재료의 기계적 성질(Mechanical Properties)을 알아보자

기계적 성질(Mechanical Properties)은 재료가 외부에서 가해지는 힘이나 하중에 대해 어떻게 반응하는지를 설명하는 특성으로, 재료가 외부의 힘이나 하중에 대해 어떻게 반응하는지 재료의 성능, 내구성, 안전성 등을 평가하는 데 필수적이며, 설계 및 제조 과정에서 중요한 사항이다.

 

 

• 재료의 기계적 성질과 그 중요성

 - 재료는 사용 중에 항상 크고 작은 하중(Load), 또는 힘을 받는다.
 - 변형(Deformation)과 기계적 성질(Mechanical Properties).

 - 재료가 겪는 하중, 또는 힘에 대한 재료의 응답으로서 재료가 하중을 받기 전 원래의 모양으로부터 변화되어 나타나는 형태 상의 차이 이러한 하중에 대한 변형을 총칭하여 재료의 기계적 거동(Mechanical Behavior)이라고 부르며, 이때 나타나는 특성을 재료의 기계적 성질(Mechanical Properties)이라고 부른다.
 
- 재료의 중요한 기계적 성질에는
 
1. 강도(强度, Strength)
2. 경도(硬度, Hardness)
3. 연성(延性, Ductility 전성, 展性, Permeability)
4. 강성(剛性, Stiffness)

- 각종 재료의 중요한 기계적 성질을 정확하게 알아야만 사용 목적에 맞게 이들 재료를 적절하게 활용하여 구조물을 안전하게 설계할 수 있다.

- 이러한 기계적 성질은 사용 환경과 그 조건들이 비슷하게 설정된 시험(실험)을 통해 얻을 수 있으며, 이들 시험(실험)에 대한 일관성을 부여하는 가운데 표준을 설정할 필요가 있다.

• 하중의 종류

 -  일반적으로 시행되는 응력-변형률(Stress-Strain) 시험에서 재료의 시편에 가해지는 하중은 종류이다.

 1) 인장(Tension),  2) 압축(Compression),  3) 전단(剪斷, Shear), 4) 비틀림(Torque) 

 1) 인장시험(Tension Test).
    - 가장 일반적으로 쓰이는 기계적인 응력-변형률 시험.(아래그림은 인장변형률 곡선 및 시험장치 구조)

 

인장변형율 곡선 및 시험장치 구조

 

 

표준인장 시편

 

 

 -  위의 그림(표준인장시편 또는 인장시편규격) ASTM 표준 시편을 양단에 인장 하중을 가하며 일정한 속도로 잡아당겨 변형을 측정, 매 순간 부과 하중과 이에 따른 변형률을 각각 하중계(Load Cell)와 신장계(Extensometer)를 통해 연속적으로 측정.


 - 하중과 변형의 관계는 시편에 가해진 힘과 변형 간의 상관관계로 재료마다 다른 특성을 보이는데, 시편의 크기(단면적)에 따라 일정한 변형을 얻기 위한 힘의 크기가 달라질 것이며 시험 중에도 시간에 따라 단면적이 변화(Necking)할 것이므로 이런 기하학적 요인을 최소화하기 위해서는 기준값을 정해 그 변화를 살필 필요(Normalization)가 있다.



2) 압축 시험(Compression Test)

 - 인장 시험(응력, 변형률)의 경우와 하중이 반대 방향이므로 이를 수학적으로 구별할 필요가 있는데, 관습적으로 인장 하중을 양(+)으로 표현하고, 압축 하중은 음(-)으로 표시 따라서, 압축 하중에 따른 압축 응력도 음의 값으로 표현되며, 시편이 줄어들게 되므로 변형률 역시 음의 값으로 표현된다.

 하중만 반대 방향일 뿐 응력과 변형률의 개념이 인장 시험과 유사하여 압축 시험을 통해 얻을 수 있는 부가적인 정보가 많지 않으므로 특별한 경우가 아니면 시험하지 않는다.


