철강 인장 시험: 구조용 응용을 위한 핵심 성능 통찰

철강 재료의 기계적 특성은 흔히 인장 시험을 통해 평가됩니다. 이 시험 기술은 잘 표준화되어 있으며 최소한의 장비로 경제적으로 수행할 수 있습니다. 철강 재료가 구조용 응용에 활용되므로, 관련 규정과 표준의 요구사항을 충족하는 인장 특성을 가져야 합니다. 규정과 표준의 이러한 요구사항은 최소 강도와 연성 수준입니다. 이로 인해 인장 시험에서 얻을 수 있는 정보가 종종 충분히 활용되지 않습니다. 그러나 인장 시험 결과에 영향을 미치는 많은 야금적 상호작용을 직접 조사하면 시험 데이터의 유용성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이러한 상호작용을 조사하고 열처리, 표면 마감, 시험 환경, 응력 상태, 예상 열기계적 노출 같은 야금/재료/응용 변수와 연관시키면, 공학적 응용에서 철강 재료 활용의 효율성과 품질 모두를 크게 개선할 수 있습니다.

철강 재료의 인장 시험은 여러 이유로 수행됩니다. 인장 특성은 보통 재료 규격에 포함되어 품질을 보장하며, 단축 인장 외의 다양한 하중 형태에서 이들 재료의 거동을 예측하는 데 자주 사용됩니다. 인장 시험 결과는 공학적 용도로 이들 재료를 선정하는 데 일반적으로 사용됩니다. 이는 재료의 선정, 적격성 평가, 공학적 응용 활용을 위한 기계적 특성 데이터를 개발하는 비교적 쉽고 저렴한 기술을 제공합니다. 이 데이터는 일반적으로 특정 용도에 대한 재료 적합성을 확립하고, 또는 다른 대체 재료와의 비교 기준을 제공하는 데 사용됩니다.

철강 재료의 탄성 거동

철강 구조물은 일반적으로 건설에 사용되는 재료가 정상 사용 조건에서 탄성 하중을 겪도록 설계됩니다. 이 하중들은 재료에 탄성 또는 가역적 변형률을 생성합니다. 강풍 속에서 높은 철골 빌딩이 흔들리는 것은 탄성 변형이 쉽게 눈에 띄는 예입니다. 자동차 차축의 굽힘과 차량 통행에 따른 교량의 신장은 덜 눈에 띄지만 탄성 변형의 예입니다. 변형률의 크기는 하중을 지지하는 재료의 탄성 계수에 의존합니다. 탄성 계수는 일반적으로 인장 시험으로 결정되지 않지만, 인장 거동은 철강 재료의 선정과 사용에서 탄성 특성의 중요성을 보여주는 데 사용될 수 있습니다.

철(Fe)의 영률(207 GPa)은 구리(Cu, 117 GPa)의 거의 2배이고 알루미늄(Al, 69 GPa)의 약 3배입니다. 더 높은 영률 값 때문에 Fe로 만든 부품은 Cu나 Al로 만든 유사 부품이 동등한 하중을 받을 때보다 덜 휩니다. 예를 들어, 인장 시험 중 직경 12.8mm 인장 봉을 455kg 하중으로 당길 때 Fe, Cu, Al의 탄성 인장 변형률은 각각 0.00016, 0.00029, 0.0005 mm/mm입니다. 강재가 탄성 변형에 저항하는 능력은 '강성(stiffness)' 특성 때문이며, 영률(E)은 이 특성의 한 척도입니다. 매우 강직한 구조가 필요한 공학적 건설은 매우 거대한 부품이나 높은 탄성 계수를 가진 재료로 해야 합니다. Fe의 탄성 계수가 많은 다른 재료보다 높기 때문에 철강 재료는 높은 강성이 필요한 용도에 자주 사용됩니다.

영률(E)을 정의하는 방정식 'S = Ee'는 인장 변형률(e)이 가해진 응력(S)에 선형적으로 비례한다는 관찰에 기반합니다. 이 선형 관계는 철강 재료가 대부분의 실제 상황에서 보이는 거동을 잘 설명합니다. 그러나 이들 재료가 순환 또는 진동 하중을 받을 때, 진정한 선형 탄성 거동에서 약간만 벗어나도 중요해질 수 있습니다. 선형 탄성에서 벗어난 정도를 측정하는 척도 중 하나는 재료의 비탄성(anelastic) 응답입니다.

비탄성(Anelasticity)

비탄성은 시간 의존적인 완전 가역 변형 과정입니다. 시간 의존성은 하중 하에서 원자가 즉시 이동하지 않기 때문입니다. 시간 의존 변형 과정에는 불순물 원자의 확산 운동을 포함한 많은 메커니즘이 있습니다. 이 확산 운동은 단순히 하중 하에서 인접한 격자 위치로 원자가 뛰는 것일 수 있습니다.

