재료의 기계적 성질 연구 이유와 측정

재료의 기계적 성질 연구 이유와 측정

금속 재료의 기계적 성질을 연구하는 이유는 여러 가지 기계적 성질을 어떻게 측정하고, 이런 측정값이 나타내는 게 무엇인지 이해하는 것이 공학도의 의무이기 때문이다. 공학도는 선정된 재료를 이용해 구조물, 부품을 설계하는 경우 과도한 변형, 파손이 일어나지 않게 해야 한다.

 

금속 재료 중 강철은 자동차의 축, 알루미늄 합금은 비행기의 날개 재료로 사용되고 이런 재료는 사용 중 힘을 받기 때문에 재료의 성질을 이해하여 과도한 변형 혹은 파괴가 일어나지 않도록 설계에 주의를 기울여야 한다. 재료의 기계적 거동은 외부작용에 따른 재료가 반응하는 정도를 나타내는데 외부의 힘, 그에 따른 재료 변형사이 관계를 나타내 중요한 기계적 성질로 강도, 강성도, 경도, 연성 등이 있다.

 

 

재료의 기계적 성질 측정

재료의 기계적 성질을 측정하기 위해서는 다음과 같은 조건을 고려해야 한다

• 실험실 조건의 사용환경과 거의 유사하도록 해야 할 것
• 작용 하중 형태와 하중 받는 시간 및 주변 환경조건 등을 고려할 것
• 하중이 작용 기간은 1초가 안 될 수도 있고, 수년이 될 수도 있으며 사용 온도를 중요하게 고려할 것

하중 형태로는 압축, 인장, 전단 등 구분할 수 있고, 하중의 양은 시간에 따라 일정하기도 계속 변화할 수 있다.

 

 

기계적 성질은 관심 분야가 다른 여러 관계자 예를 들면 정부기관, 재료의 생산자와 소비자, 연구단체 등이 중요하게 생각한다. 그러기 때문에 시험 방법과 결과의 해석에서 일관성 있게 주어져야 하고, 이런 일관성은 표준 시험 방식을 따르면서 얻을 수 있다. 전문단체가 이 같은 표준수립과 발행에 관여하며, 미국에서 가장 활발한 활동을 하는 기관은 ASTM(American Society for Testing and Materials)이다. ASTM 표준 연감은 상당 양 매년 갱신돼서 발간되고, 기계적 시험의 표준 시험법이 대부분을 차지하고 있다.

 

구조물 다루는 기술자는 주어진 하중 조건하에 구조물의 한 부분이 받는 응력의 크기와 분포를 결정하는 일을 하며, 응력 및 응력분포는 실험적으로 구하거나 이론적 응력 해석법으로 구할 수 있다. 이에 관한 내용은 재료강도학 교재, 일반적 응력해석에 나와있다. 금속 기술자가 해야 하는 일은 응력해석을 통해 예측한 사용 요건을 충족하도록 재료를 제작 및 생산하는 것이다. 이 같은 일을 잘 수행하기 위해서 재료 내부 양상인 미세조직과 재료성질 사이의 관계를 잘 이해해야 한다.

 

 

금속의 기계적 성질 - 응력 및 변형률 개념

하중이 구조물 단면 혹은 표면에 균일하게 정적 작용하거나, 시간에 따라서 천천히 변하는 경우 기계적 거동은 단순 응력-변형률 시험을 통해 확인할 수 있다. 금속재료에 대한 시험은 일반적으로 상온에서 수행하고, 하중을 가하는 방법으로는 압축, 인장, 전단의 세 종류 주된 방법이 있다. 실제 공학적 상황에서 가해지는 하중형태는 순수 전단보다는 비틀림이다.

 

금속의 기계적 성질 - 소성변형

대부분 금속재료는 변형률 약 0.005 정도까지만 탄성변형이 일어난다. 이 점을 넘으면 응력은 더 이상 변형률에 비례하지 않아 훅의 법칙이 적용되지 않고, 회복되지 않는 영구변형인 소성변형이 일어난다. 미시적으로 소성변형이란 수많은 원자 혹은 분자가 상대적으로 움직이면서 가장 가까운 원자와의 결합을 끊고 새로운 원자와 결합하는 현상이며, 응력을 없애도 원자는 원래위치로 돌아가지 않는다. 결정재료에서 나타나는 소성기구와 비정질 재료의 소성기구는 다르며 결정 고체 재료에서는 전위 움직임에 따른 슬립현상에 의해 소성변형이 일어나지만, 비정질 고체, 액체에서는 점성 흐름 기구에 의해 나타난다.

 

 

금속의 기계적 성질 - 경도

경도는 예를 들어 조그만 흠, 흠집 같은 국부 소성변형에 대한 재료 저항성을 나타내는 기계적 성질이다. 예전 경도시험은 한 재료가 또 다른 재료에 흠을 낼 수 있는 가능성을 알아보는 것이었고 연한 석회를 1, 다이아몬드를 10으로 한 모스 스케일이라는 임의의 정성적 경도 식별법이 고안되었다. 정량적 경도 시험법은 하중과 속도를 조절하는 조건에서 시험할 재료를 작은 누름 자로 표면을 누르는 방법으로 몇 년을 두고 개발되어 눌린 자국의 깊이 혹은 크기를 경도지수와 관련해서 누름 자국이 크고 깊을수록 경도지수가 작아진다. 하지만 측정한 경도의 값은 절대적이지 않고 상대적 의미를 가지기 때문에 측정방법이 서로 다를 경우 주의해야 한다.

 

 

경도시험이 다른 기계적 시험보다 더 자주 쓰이는 이유는 다음과 같다

1. 간단하고 시험값이 저렴해 별도 시편을 준비할 필요가 없다
2. 비파괴적인 시험법으로 시편이 파괴되거나 과도한 소성이 일어나지 않는다(단지, 누름자국뿐 소성변형이 일어난 부위는 매우 작다)
3. 인장강도 같은 다른 기계적 성질도 경도시험으로 유추가 가능하다

가장 널리 쓰이는 경도 시험법은 로크웰과 브리넬이며 로크웰에는 여러 스케일이 있으나, 브리넬은 단 하나의 스케일이 있다. 또한, 브리넬 경도는 압입 크기로 결정되고 로크웰은 주 하중과 부수 하중의 압입 깊이의 차이로 결정된다.