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.
소재의 강도는 외부 하중 작용 하에서 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 능력입니다. 소재가 강할수록 더 큰 하중을 견딜 수 있습니다. 따라서 응력 하에서 파괴 없이 견딜 수 있는 소재의 능력을 결정합니다. 강도는 하중 유형에 따라 달라지므로 인장, 압축, 전단, 비틀림 강도로 구분할 수 있습니다.
어떤 소재가 파괴 직전까지 견딜 수 있는 최대 응력을 극한 강도(Ultimate Strength)라고 합니다. 소재의 경향은 인장 시 극한 강도입니다.
탄성은 가해진 하중에 의한 변형이 하중 제거 시 사라지는 소재의 기계적 특성입니다. 즉, 소재의 탄성은 응력이나 하중이 제거되었을 때 변형 후 원래 위치로 돌아오는 능력입니다. 탄성은 소재의 인장 특성입니다.
소재의 탄성 변형이나 처짐에 대한 저항을 강성(Stiffness) 또는 강도(Rigidity)라고 합니다. 하중 하에서 약간만 변형되는 소재는 높은 강성 또는 강도를 가집니다. 예를 들어 강철과 알루미늄 현수보 모두 필요한 하중을 견디기에 충분히 강할 수 있지만, 알루미늄은 더 많이 처지거나(deflect) 변형됩니다. 즉, 강철 보가 알루미늄 보보다 더 강성이거나 더 강도가 높습니다.
소재가 훅의 법칙(Hook's law)을 따르는 경우, 즉 선형 응력-변형률 관계를 가지면, 그 강성은 영률(Young's modulus E)로 측정됩니다. 영률 값이 높을수록 소재는 더 강성입니다.
인장 및 압축 응력에서는 강성 계수(Modulus of stiffness) 또는 탄성 계수(Modulus of elasticity)라 부르며, 전단에서는 강성률(Modulus of rigidity)이라 하는데, 이는 일반적으로 흔히 쓰이는 소재에서 영률의 40% 정도입니다. 체적 변형에서는 체적 탄성 계수(Bulk modulus)입니다.
유연성(Flexibility)이라는 용어가 강성의 반대 개념으로 쓰이기도 합니다. 그러나 유연성은 보통 굴곡이나 굽힘과 관련되며, 소성 범위에서의 굽힘 사용을 암시할 수도 있습니다.
소재의 소성은 파열이나 파괴 없이 일정 정도의 영구 변형을 겪을 수 있는 능력입니다. 소성 변형은 탄성 범위를 초과한 후에만 일어납니다.
소성은 성형, 압출, 그리고 많은 열간/냉간 가공 공정에서 중요합니다. 점토, 납 등은 상온에서 소성을 띠며, 강철은 백열 상태에서 소성을 띱니다. 일반적으로 소성은 온도 상승과 함께 증가합니다.
연성은 소재를 얇은 선으로 끌어낼 수 있게 하는 소재의 기계적 특성 중 하나입니다. 연강은 연성 소재입니다. 인장 시 신율(연신율)과 단면 수축률이 연성의 경험적 척도로 자주 사용됩니다.
소재의 전성은 열간 또는 냉간 가공으로 균열 없이 얇은 판으로 펼 수 있는 능력입니다. 알루미늄, 구리, 주석, 납, 강철 등이 전성 금속입니다.
어떤 소재는 전성과 연성을 모두 가질 수 있음을 유의해야 합니다. 납은 쉽게 압연 및 단조하여 얇은 판으로 만들 수 있지만 선으로 뽑을 수는 없습니다. 연성과 전성이 자주 혼용되지만, 연성은 인장 특성으로, 전성은 압축 특성으로 간주됩니다.
연성과 전성이라는 용어는 가공성(workability) 또는 성형성(formability)과 거의 동의어로, 이는 명백히 소성 변형과 관련됩니다.
탄성 복원력은 하중 제거 시 소재가 에너지 손실을 흡수하는 능력을 가진 소재의 기계적 특성입니다. 저장된 에너지는 하중이 제거되면 스프링에서 정확히 주어집니다.
탄성 한계까지 물체에 저장될 수 있는 최대 에너지를 내력 탄성 복원력(Proof resilience)이라 하며, 단위 부피당 내력 탄성 복원력을 탄성 복원력 계수(Modulus of resilience)라고 합니다. 즉, 탄성 복원력 계수는 소재 단위 부피를 비례 한계까지 응력시키는 데 필요한 에너지 양으로 정의됩니다. 이 양은 소재의 충격과 진동 견딤 능력을 나타냅니다.
인성은 실제 파단이나 파괴가 일어나기 전에 소재가 흡수할 수 있는 에너지 양의 척도입니다. 예를 들어, 연강 조각과 유리 조각에 갑자기 하중을 가하면, 연강은 파괴되기 전에 훨씬 더 많은 에너지를 흡수합니다. 따라서 연강이 유리보다 훨씬 더 인성이 높다고 합니다.
소재의 인성은 소성 변형과 탄성 변형을 모두 견딜 수 있는 능력입니다. 따라서 충격과 진동을 견뎌야 하는 구조물 및 기계 부품에 매우 바람직한 특성입니다. 망간강, 연철, 연강 등은 인성 소재입니다.