Fe-C(탄소) 합금인 철강 재료에 인장 하중을 가하면 재료에 탄성 변형이 생기고, 체심입방(bcc) 구조가 체심사방(bct) 구조로 왜곡됩니다. 고용체 상태의 탄소도 Fe 격자에 유사한 왜곡을 일으킵니다. 인장 하중에 의한 왜곡과 탄소 용해에 의한 왜곡 사이에는 한 가지 기본적인 차이가 있습니다. 인장 시험 중 재료 격자의 평균 왜곡은 이방성(anisotropic)입니다. 즉, 각 단위 세포가 인장 하중 방향으로 신장되고 푸아송비 때문에 횡방향으로 수축합니다. 반면, 탄소 용해로 인한 평균 격자 왜곡은 각 탄소 원자가 국소적 이방성 왜곡을 일으키더라도 등방성(isotropic)입니다.

Fe에 고용된 탄소 원자들은 그림 1과 같이 간극 위치에 위치합니다. 용해된 탄소 원자가 간극 위치에는 너무 크기 때문에, 위치 X의 탄소 원자는 Fe 원자 A와 B를 밀어내어 단위 세포를 x 방향으로 신장시킵니다. 마찬가지로 위치 Y의 탄소 원자는 Fe 원자 B와 C를 밀어내어 y 방향으로 신장시키고, 위치 Z의 탄소 원자는 z 방향으로 신장시킵니다. 주어진 무응력 Fe 또는 α 결정립 내에서 탄소 원자들은 X, Y, Z 위치에 무작위로 분포합니다. 따라서 각 단위 세포는 한 특정 방향으로 왜곡되지만, 무응력 결정립의 전체 왜곡은 기본적으로 등방성, 즉 모든 방향에서 동일합니다.

인장 응력 가하는 특정 간극 선호 위치를 만듭니다. 인장 응력이 x 방향과 평행하면 X형 위치가 팽창하여 탄소 원자의 선호 위치가 됩니다. 응력이 y 방향이면 Y형 위치가, z 방향이면 Z형 위치가 선호됩니다. 인장 시험 중 탄소 원자들은 인장 하중에 의해 선호되게 된 위치로 이동하거나 확산합니다. 이 이동은 시간과 온도에 의존하며 비탄성 변형의 원인이 될 수 있습니다. 인장 하중이 갑자기 가해지면 탄소 이동이 선호 위치로 일어날 만큼 충분히 빠르게 재료 격자가 탄성 변형될 수 있습니다.

그러나 재료가 하중 하에 남아 있으면, 시간 의존적 선호 위치 이동으로 인가된 응력 방향으로 간극 탄소가 Fe 원자를 밀어내려는 경향 때문에 추가 격자 변형이 생깁니다. 이 추가 변형이 재료의 비탄성 변형입니다. 마찬가지로 하중이 갑자기 해제되면 탄성 변형은 즉시 회복되지만, 비탄성 변형 회복에는 간극 탄소 원자가 이전에 선호되던 위치에서 재료 격자 내 균일한 분포로 재배치되는 데 시간이 필요합니다. 탄성 변형과 비탄성 변형의 시간 의존성은 그림 1에 개략적으로 나와 있습니다.

그림 1 철 격자와 탄성 및 비탄성 변형의 시간 의존성

탄성 변형과 비탄성 변형의 조합은 인장 시험 중 결정되는 영률이 하중 속도(또는 변형률 속도) 의존적이며, 순환 또는 진동 하중을 받는 재료에서 감쇠 또는 내부 마찰을 생성할 수 있음을 의미합니다. 비탄성 변형은 인장 시험 중 시험편이 하중을 받고 고정 변위에서 유지될 때 응력 이완의 한 원인입니다. 이 응력 이완은 원자가 선호 위치로 이동하고 비탄성 변형이 일어나면서 고정 변위를 유지하는 데 필요한 하중이 감소하는 시간 의존적 하중 강하로 인해 발생하며, 흔히 '탄성 사후 효과(elastic aftereffect)'라고 불립니다. 이 탄성 사후 효과는 시간 또는 하중 속도가 시험 결과에 미치는 중요성을 보여줍니다.