3) 전단(剪斷, Shear) 시험

  3-1) 전단 응력(Shear Stress) 
      -인장이나 압축의 경우처럼 하중이 단면에 수직으로 작용하는 것이 아니라 평행하게 작용.
 
  3-2) 전단 변형률(Shear Strain)
      -전단 하중과 단면적 간의 기하학적 관계 특성상 전단 변형률은 변형률 각 삼각비 값으로 정의된다.

4) 비틀림(Torque) 시험
   - 비틀림 하중은 순수 전단 하중의 변형된 하중으로 공간 상에서 하중의 축이 일치하지 않는 경우 구조물에 회전력을 부과하게 되며 이에 따라 구조물을 비트는 효과가 나타나게 되므로 생기는 현상으로서, 차축(Axle)과 기계의 구동축 Drive Shaft), Drill 등의 운동에서 그 예를 볼 수 있다.



•  Hooke의 법칙

 - 구조물에 생긴 응력과 변형률과의 관계를 나타내는 식으로서 상대적으로 작은 인장력을 받는 대부분의 금속의 경우에 적용되는 관계식. (하중이 어느 한계를 벗어나면 적용될 수 없다) 

1) 탄성 변형(Elastic Deformation)
   - Hooke의 법칙이 적용되는 (작은 응력의 범위 내에서) 응력과 변형률이 비례 관계에 있을 때 발생하는 재료의 변형을 탄성 변형이라고 한다. (예외 존재, 비선형 탄성 변형)

1-1) 탄성 변형의 물리적 의미
   - 변형이 적용되는 구간에서는 변형이 일시적인 것이며 가해진 하중이 제거되면 재료는 원래의 형상으로 되돌아간다는 것.

1-2) 비선형(Non-Linear) 탄성 변형 재료
  - 일부 재료는 탄성 변형의 응력-변형률 관계가 직선적이 아니라 비선형(곡선형)인 경우 존재.

 

 

인장 성질
• 항복(Yielding)과 항복강도(Yield Strength).
 - 재료에 부과된 하중이 점점 커져 재료가 탄성 영역을 지나 소성(영구) 변형이 일어나는 현상을 항복이라 하고 항복이 일어나는 시점의 응력을 항복응력(강도)이라고 한다.
 (금속의 항복강도의 크기는 금속의 소성 변형에 맞서는 저항력의 척도가 된다)

 
탄성

 -소성의 전이가 점진적으로 일어나는 금속에 대해서 이론적으로 항복점은 선도의 직선으로부터 처음 이탈되는 점(비례 한도, Proportional Limit)으로 정하면 된다.

• 인장강도(Tensile Strength)와 재료의 파단(Fracture)

 - 항복점 이후에 금속의 소성 변형을 계속 일으키기 위한 응력은 지속적으로 증가하다가 최댓값에 이른 후 점 F(Fracture)까지는 감소 양상을 보인다.

- 인장강도(TS)는 공학적 응력-변형률 곡선에서 최대 응력을 나타내는 점으로 규정함.
 
- 공학적 의미는 인장 상태에 있는 구조물이나 재료가 받을 수 있는 최대 하중에 해당하는 응력.

- 최댓값을 나타낸 이후에는 공학적 응력 값은 감소하여 궁극적으로는 파괴가 일어나는데, 이를 재료의 파단(Fracture)이라고 한다.

- 인장강도까지의 모든 변형은 인장 시편의 표점 길이 부분의 단면에 대해 균일하지만, 이후 최대 응력에서 시편의 일부에 단면 수축(Necking)이 일어나고 변형이 그 부분에 집중되어 파단이 발생, 이때의 응력 값을 파괴강도(Fracture Strength)라고 한다.
 

연성(延性, Ductility)
 - 재료의 중요한 기계적 성질의 하나로서 파괴가 일어날 때까지의 소성 변형의 척도.
 
- 재료 중에는 파괴가 일어날 때까지 거의 소성 변형이 일어나지 않는 재료가 있는데 이런 재료는 반대로 취성(脆性, Brittleness)이라고 표현한다.

