 성질이다. 두 성질은 정의의 핵심어 하나만 바꿔도 다른 선지가 되므로, 용어와 정의를 짝지어 외워야 점수가 된다.

탄성은 응력에 비례하여 변형되고 하중을 제거하면 원점으로 돌아가는 성질이다. 이 구간의 응력과 변형률 관계는 훅의 법칙으로 정리하며, 훅의 법칙은 비례한계 이내의 탄성 구간에서 성립하는 응력과 변형률의 선형 관계다. 이와 달리 소성은 외력을 제거한 후에도 원래 상태로 돌아오지 않고 남는 영구 변형의 성질이다. 소성은 영구 변형이 남는 것이 핵심이다.

항복 이후의 거동은 두 구간으로 나누어 본다. 먼저 항복 후 응력이 거의 일정한 구간에서는 응력 증가 없이 변형률만 증가한다. 그 다음 구간은 항복 이후 변형도가 커지면 응력이 비선형적으로 증가하는 구간을 변형도 경화영역이라 한다. 두 구간은 응력이 일정한지 다시 증가하는지로 구별한다. 재료 성질을 묻는 선지는 대개 정의 문장 하나로 가려지므로, 탄성과 소성은 하중 제거 후 상태로, 취성과 인성은 파괴 방식과 흡수 에너지로, 전성과 연성은 힘을 받는 방향으로 나누어 두면 빠르게 판단할 수 있다.

자세히

저온과 취성파괴

강재는 온도에 따라 성질이 달라진다. 강재는 저온이 되면 연신율과 단면수축률이 급격히 감소하여 취성파괴가 발생하기 쉽다. 연신율과 단면수축률은 파괴되기 전까지 재료가 늘어나고 좁아지는 정도를 나타내는 값이므로, 이 값이 줄어든다는 것은 재료가 변형으로 응력을 흡수할 여지가 적어진다는 뜻이다. 그래서 저온 조건이 주어진 선지는 취성 쪽으로 판단한다. 취성과 연성을 비교할 때는 파괴 직전까지 늘어나는지를 기준으로 삼는다.

변형도 경화영역과 변형경화 시작점

경화영역은 항복 이후 응력이 비선형적으로 증가하는 구간이므로 구간 전체를 가리킨다. 반면 변형경화 시작점은 구간이 아니라 한 점이다. 항복 구간이 끝난 뒤 응력이 다시 증가하기 시작하는 점을 변형경화 시작점이라 한다. 두 용어를 구간과 점으로 나누어 기억하면, 경화영역을 한 점으로 줄이는 선지나 시작점을 구간 전체로 넓히는 선지를 가려낼 수 있다. 경화영역 안에서는 응력과 변형도가 정비례하지 않으므로 탄성영역의 훅의 법칙을 그대로 적용하지 않는다. 용어만 바꿔도 정답이 바뀌므로 구간과 점을 문장 단위로 구별해 두어야 한다.

연성과 전성은 힘의 방향으로 구분한다

전성은 두드리거나 압연할 때 얇게 펴지는 성질로, 인장을 받아 늘어나는 연성과는 힘을 받는 방향이 다르다. 전성은 압축을 받는 방향의 변형에서 드러나는 성질로 이해하면 된다. 연성은 재료가 인장응력을 받아 파괴되기까지 현저하게 늘어날 수 있는 성질이다. 금속재료는 항복점 이상의 응력을 받아도 파괴되지 않고 소성변형을 계속할 수 있는데, 이 성질을 연성이라 한다. 두 정의가 같은 성질을 다르게 표현한 것이므로, 연성은 파괴 전까지의 소성변형 능력으로 기억하면 된다. 연성이 높은 금속으로는 금과 백금 등이 흔히 든다. 가공 조건도 연성에 영향을 준다. 냉간신선으로 가공된 용접철망은 연신율이 감소하므로 큰 연성이 필요한 부위에 쓸 때 주의가 필요하다.