인장 하중이 시험편에 가해질 때 동반되는 총 가역 변형률은 탄성 변형과 비탄성 변형의 합입니다. 하중을 급격히 가하면 비탄성 변형이 0에 가까워집니다(시험 시간이 비탄성 변형에 충분하지 않음), 따라서 하중 중 총 변형률은 진정한 탄성 변형과 같습니다. 같은 하중을 매우 느리게 가하면 비탄성 변형이 하중 과정을 동반하므로, 이 시험에서의 총 가역 변형률은 급속 하중 중 가역 변형률을 초과합니다. 저변형률 속도 시험에서 측정된 영률 값은 고변형률 속도 시험에서 측정된 값보다 낮으며, 따라서 측정된 탄성 계수는 변형률 속도 의존적입니다. 저변형률 속도에서의 낮은 영률 값은 '이완 계수(relaxed modulus)'라고 하고, 고변형률 속도에서 측정된 계수는 '비이완 계수(unrelaxed modulus)'라고 합니다.

감쇠 능력(Damping Capacity)

인장 시험과 순환 하중은 완전 이완 거동에 필요한 변형률 또는 하중 속도와 완전 비이완 거동에 필요한 속도 사이의 속도에서 수행되는 경우가 많습니다. 따라서 하중 또는 하중 해제 시 응력-변형률 곡선의 초기 또는 단시간 부분은 비이완 거동을 생성하는 반면, 후기 및 더 긴 시간 부분은 더 이완된 거동을 생성합니다. 비이완에서 이완 거동으로의 전이는 응력-변형률 곡선에서 하중-하중해제 히스테리시스를 생성합니다. 이 히스테리시스는 하중-하중해제 주기 중 에너지 손실을 나타냅니다. 에너지 손실량은 히스테리시스 크기에 비례합니다. 재료 격자 내 비탄성 효과에 기인할 수 있는 이러한 에너지 손실을 '내부 마찰(internal friction)'이라고 합니다. 내부 마찰은 철강 재료가 진동 에너지를 흡수하는 능력에서 핵심 역할을 합니다. 이러한 흡수는 하중-하중해제 주기 동안 재료 온도 상승을 일으킬 수 있습니다. 재료의 내부 마찰 감수성을 측정하는 척도 중 하나가 감쇠 능력입니다.

비탄성과 내부 마찰이 시간과 온도 의존적이므로 재료의 감쇠 능력은 온도와 변형률 속도 모두에 의존합니다. 내부 마찰과 감쇠는 재료의 진동 응답에서 핵심 역할을 합니다. 하중-하중해제 주기 중 상당한 내부 마찰을 유발하는 조건에서 시험된 철강 재료는 큰 에너지 손실을 겪으며 높은 감쇠 능력을 가진다고 합니다. 이러한 재료는 진동 흡수에 유용합니다. 예로는 회주철이 있는데, 매우 높은 감쇠 능력을 가져 정기적으로 계측기와 장비의 베이스로 사용되어 주변 진동으로부터 격리시킵니다. 밀 스탠드, 선반, 프레스 등은 보통 주철 베이스를 사용하여 기계 진동이 바닥과 주변으로 전달되는 것을 줄입니다. 그러나 높은 감쇠 능력이 항상 유용한 재료 특성은 아닙니다.

비탄성, 감쇠, 응력 이완, 철강 재료의 탄성 계수는 시험 조건뿐만 아니라 재료 미세조직에도 의존합니다. 이 특성들은 일반적으로 인장 시험 기술로 결정되지 않습니다. 그러나 이 특성들뿐만 아니라 기계 매개변수도 응력-변형률 곡선 모양에 영향을 미칩니다.

비례 한계(The Proportional Limit)

인장 응력-변형률 관계에서 곡률 개시에 필요한 겉보기 응력이 비례 한계(PL)입니다. PL은 변형률이 응력에 방향적으로 비례하는 최대 응력으로 정의됩니다. 비례성에서 벗어남은 비탄성과/또는 소성 변형 개시에 기인할 수 있습니다. 인장 시험 중 이러한 현상 발생을 감지하는 능력은 응력과 변형률이 측정되는 정확도에 의존합니다. PL의 측정된 값은 측정 정확도가 높아질수록 감소합니다. 측정된 PL 값이 시험 정확도에 의존하므로, PL은 일반적으로 재료의 인장 특성으로 보고되지 않습니다. 또한 PL 값은 공학적 응용을 위한 재료의 선정, 적격성 평가, 사용에서 거의 또는 전혀 효용이 없습니다. 훨씬 더 재현 가능하고 실용적인 응력은 재료의 항복 강도(YS)입니다.