- 연성의 정량적 표현, 신장(伸張) 백분율(Percent Elongation)과 단면 감소율(Percent Reduction in Area) 신장 백분율은 파괴 시 소성 변형률을 백분율로 나타낸 값, 단면 감소율은 파괴 후 단면의 감소율을 백분율로 표시.

 
인성(靭性, Toughness)
- 인성은 주로 가혹한 조건에서 소성 변형을 수용하는 재료의 성질을 의미하는 용어.
- 균열(Crack), Notch 등이 존재할 때 재료가 가지는 파괴에 대한 저항성.



경도(硬度, Hardness)
- 재료의 국부적 소성 변형에 저항의 척도 ex) 국부적 소성 변형은 흠(Dent), 긁힘(Scratch) 등.

- 모든 경도 시험은 흠을 내는 재료(Indenter, Indentation Material)가 각 경도 시험의 종류마다 표준으로 정해져 있으므로 이 표준 재료에 대해 상대적인 값을 나타내 주는 수치가 된다.
 
-초기의 경도 시험은 자연 광석을 대상으로 하여 어떤 재료가 상대적으로 다른 재료에 흠을 낼 수 있는 성질을 나타낼 수 있도록 고안된 바, 이를 Mohs Hardness Scale이라고 한다.

-경도계(Hardness Scale)에서는 연한 석회석(Talc)을 경도 1, Diamond를 경도 10으로 하여 상대적인 수치가 설정되었다.

- 보다 더 정확하고 체계적인 경도 시험법과 경도계는 하중의 크기 및 부과 속도를 조절할 수 있도록 고안되고, 대상 시험 재료를 작은 누름자(압입자, Indenter)로 압입(Indentation)하는 방식을 도입.
 
- 물린 자국의 깊이나 크기를 지수화하여 깊거나 클수록 경도가 ‘낮다, 약하다’(Soft)라고 하며 경도지수 Hardness Index Number)를 상대적으로 낮은 값으로 표시.



＊경도계를 도입하여 경도지수를 측정하는 이점＊
1) 저렴한 비용으로 매우 간단하게 시험 대상 재료의 기계적 성질을 가늠할 수 있다.
    (별도 시편이 필요 없으며, 시험 장치의 가격이 인장, 압축 시험기 등에 비해 저렴) 
 
2) 비파괴적 시험(Non-Destructive Test)으로서 재료에 아주 작은 손상만을 입힌다.
    (재료가 파괴되거나 과도한 변형이 일어나지 않는다)

3) 경도 시험 결과를 통해 다른 기계적 성질을 유추할 수 있다.

 
• 경도 시험계(Hardness Test System)의 종류.
1) Rockwell
2) Brinell
3) Knoop
4) Vickers



재료 성질의 변이성

• 측정의 한계성
- 공학적으로 여러 가지 실험이나 시험을 통해 얻는 Data는 정확한 값이 아니라 통계치.

- 정밀한 측정 장치를 사용하여 아무리 정교한 실험을 고안하여 측정하더라도 항상 오차(Error)는 존재하기 마련이며, 얻은 Datum 간에 편차(Deviation) 또한 존재한다.

이러한 오차나 편차의 요인은 실험자가 감지하지 못하는 시험 방법의 차이, 실험 조건 설정의 차이, 시편의 차이, 개인 오차 등 여러 가지가 있으며, 이를 완벽하게 제어할 수 없으므로 원하는 성질을 정량화하기 위해 절대적인 값을 이끌어 내기보다는 얻어진 실험 결과에 대해 통계적 의미 부여, 결과의 통계적 처리 등에 유의할 것. 

-얻어진 실험치에 대해 신뢰도(Reliability)를 높이기 위해서는 통계적으로 의미 있는 충분한 측정 횟수를 통해 Data를 확보하여야 하고, 이들 측정치의 평균값과 표준편차를 관리하여 통계치를 얻을 수 있습니다.