이 글에서는 1. 공학 재료의 일반 특성, 2. 물리적 특성, 3. 기계적 특성에 대해 다룹니다.
공학 재료 제조 산업에 종사하는 경제학자들은 재료를 최적의 경제적 방식으로 활용하거나 적용하는 방법을 찾는 데 주로 관심을 둡니다. 경제학자는 다양한 공학 재료의 특성과 제조 공정에 대한 실무 지식을 가져야 합니다.
이런 경제학자의 조언은 특정 조건 하 공학 재료 선택이나 현지 가용 원료로부터 공학 재료 제조 라인 결정에 극히 유용합니다.
특정 공학 재료의 적용 분야는 그 재료의 특성과 다양한 물성에 의해 좌우됩니다.
이러한 특성은 다음과 같이 여러 범주로 분류될 수 있습니다:
다른 물질과 결합하려는 경향, 반응성, 용해도, 부식, 화학 조성, 산성, 알칼리성 등 효과를 시사합니다. 금속의 화학적 특성으로 인한 부식은 엔지니어가 공학 재료 선정 시 직면하는 심각한 문제 중 하나입니다.
금속에서 최외각 전자는 원자에 느슨하게 결합되어 화학 반응 시 쉽게 이탈합니다. 금속이 대기에 노출되어 산소, 염소 등 기체와 접촉하면 화학 반응이 일어납니다. 철이 산소와 반응하면 적색 산화철이 생성되어 철 표면을 덮습니다. 이를 부식이라 합니다.
전류 흐름에 저항하는 재료 능력을 의미하며 전도율, 유전 강도, 저항률 등이 포함됩니다.
발전기, 변압기 등에 사용될 때 투자율, 히스테리시스, 보자력 등 재료 자기적 특성 연구가 필요합니다.
외력이 가해질 때 재료 거동을 지배하는 특성입니다. 중요한 기계적 특성으로는 탄성, 경도, 소성, 강도 등이 있습니다.
광학 작업에 사용될 때 색상, 투광률, 굴절률, 반사율 등 광학적 특성 지식이 필요합니다. 빛이 물질에 부딪히면 원자와 상호작용해 다양한 효과를 냅니다. 빛은 반사, 굴절, 산란, 흡수될 수 있습니다. 물질 내 빛 거동과 이를 이용해 다양한 광 효과를 제어하는 학문을 광학이라 합니다.
외력 없이 재료 상태 평가에 필요하며 체적 밀도, 내구성, 다공성 등이 포함됩니다.
비열, 열팽창, 열전도율 등 열적 특성 지식은 재료의 열 변화 반응을 아는 데 도움이 됩니다. 따라서 변동 및 고온 견딜 적합한 재료 선정 가능.
금속과 합금의 가공이나 적용에 영향을 미치는 특성을 기술적 특성이라 합니다. 주조성, 가공성, 용접성, 가공성은 금속과 합금의 중요한 기술적 특성입니다.
이 모든 특성 중 물리적 특성과 기계적 특성이 건축 엔지니어에게 특히 중요합니다.
공학 재료 물리적 특성과 관련해 다음 용어들을 정의하고 설명합니다:
체적 밀도는 재료가 자연 상태(기공 및 공극 포함)일 때 단위 부피당 질량을 의미합니다. 시편 질량과 자연 상태 시편 부피 비율로 구합니다.
강도, 열전도율 등 재료 기술적 특성이 체적 밀도에 크게 영향을 받으므로 재료 성능 효율은 체적 밀도에 의존합니다.
대부분 재료에서 체적 밀도는 밀도보다 작으나, 치밀한 재료, 액체, 용융 덩어리에서 얻은 재료는 예외입니다.
표 1-1은 주요 건축 자재의 체적 밀도를 보여줍니다.
산, 알칼리, 기체, 염 용액 작용을 견디는 재료 능력을 내화학성이라 합니다.