재료의 항복과 소성 개시

철강 재료의 항복 강도(YS)는 재료가 응력과 변형률 사이의 비례성에서 지정된 편차를 보일 때의 응력으로 정의될 수 있습니다. 비례성에서 매우 작은 편차는 비탄성 효과에 의해 생길 수 있지만, 이 선형 거동에서의 벗어남은 완전 가역적이며 유의미한 소성(비가역) 변형 또는 항복의 개시를 나타내지 않습니다. 항복의 이론적 값은 YS = E/2π 방정식에서 계산됩니다(E는 탄성 계수, π는 3.14159). 이론적으로 항복은 가해진 응력이 탄성 계수의 유의미한 분수가 되지 않는 한 일어나지 않습니다. 이 항복 추정치는 일반적으로 철강 재료의 경우 측정된 YS를 최소 150배 과대예측합니다. 이론적 YS와 실제 YS 사이의 불일치는 전위의 운동 때문입니다. 전위는 결정 격자의 결함이며, 이 결함들의 운동은 소성 변형의 주요 메커니즘입니다. 재료의 YS를 변경하는 기술은 전위 운동의 용이성을 변경하기 위해 결함 상호작용에 의존합니다.

전위 이동도는 합금 함량, 가공 경화 정도, 개재물과 제2상 입자의 크기·모양·분포, 재료의 결정립 크기에 의존합니다. 합금 원소 원자들이 전위와 상호작용하여 후속 운동을 방해하므로 합금 함량이 증가하면 강도가 증가합니다. 따라서 이러한 유형의 강화는 점결함과 선결함의 상호작용에서 기인합니다.

가공 경화(cold working)는 철강 재료 강도를 높이는 효과적인 기술입니다. 이 강화 메커니즘은 가공 경화 비율이 증가함에 따라 재료 내 전위 수가 증가하기 때문에 효과적입니다. 이 추가 전위들이 다른 전위들의 지속적인 운동을 제약합니다. 가공 경화는 결정 격자에서 선결함들이 다른 선결함들과 상호작용하여 생기는 강화의 예입니다. 압연, 스탬핑, 단조, 인발, 스웨징, 압출 등으로 필요한 가공 경화를 줄 수 있습니다.

결정립계와 상계도 전위 운동을 차단합니다. 따라서 결정립계 수가 증가하고/또는 구조 내 제2상 비율이 증가하면 YS가 증가합니다. 결정립 크기 감소는 단위 부피당 결정립계 수를 증가시켜 재료 격자 내 면결함 밀도를 높입니다. 면결함과 선결함 간의 상호작용이 전위 이동도를 제한하므로, 결정립 크기가 감소하고 제2상 입자 수가 증가할수록 YS가 증가합니다.

철강 재료는 다양한 강화 메커니즘으로 인해 넓은 범위의 YS를 보입니다. YS 범위는 결정립 크기, 가공 경화 비율, 제2상 입자 분포, 기타 비교적 쉽게 정량화할 수 있는 미세조직 매개변수에 의존합니다. 미세조직 매개변수 값은 재료의 열기계적 이력에 의존합니다. 따라서 YS를 의미 있는 설계 매개변수로 사용하려면 중요한 야금적 변수에 대한 지식이 거의 필수적입니다.

YS의 가장 일반적인 정의는 0.002 mm/mm의 소성 변형을 일으키는 데 필요한 응력입니다. 이 변형률은 비례성에서 쉽게 측정 가능한 편차를 나타내며, 이 편차를 생성하는 데 필요한 응력이 0.2% 오프셋 항복 강도입니다. 선형 거동에서 0.2% 편차에 도달하려면 상당한 양의 전위 운동이 필요합니다. 따라서 표준 인장 시험 중 0.2% 오프셋 항복 강도는 시험기 변수, 그립 효과, 비탄성 같은 가역적 비선형 변형과 거의 무관합니다. 이 독립성 덕분에 0.2% 오프셋 항복 강도는 철강 재료의 기계적 특성을 설명하는 데 사용되는 재현 가능한 특성입니다. 여전히 YS 또는 다른 인장 특성의 크기는 시험된 재료의 결함 구조에 의존함을 아는 것이 중요합니다. 따라서 재료의 열기계적 이력을 알아야 YS를 의미 있는 설계 매개변수로 사용할 수 있습니다.

항복점(Yield Point)

일부 철강 재료, 주로 실온에서 시험된 저탄소강에서 전위 운동의 개시는 비교적 점진적인 과정이 아니라 갑작스럽습니다. 이 갑작스러운 항복으로 인해 0.2% 오프셋 방법으로 항복을 나타내는 것이 비현실적입니다. 갑작스러운 항복으로 인해 연강의 응력-변형률 곡선에는 항복점(YP)이 있으며, 연강의 YS는 하한 항복 응력으로 설명됩니다. YP는 용질(용해된) 원자와 용매(모체) 격자 내 전위들의 상호작용으로 인해 발생합니다. 연강에서 용질-전위 상호작용은 탄소의 전위 이동 및 상호작용을 포함합니다. 이 상호작용으로 용질 농도가 전위 부근에서 높아지므로, YP는 전위로의 탄소 편석으로 인해 발생한다고 말합니다.

