인장력과 압축력이 금속 강도에 미치는 영향

금속의 강도는 제품이나 구조 아키텍처 설계에 중요한 역할을 합니다. 금속 강도에는 인장 강도, 항복 강도, 경도, 밀도 등 다양한 요소가 있습니다. 인장력과 압축력은 금속이 파단 전 견딜 수 있는 응력이나 압력의 양에 영향을 미칠 수 있으므로, 필요한 용도에 따라 어떤 소재의 강도가 가장 잘 작동할지 결정하는 것이 중요합니다.

인장력 vs 압축력: 빠른 가이드

아래에서는 금속의 인장력과 압축력을 간략히 설명하고, 각각이 어떻게 작동하는지, 다양한 금속에 미칠 수 있는 영향을 분석합니다.

금속의 인장력

금속이 늘어날 때마다 인장력을 받습니다. 수학적으로 인장 응력은 힘/면적과 같습니다. 금속이 견딜 수 있는 최대 응력이 인장 강도를 나타냅니다.

인장 강도는 두 부분으로 더 나눌 수 있습니다:

• 항복 강도: 금속이 외부 인장 하중을 받으면 탄성 및 소성 변형을 겪습니다. 항복 강도는 힘이 제거되면 금속이 원래 모양을 되찾을 수 있는 인장력의 한계를 나타냅니다.
• 극한 인장 강도: 항복점을 넘으면 금속은 네킹(necking) 발생 직전까지 소성 변형을 계속 보입니다. 이 한계를 극한 인장 강도라고 합니다. 간단히 말해, 금속이 두 조각으로 부서지지 않고 견딜 수 있는 최대 응력을 나타냅니다.

금속의 압축력

압축력은 금속이 부서지지 않고 견딜 수 있는 최대 압축 또는 압력을 나타냅니다. 원래 치수 대비 길이가 감소합니다.

압축 파괴 모드에는 여섯 가지 유형이 있습니다:

1. 좌굴(Buckling): 축 방향 하중 하에서 갑작스러운 측면 형상 변화
2. 전단(Shearing): 가해진 힘 방향으로 미끄러짐 파괴
3. 이중 배럴링(Double barrelling): 외부 구속 없이 높은 각기둥체 압축 시 두 개의 배럴 형성
4. 배럴링(Barrelling): 실린더 외부에 볼록한 표면 생성
5. 균질 압축(Homogeneous compression): 접촉면에서 마찰 없음
6. 압축 불안정성(Compressive instability): 금속의 연화 작업으로 인한 파괴

압축 강도를 결정하기 위해 널리 인정받는 테스트는 모스 경도 테스트입니다.

인장력 vs 압축력 하에서 다양한 금속들

압축 강도와 인장 강도의 최대값은 금속마다 다릅니다. 일부 금속은 인장 하에서 뛰어난 인장 강도를 보이는 반면, 일부 금속은 최대 압축력을 잘 견딥니다. 따라서 두 금속을 인장력과 압축력 하에서 비교하려면 먼저 금속의 용도를 인정해야 하며, 그 후에야 다른 금속과 비교하기 쉬워집니다.

아래 차트는 다양한 금속의 강도, 경도, 밀도를 비교합니다:

강철은 알루미늄보다 높은 인장 강도와 항복 강도를 가지지만, 알루미늄은 경량이고 강철보다 더 나은 내식성을 제공합니다. 따라서 용도 요구사항을 고려할 때 매개변수를 연구하는 것이 중요합니다.

또한 금속은 높은 인장 강도지만 낮은 압축 강도를 가질 수 있고 그 반대도 가능합니다. 예를 들어 주철의 압축 강도는 인장 강도보다 높지만, 연강은 그 반대입니다.

주철 같은 취성 소재는 많은 보이드(voids)를 포함합니다. 인장 강도 하에서 이 보이드들은 노치 역할을 해 소재를 통해 균열이 빠르게 전파되게 합니다. 하지만 압축력 하에서는 이 보이드들이 닫혀 균열 전파 가능성을 무효화합니다.

반면 연성 소재에서는 하중 하에서 형성된 균열이 소재를 통해 전파되지 않고 쉽게 닫힙니다. 결과적으로 이들은 인장과 압축에서 동등하게 강하지만, 전단 응력 하에서는 실패하는 경향이 있습니다.

소재 강도 이해의 중요성

압축 강도와 인장 강도는 엔지니어링 설계에서 금속의 매우 중요한 특성입니다. 모든 엔지니어링 설계에서 주요 목표는 소성 변형을 가능한 한 작게 유지하는 것입니다. 이 점에서 영률(Young's modulus, E)은 선택 공정에서 핵심 매개변수로 간주될 수 있습니다.

영률은 길이 방향 인장 또는 압축 하에서 소재 변형 정도를 계산하는 또 다른 방법입니다. 종방향 응력과 변형률의 비율로 정의됩니다. 영률이 높을수록 소재는 더 단단해지며, 주어진 하중에 대한 탄성 변형이 더 작아집니다.

예를 들어, 낮은 영률의 금속으로 집을 짓는다면 압축 하중 하에서 많이 휘어질 것입니다. 더 단단한 금속이 더 바람직한 반응을 줄 것입니다.

현대 장대높이뛰기 폴은 좋은 예입니다. 선수의 퍼포먼스를 극대화하기 위해 장대높이뛰기 폴은 가벼운 소재로 만들어져야 하지만 폴이 휘어질 때 탄성 변형 에너지를 저장해야 합니다. 따라서 이 폴들은 유리섬유(E=15 GPa)나 유리섬유와 탄소섬유 혼합(E=500 GPa)으로 제작됩니다.

가장 일반적으로 사용되는 일부 금속의 영률은 아래와 같습니다:

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