이 특성은 하수관, 수리 구조물, 위생 설비용 재료 선정 시 신중히 검토됩니다.
물에 포화된 재료 압축 강도와 건조 상태 압축 강도 비율을 연화 계수라 합니다. 유리와 금속은 물 존재에 영향받지 않아 연화 계수가 1입니다. 반면 점토 등은 물에 젖으면 강도 쉽게 상실해 연화 계수가 0입니다.
연화 계수 0.8 이상인 재료를 내수성 재료라 부릅니다. 영구적으로 습기 작용에 노출될 상황에는 연화 계수 0.8 미만 재료 사용을 피해야 합니다.
재료 밀도는 균질 재료 단위 부피당 질량으로 정의됩니다. 재료 질량과 균질 상태 부피 비율로 구합니다. 재료 물리적 특성이 밀도에 크게 영향을 받습니다.
재료 체적 밀도와 밀도 비율을 밀도 지수라 하며, 이는 재료 부피가 고체 물질로 채워진 정도를 나타냅니다.
자연계에 사실상 치밀한 물질이 없으므로 대부분 건축 자재 밀도 지수는 1 미만입니다.
대기 및 기타 요인 복합 작용을 견디는 재료 특성을 내구성이라 합니다.
건물 유지관리비는 구성 재료 내구성에 자연히 의존합니다.
내화성은 고온 작용 하에서 하중 지지 능력을 잃지 않고 저항하는 재료 능력, 즉 실질적 강도 손실이나 형상 변형 없이 견디는 능력을 의미합니다.
이 특성은 화재 시 매우 중요하며, 소화 작업이 보통 물과 수반되므로 고온과 물 복합 작용으로 시험합니다. 화재 시 안전과 안정성 확보 위해 재료는 충분히 내화성이어야 합니다.
물에 포화된 재료가 반복 동결과 융해에도 기계적 강도 현저한 감소나 육안상 파손 징후 없이 견디는 능력을 내동성이라 합니다. 내동성은 재료 밀도와 물 포화도에 의존합니다.
일반적으로 치밀한 재료는 내동성 있습니다. 기공이 닫혀 있거나 물로 90% 미만 채워진 다공성 재료도 내동성 있습니다.
공기 중 수증기를 흡수하는 재료 특성을 흡습성이라 하며, 관련 물질 성질, 기공 수, 공기 온도, 상대 습도 등에 의해 좌우됩니다. 친수성 물질은 물에 쉽게 용해됩니다.
다공성은 재료 부피가 기공으로 차지된 정도를 나타내며, 기공 부피와 시편 부피 비율로 표현됩니다. 다공성은 강도, 체적 밀도, 흡수율, 열전도율, 내구성 등 다양한 특성 지표이므로 신중히 연구 분석해야 합니다.
장시간 고온 작용 하에서 녹거나 형상 잃지 않고 견디는 재료 능력을 내화도라 합니다.
급격한 온도 변동 사이클을 일정 횟수 견디며 파손되지 않는 재료 능력을 스팔링 저항이라 하며, 주로 구성 성분 선팽창 계수에 의존합니다.
비열은 1 N 재료를 1°C 올리는 데 필요한 열량(킬로칼로리)으로 정의됩니다. 열 축적을 고려할 때 비열을 고려해야 합니다.
강철, 석재, 목재 비열:
열을 흡수하는 재료 특성을 열용량이라 하며 다음 식으로 구합니다.
T = H / M (T₂ – T₁)
T = 열용량 (J/N·°C), H = T₁에서 T₂로 온도 올리는 데 필요한 열량 (J), M = 재료 질량 (N), T₁ = 가열 전 온도 (°C), T₂ = 가열 후 온도 (°C)
재료 열전도율은 양면 온도 차이가 1일 때 단위 두께, 단위 면적, 단위 시간당 흐르는 열량(킬로칼로리)입니다. 단위는 J/m·hr·°C, 보통 K로 표시. 열전도율은 밀도, 다공성, 수분 함량, 온도에 의존합니다.