전위 주변의 많은 간극 위치가 확대되어 용질 원자의 점유에 유리한 저에너지 또는 선호 위치가 됩니다. 이 확대된 위치들이 점유되면 전위와 연관된 높은 농도 또는 분위기의 용질이 형성됩니다. 연강에서 용질 편석은 전위에서 탄소 풍부 분위기를 생성합니다. 전위 운동은 전위가 탄소 분위기로부터 분리되는 것을 필요로 하므로 제한됩니다. 분리가 일어나면 지속적인 전위 운동에 필요한 응력이 감소하고, 인장 시험에서 하한 항복 강도에 도달합니다. 이 항복 과정은 시험편의 국소적 영역에서 전위 운동을 포함합니다. 전위 운동이 소성 변형이므로 전위들이 이동한 영역은 재료의 변형 영역 또는 밴드를 나타냅니다. 이 국소적 변형 밴드를 뤼더스 밴드(Lüder's bands)라고 부릅니다. 한번 개시되면 추가 변형으로 뤼더스 밴드가 시험편 게이지 길이 전체로 전파됩니다.

이 전파는 강재의 하한 항복 강도인 일정한 응력에서 일어납니다. 전체 게이지 구간이 항복하면 전위들이 다른 전위들과 상호작용하면서 응력-변형률 곡선이 상승하기 시작하고, 변형 경화(strain-hardening)가 개시됩니다. YP와 뤼더스 밴드의 존재는 갑작스러운 연화와 국소적 변형이 가공 기술에 미치는 영향 때문에 중요합니다. 예를 들어, 갑작스러운 국소적 항복은 재료 흐름을 저크(jerky)하게 만듭니다. 저크한 재료 흐름은 인발 작업에서 바람직하지 않은데, 인발 장비 하중이 급격히 변하여 큰 에너지가 방출되고 가공 장비가 흡수해야 하기 때문입니다. 또한 국소적 뤼더스 변형은 스탬핑 공정 중 재료에 스트레치 마크(stretch marks)를 생성합니다. 이 스트레치 마크를 '스트레처 스트레인(stretcher strains)'이라고 하며 스탬핑 표면에서 쉽게 눈에 띕니다. 이는 외관을 악화시키고 부품 효용을 감소시킵니다. YP가 없는 재료를 스탬핑하면 변형 경화 과정이 변형을 재료 전체에 균일하게 퍼뜨리므로 매끄러운 표면이 생성됩니다.

결정립 크기의 항복에 미치는 영향

구조용 응용에 사용되는 철강 재료는 다결정입니다. 이 재료들은 일반적으로 많은 미세 결정 또는 결정립을 포함합니다. 결정립의 3차원 모양이 꽤 복잡하므로 크기를 정확히 정의하기 어렵습니다. 결정립이 구형이라고 가정하면 결정립 직경(d)을 크기 지정에 사용할 수 있습니다. 결정립 크기를 더 정확히 지정하기 위해 평균 결정립 가로지르기(I)와 결정립계 표면적과 결정립 부피의 비율(Sv)을 포함합니다. 이 두 매개변수는 정량적 금속조직 기술을 통해 확립될 수 있습니다.

그러나 역사적 이유로 매개변수 d가 철강 재료 YS에 대한 결정립 크기 영향을 설명하는 데 가장 흔히 사용되는 척도입니다. 이 영향은 홀-페치(Hall-Petch) 관계를 통해 YS를 결정립 크기와 연관시키는 경험식으로 종종 정량화됩니다.

결정립계는 전위 운동에 장벽 역할을 하여 전위들이 경계 뒤에서 쌓이게 합니다. 이 전위 쌓임의 팁에 응력이 집중되고, 응력이 충분하면 인접 결정립에 추가 전위가 핵생성될 수 있습니다. 전위 쌓임 팁의 응력 크기는 쌓인 전위 수에 의존합니다. 쌓임에 포함된 전위 수는 더 큰 결정립 부피로 인해 결정립 크기가 증가함에 따라 증가합니다. 이 쌓임 내 전위 수 차이는 동등한 순도의 미세 결정립 재료보다 큰 결정립 재료에서 새로운 전위 핵생성이 더 쉽다는 것을 의미하며, 이 전위 핵생성 용이성의 차이는 YS 차이로 직접 외삽됩니다.