소재가 흡수하는 일 또는 에너지를 때로는 인성 계수(Modulus of toughness)라고도 합니다. 인성은 충격 강도, 즉 충격 하중에 대한 저항과 관련됩니다.
경도는 강도와 밀접하게 관련된 기본 특성입니다. 경도는 일반적으로 소재가 긁힘, 마모, 절삭, 압입, 또는 관통을 저항하는 능력으로 정의됩니다. 금속의 경도가 금속의 경화능(Hardenability)과 직접 관련되지 않음을 유의해야 합니다.
소재 경도를 결정하는 여러 방법이 현재 사용됩니다. 대표적으로 브리넬(Brinell), 로크웰(Rockwell), 비커스(Vickers) 경도 시험이 있습니다.
경화능은 특히 강철에서, 경화 공정을 통해 금속에 부여할 수 있는 경도의 정도를 나타냅니다. 담금질(Quenching)에 의해 유도된 경도의 깊이와 분포를 결정합니다. 금속의 경화능은 중심에서 표면까지 금속이 얼마나 잘 경화되는지 결정하기 위한 조미니 시험(Jominy test)으로 결정됩니다. 조미니 시험(ISO 642:1999)은 강철 시험편(직경 25mm, 길이 100mm)을 오스테나이트화 온도로 가열하고 한쪽 끝에서 제어된 표준화된 물 제트로 담금질하는 것을 포함합니다. 구조 전체에서 경화될 수 있는 금속은 더 높은 경화능을 가진다고 합니다.
소재의 취성은 영구 변형 없이 파손되는 특성입니다. 많은 소재가 큰 변형 전에 파손되거나 실패합니다.
이러한 소재는 취성이며, 예: 유리, 주철. 따라서 비연성 소재를 취성 소재라고 합니다.
일반적으로 취성 소재의 인장 강도는 압축 강도의 일부분에 불과합니다.
가공성은 소재의 고유한 기계적 특성이 아니라, 공작물과 다양한 절삭 공구가 다른 윤활 조건 하에서 다른 속도로 작동할 때 발생하는 복잡한 상호작용의 결과입니다. 결과적으로 가공성은 경험적으로 측정되며, 결과는 유사한 조건에서만 적용 가능합니다.
하지만 간단히 말하면, 다양한 가공 작업에서 금속이 얼마나 쉽게 제거되는지의 용이성입니다. 좋은 가공성은 가공에서 만족스러운 결과를 의미합니다.
금속의 가공성은 백분율로 표시되는 가공성 지수(Machinability index)로 나타냅니다. 모든 공작 금속은 기본 표준과 비교됩니다. 100% 가공성 등급의 표준 금속은 프리커팅 강(Free-cutting steel)입니다. 탄소강의 가공성 지수는 일반적으로 40~60%, 주철은 50~80% 범위입니다.
크리프는 소재의 기계적 특성입니다. 일정한 응력 하에서 시간이 지남에 따라 소재가 느리고 점진적으로 변형되는 현상을 크리프라고 합니다. 가장 단순한 크리프 변형 유형은 점성 흐름(Viscous flow)입니다.
온도에 따라 탄성 한계 이하의 응력에서도 영구 변형이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 응력 하에서 발생하는 시간 의존적 변형으로 정의됩니다. 금속은 일반적으로 고온에서 크리프를 나타내며, 플라스틱, 고무, 유사한 비정질 소재는 크리프에 대해 매우 온도 민감합니다.
크리프에는 세 단계가 있습니다. 첫 번째 단계에서 소재는 급속히 신장하지만 속도는 감소합니다. 두 번째 단계에서 신장 속도는 일정합니다. 세 번째 단계에서 신장 속도가 급격히 증가하다가 소재가 파괴됩니다. 일정 온도에서 지정된 변형률 속도에 대한 응력을 크리프 강도라고 합니다.
소재의 피로 특성은 수천 또는 수백만 번의 순환 하중 적용 시 거동을 결정합니다. 각 사이클에서 발생하는 최대 응력이 소재의 탄성 범위 내에 있을 때입니다. 이러한 조건에서 일정 횟수의 하중 적용 후 실패가 발생하거나, 소재가 무기한 계속 사용 가능할 수 있습니다. 많은 경우 부품은 특정 하중 사이클 하에서 일정 수명 동안 작동하도록 설계되며, 고속 항공기 및 터빈 엔진의 많은 부품이 이 유형입니다.
이상이 요구사항에 따라 어떤 소재를 선택해야 할지 통찰을 얻는 데 도움이 되는 다양한 소재의 기계적 특성이었습니다.
산업기술
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요즘 설계자와 엔지니어들은 시제품 및 생산 부품에 산업용 금속 3D 프린팅(적층 제조)을 점점 더 자주 활용하고 있습니다. 프로토랩스에서 우리의 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 기술은 며칠 만에 완전히 기능적인 금속 시제품과 최종 사용 부품을 제작합니다. 금속에 대한 이러한 증가하는 수요를 충족하고 더 많은 소재 옵션을 제공하기 위해 구리 합금(CuNi2SiCr)을 추가했습니다. 이 소재는 현재 100mm x 100mm x 100mm 최대 빌드 크기의 고해상도 작업에 사용할 수 있습니다. 대략 소프트볼 크기의 가장 넓은 지점이라고