열저항율은 열전도율 역수. 열저항은 열저항율에 두께 곱한 값과 같습니다.
재료가 물을 흡수하고 보유하는 능력을 흡수율이라 합니다. 건조 재료를 물에 완전히 담근 후 건조 재료 중량 또는 부피 백분율로 구합니다. 주로 재료 내 기공 부피, 크기, 형상에 의존합니다.
압력 하에서 물이 재료를 통과시키는 능력을 투수성이라 하며, 시편 단면적 1cm² 조건 하 단위 시간(1시간)당 통과하는 물량으로 기술합니다. 유리, 강철 등 치밀한 재료는 방수 또는 불투수성입니다.
내후성은 재료가 형상과 기계적 강도를 심각하게 해치지 않으면서 번갈아 가며 젖고 마르는 조건을 견디는 능력을 표현합니다. 즉 습도 변화 조건 노출 시 재료 거동을 나타냅니다.
재료 강성, 연성, 강도 등 기계적 특성은 제작 가능성과 실제 적용 가능성 결정에 필수적입니다.
건축 자재는 다이아몬드 경도에서 순동 연성, 고무의 놀라운 탄성 거동까지 넓은 기계적 특성 범위를 보입니다. 마찬가지로 많은 재료가 응력 방식에 따라 매우 다르게 거동합니다. 예: 주철, 시멘트, 벽돌은 압축에서 훨씬 강하나 목재와 강철은 인장에서 더 강합니다.
건축 자재 일반 기계적 특성 관련 용어 정의 및 설명:
마모 저항은 마모 전후 시편 중량 차이를 마모 면적으로 나누어 구합니다.
많은 응용에서 건축 자재는 장시간 일정 하중 유지해야 합니다. 이런 조건에서 재료는 유용성이 심각하게 저하될 때까지 계속 변형할 수 있습니다. 이런 시간 의존적 구조물 변형은 하중 증가 없이도 크게 증가해 최종 파단에 이를 수 있습니다. 하중 일정함에도 변형이 계속되면 이를 크립이라 합니다.
대부분 건축 자재는 모든 온도에서 어느 정도 크립 발생. 그러나 강철, 알루미늄, 구리 등 공업용 금속은 상온에서 크립 매우 적음. 고온은 급속 크립 유도하며 종종 미세구조 변화 동반. 크립 현상은 상온 고분자, 100°C 알루미늄 합금, 300°C 이상 강철에서 중요.
하중 가해지면 재료 형상과 치수 변화. 탄성은 하중 제거 후 초기 형상과 치수로 복원하는 재료 능력을 나타냅니다.
다음 두 용어 차이 유의:
(i) 탄성 변형: 고체가 하중 받으면 변형되나 하중 제거 시 원위치 복귀. 압력 변화나 하중 가하면 탄성 변형 발생. 이상 변형은 힘 가해지자마자 즉각 발생하고 힘 제거 시 완전히 사라지는 변형. 훅 법칙 따르며 금속 탄성 변형량은 가해진 힘에 비례. 비교적 작은 변형력으로 작업 응력 탄성 한계 내 유지 시 이상 변형 발생.
(ii) 소성 변형: 고체가 하중 제거 후 형상 변화 전부 또는 일부 유지. 소성 변형은 응력 탄성 한계 초과 시 관찰되며 변형률은 변형률률, 가해진 응력, 온도에 의해 제어. 인장, 압축, 비틀림 응력 하 발생 가능. 압연, 단조 등 공정에서 유용한 제품 만들기 위해 의도적으로 수행.
반복적 또는 변동 응력 받으면 재료는 정상 하중 하 파단 필요 응력보다 훨씬 낮은 응력에서 파단. 이 거동을 피로라 하며 다음 세 가지 특징으로 구별.