가공 경화와 변형 경화의 효과

철강 재료의 재결정 온도 이상의 온도에서의 소성 변형은 열간 가공이고, 재결정 온도 미만에서의 소성 변형은 냉간 가공입니다. 이 재료들은 재결정 온도 이상에서 인장 시험 시 유의미한 변형 경화를 보이지 않으며, 인장 항복 강도가 재료가 효과적으로 지지할 수 있는 최대 응력이 됩니다. 이들 재료의 응력-변형률 곡선은 인장 변형률이 증가함에 따라 지속적인 소성 변형을 일으키는 데 필요한 응력이 증가함을 보여줍니다.

특정 인장 변형률에서의 지속적 변형에 필요한 응력을 그 변형률에서의 유동 응력(flow stress)이라고 자주 부릅니다. 변형률 증가에 따른 유동 응력 증가는 냉간 가공으로 재료 강도를 높이는 기초입니다. 결정립 크기가 재료 강도에 미치는 영향은 냉간 가공 과정 전체에서 유지됩니다. 강도에 대한 결정립 크기 의존성이 변형 경화 과정 전체에서 유지된다는 사실은 이들 재료에서 다양한 강화 메커니즘 간의 상호작용 가능성을 확립합니다. 예를 들어, 냉간 가공은 점결함과 전위 상호작용을 통해 강도 증가를 일으키며, 이 효과는 합금화 효과에 가산적입니다.

또한 강도만 냉간 가공 공정에 의해 영향을 받는 인장 특성이 아닙니다. 연성은 냉간 가공 증가와 함께 감소하며, 냉간 가공이 너무 광범위하면 강봉이 냉간 가공 중 균열 및 파단될 수 있습니다. 냉간 가공의 강도와 연성에 대한 전반적 효과는 강도 증가와 연성 감소가 응력-변형률 곡선 아래 면적을 감소시킨다는 것입니다. 이는 이 면적이 강봉을 파단하는 데 필요한 일 또는 에너지를 나타내므로 중요하며, 인장 시험 결과 이 에너지가 냉간 가공 비율 증가와 함께 감소함을 보여줍니다.

압연, 인발, 스탬핑, 단조 등 어떤 방법으로든 냉간 가공은 미세조직을 변화시킵니다. 결과적 결정립 모양은 가공 중 금속 흐름 방향에 의해 결정됩니다. 냉간 압연 시료의 결정립은 신장되고 평탄해져 반구형 결정립에서 팬케이크 모양 결정립으로 변합니다. 봉재 인발 공정은 바늘 모양 결정립을 생성합니다. 결정립 모양 변화 외에도 결정립 내부가 냉간 가공 작업으로 왜곡됩니다. 높은 전위 밀도 밴드(변형 밴드)가 발달하고, 쌍정계가 굽어지며, 결정립계가 거칠고 왜곡됩니다. 가공 유도 미세조직 변화가 이방적이므로 단조 강재의 인장 특성은 종종 이방적입니다. 냉간 가공으로 인한 변형 경화 미세조직과 수반되는 기계적 특성은 어닐링으로 크게 변경될 수 있습니다. 더 높은 온도로 가열하여 도입되는 미세조직 변화는 어닐링 시간과 온도 모두에 의존합니다. 이 온도 의존성은 원자 운동이 어닐링 효과를 위해 필요하기 때문입니다.

인장 강도(Tensile Strength)

변형 경화 능력은 철강 재료를 다른 공학 재료와 구별하는 기계적 거동의 정상적 특성 중 하나입니다. 모든 금속 재료가 이 특성을 보이는 것은 아닙니다. 예를 들어, 크로뮴(Cr)은 매우 취성이어서 변형 경화 증거 없이 인장 시험에서 파단합니다. 취성 재료의 응력-변형률 곡선은 세라믹 재료와 유사합니다. 유의미한 소성 변형이 일어나기 전에 파단이 발생합니다. 이러한 취성 재료는 실제 YS가 없으며, 파단 응력이 재료가 지지할 수 있는 최대 응력입니다. 그러나 철강 재료는 파단 전 소성 변형을 겪으며, 재료가 지지할 수 있는 최대 응력(원래 치수 기준)은 YS보다 상당히 높습니다. 이 최대 응력이 재료의 극한 또는 인장 강도(TS)입니다.

YS와 TS 사이의 여유는 구조물에서 철강 재료의 작동 안전 계수를 제공합니다. 이 안전 여유 외에 TS의 실제 값은 실용적 용도가 거의 없습니다. 복잡한 사용 하중을 견디는 구조물의 능력은 TS와 거의 관계가 없으며, 구조 설계는 항복에 기반해야 합니다. TS는 응력-변형률 곡선에서 최대 응력이므로 측정하기 쉽고 자주 보고됩니다. 공학 규격에서 때때로 재료가 특정 TS 요구사항을 충족하도록 지정합니다.

역사적으로 TS는 항복을 피하기 위한 경험적 감소를 동반하여 설계 계산에 사용되었습니다. 응력-변형률 곡선 측정 정확도가 향상됨에 따라 TS 활용도는 감소했고, 1940년대에는 여러 설계 규격이 항복 기반으로 전환되었습니다. TS를 경도, 피로 강도(FS), 응력 파열, 기계적 특성과 연관시키는 큰 경험적 데이터베이스가 있습니다. 이러한 상관관계, 역사적 규격 요구사항, 취성 재료를 포함하는 구조 설계가 TS 기반이어야 한다는 사실은 TS가 설계 기준으로 지속적으로 활용되는 기술적 근거를 제공합니다.

냉간 가공과 철강 재료의 다른 강화 메커니즘은 YS만큼 빠르게 TS를 증가시키지 않습니다. 따라서 강화 공정은 종종 소성 변형 능력의 감소를 동반합니다. 이 감소는 파단 전 재료의 에너지 흡수 능력을 감소시키며, 많은 경우 이들 재료의 성공적 활용에 중요합니다. 이들 재료의 인장 거동 분석은 재료의 에너지 흡수 능력에 대한 통찰을 제공할 수 있습니다.

인성(Toughness)

파단 없이 에너지를 흡수하는 능력은 재료의 인성 때문입니다. 대부분의 경우 철강 재료 파단은 기존 결함에서 개시됩니다. 이 결함들은 미세조직 요소가 될 만큼 작거나, 약간 더 크면 재료의 거시적 균열이거나, 극단적인 경우 구조물에서 육안으로 관찰 가능한 불연속일 수 있습니다. 인성이 강한 강재는 항복과 소성 변형 같은 과정을 통해 결함 전파를 저항합니다. 이 변형의 최대치는 결함 팁 근처에서 일어납니다. 파단이 인장 응력과 소성 변형(또는 변형률) 모두를 포함하므로, 응력-변형률 곡선으로 재료 인성을 추정할 수 있습니다. 그러나 재료 인성을 측정하기 위해 특별히 설계된 시험도 있습니다. 이들 시험 대부분은 프리크랙(pre-cracked) 시편으로 수행되며 충격 시험과 파괴 역학을 포함합니다. 인장 거동 기반 인성 계산은 추정치이며 설계에 사용되어서는 안 됩니다.

응력-변형률 곡선 아래 면적은 인장 시험 중 재료가 흡수한 에너지의 척도입니다. 이 면적은 재료 인성의 대략적 추정치입니다. 철강 재료의 인장 변형과 관련된 소성 변형률은 일반적으로 동반되는 탄성 변형률보다 몇 자릿수 더 크므로, 소성 또는 전위 운동이 인성 발달에 매우 중요합니다. 이는 취성, 반취성, 연성 재료의 응력-변형률 곡선으로 입증됩니다. 취성 파단은 거의 또는 전혀 소성 변형 없이 일어나므로 응력-변형률 곡선 아래 면적(A)은 A = 0.5Se 방정식으로 주어집니다. 항복 강도 205 MPa, 인장 강도 415 MPa, 파단 변형률 0.3인 일반 연강 시험편의 전형적 인장 특성으로부터 파단 에너지를 추정하면 시험편 게이지 구간당 1.12 J/mm³입니다.

연성 파단 에너지와 취성 파단 에너지의 비율은 900입니다. 이 비율은 파단 변형률과 변형 경화가 증가함에 따라 증가합니다. 면적과 에너지 관계는 근사치일 뿐입니다. 이러한 인성 추정치의 효용성은 시험 수행의 용이성과 파단 방지에서 소성의 중요성에 대한 통찰을 제공한다는 점입니다. 또한 단지 0.01%의 소성 변형만으로도 재료가 파단 없이 에너지를 흡수하는 능력에 놀라운 효과를 줄 수 있습니다.

인성은 많은 구조용 응용에서 매우 중요한 특성입니다. 크레인 암, 선체, 차축, 기어, 커플링 등은 모두 사용 중 에너지를 흡수해야 합니다. 지진 하중, 시스템 과압, 사소한 사고를 견디는 능력에도 재료 인성이 필요합니다. 철강 재료 강도를 높이면 보통 연성이 감소하고, 많은 경우 인성도 감소합니다. 따라서 재료 강도를 높이면 재료 인성이 만족스러운 사용에 중요할 때 사용 중 파단 가능성을 높일 수 있습니다.