피로 파단 원인:
더 단단한 물체에 관통당하는 것을 저항하는 재료 능력을 경도라 합니다. 바닥재와 도로 표면 재료 용도 및 가공성 결정 주요 인자. 경도는 기본 물성 아니지만 압축, 탄성, 소성 특성이 관통 모드, 관통체 형상 등에 상대적으로 결합된 효과입니다.
경도는 주어진 재료 인장 강도와 꽤 일정한 관계 있어 인장 강도와 표면 근처 금속 상태를 비파괴로 대략 파악하는 실용적 시험으로 활용 가능.
석재 재료 경도는 모스 굳기계(Mohs' scale)로 측정 가능. 경도 증가 순으로 배열된 10개 물질 목록. 시험 재료 경도는 그것을 긁는 물질과 그것에 긁히는 물질 사이.
표 1-2는 모스 굳기계를 보여줍니다.
재료 충격 강도는 단위 부피당 파단시키는 데 필요한 일량. 재료 인성 나타냄. 충격 시험기로 충격 강도 측정.
충격 강도는 재료 인성과 강도 모두 고려하는 복합 특성.
다음 요인에 따라 변함:
재료 소성은 하중 하 균열 없이 형상 변경하고 하중 제거 후 형상 유지하는 능력.
재료는 크게 소성 재료와 취성 재료 두 그룹으로 나눔. 강철, 구리, 뜨거운 역청 등은 소성 재료. 취성 재료는 파단 전 눈에 띄는 변형 없이 돌발 파단. 암석, 세라믹, 유리, 주철, 콘크리트 등은 취성이며 휨, 충격, 인장 저항 약함.
하중으로 인한 응력 작용 하 파단을 저항하는 재료 능력을 강도라 합니다. 재료가 흔히 받는 하중은 압축, 인장, 휨. 해당 강도는 파단 하중을 시편 단면적으로 나누어 구함.
건축 자재 응력은 극한 강도 일정 비율 초과 불허. 안전 여유 두고 안전 응력과 극한 응력 비율을 안전율(factor of safety)이라 함. 예: 안전율 2면 설계용 응력은 극한 응력 절반.
안전율 값은 설계 표준에서 지정하며 작업 성격, 재료 품질, 사용 조건, 경제성 등 고려해 제정.
마모와 충격 복합 작용 하 재료 파단을 마모라 함. 마모 저항은 보통 중량 감소 백분율로 표현되며 도로 표면, 철도 자갈 등 재료 적합성 결정에 매우 중요.
복합재료
Kraiburg 그룹 소속 Gummiwerk KRAIBURG GmbH(독일 Waldkraiburg)는 7월 27일 Kraibon 엘라스토머 제품을 소개했다. 비가황 엘라스토머로 만든 얇은 필름으로, 추가 공정 단계 없이 다양한 소재와 화학적으로 결합해 하이브리드 소재를 형성한다. 자동차, 건설, 스포츠, 풍력, 항공, 철도 차량, 의료 산업과 호환된다고 한다. FRP 통합 시 효과 Gummiwerk에 따르면 엘라스토머를 섬유강화 플라스틱(FRP) 구성에 통합하면 경질과 연질 소재가 교대하는 구조로, FRP의 우수한 기계적 물성과
소재의 기계적 특성이란? 소재의 기계적 특성은 외부 힘(하중)이 작용할 때 소재의 거동을 정의합니다. 이는 소재의 강도와 내구성 특성을 측정하는 척도이며, 공구, 기계, 구조물 설계에 매우 중요합니다. 기계적 특성은 구조 민감성을 가지는데, 이는 결정 구조와 결합 과정, 특히 결정 내부나 입계에 존재하는 불완전함의 성격과 거동에 의존하기 때문입니다. 가장 중요하고 유용한 소재의 기계적 특성을 아래에 간략히 설명하여 독자가 주어진 설계에 적합한 소재를 빠르고 현명하게 선택할 수 있도록 했습니다. 1. 강도(Strength) 소재의