이는 그림 2의 두 응력-변형률 곡선 아래 면적을 비교하여 볼 수 있습니다. 그림 2의 교차 해치 영역은 또 다른 인장 특성인 복원 탄성률(modulus of resilience)을 보여줍니다. 복원 탄성률은 인장 응력-변형률 곡선에서 측정할 수 있습니다. 철강 재료가 탄성 과정을 통해 에너지를 흡수하는 능력이 재료의 복원력(resilience)입니다. 복원 탄성률은 응력-변형률 곡선의 탄성 부분 아래 면적으로 정의됩니다. 항복 강도를 높이거나 영률을 낮추면 복원 탄성률이 증가하고 이들 재료가 영구 변형 없이 에너지를 흡수하는 능력이 향상됩니다.

그림 2 고인성강과 저인성강의 응력-변형률 곡선 비교

재료 연성(Material Ductility)

인장 시험 중 재료 연성은 일반적으로 파단 시 신율(elongation to fracture) 또는 단면 수축률(reduction in area, RA)을 측정하여 확립합니다. 일반적으로 연성 측정은 세 가지 측면에서 관심 대상입니다: (i) 압연, 성형, 압출 같은 금속 가공 작업에서 강재가 파단 없이 변형될 수 있는 정도 표시, (ii) 설계자에게 강재가 파단 전 소성 변형할 수 있는 능력을 일반적인 방식으로 표시, (iii) 불순물 수준이나 가공 조건 변화의 지표 역할. 연성 측정은 연성 측정과 성능 사이에 직접적 관계가 없더라도 재료 품질 평가 위해 지정되어야 합니다.

인장 연성은 재료 품질 평가 시 매우 유용한 척도입니다. 많은 규격과 표준이 인장 연성의 최소값을 지정합니다. 이러한 지정 이유 중 하나는 더 비용이 많이 드는 인성 규격을 요구하지 않고 적절한 인성을 보장하기 위함입니다. 재료 조성 및/또는 가공 조건의 대부분 변화는 인장 연성 변화를 초래합니다. 또한 철강 재료의 금속 가공 특성은 재료 연성보다는 변형 경화 능력과 더 잘 연관됩니다. 공학적 용도로 사용되는 많은 철강 재료의 변형 경화 능력은 진응력-진변형률 거동 분석을 통해 정량화되었습니다.

진응력-진변형률 관계

공학 응력-변형률 거동을 진응력-진변형률 관계로 변환하면 공학 응력-변형률 곡선의 최댓값이 재료 강도 감소 때문이 아니라 인장 불안정성(tensile instability) 때문임을 알 수 있습니다. 공학 응력-변형률 곡선의 하락은 응력 계산이 원래 단면적을 기준으로 하기 때문에 발생하는 인위적 현상입니다. 시험과 분석 모두 대부분의 철강 재료에서 인장 불안정성이 시험편의 네킹(necking) 개시와 대응함을 보여줍니다. 네킹은 변형 국소화에서 기인합니다. 따라서 네킹이 개시되면 진변형률을 시편 신율로부터 계산할 수 없습니다. 이러한 공학 응력-변형률 데이터의 분석적 한계와 기타 한계 때문에, 인장 데이터가 제작 공정과 관련된 변형 중 야금적 반응을 이해하고 예측하는 데 사용된다면 진응력-진변형률 관계가 선호됩니다.

파단 없이 수용할 수 있는 변형은 딥 드로잉(deep drawing) 작업에서 재료에 따라 다릅니다. 예를 들어, 오스테나이트계 스테인리스강은 유사 인발 작업에서 50% RA까지 성공적으로 인발될 수 있는 반면, 페라이트강은 20~30% RA 후 파단될 수 있습니다. 두 강종 모두 인장 시험 중 50% 초과 RA를 겪습니다. 이 인발성(drawability) 차이는 변형 경화 지수(n)와 연관되며, 따라서 두 강재의 진응력-진변형률 곡선 기울기에서 명백합니다.

페라이트강과 오스테나이트강의 n 값은 일반적으로 각각 0.25와 0.5입니다. 완전히 소성인 재료는 n 값이 0이고, 완전히 탄성인 고체는 n 값이 1입니다. 대부분의 철강 재료는 0.1~0.5 사이의 n 값을 가집니다. 변형 경화 지수는 전위들이 경로 상의 다른 전위들과 장애물 주위를 움직이거나 넘어가는 능력과 연관됩니다. 이러한 움직임을 '교차 미끄럼(cross slip)'이라고 합니다. 교차 미끄럼이 쉬우면 전위들이 서로 뒤에 쌓이지 않고 n 값은 낮습니다. 연강은 교차 미끄럼이 쉽게 일어나는 예입니다. 교차 미끄럼이 더 어려워질수록 n 값은 증가합니다. 오스테나이트계 스테인리스강에서는 교차 미끄럼이 매우 어려워 이 강재의 n 값은 약 0.5입니다.

인장 시편, 시트, 플레이트, 와이어, 봉재, 기타 금속 단면은 단면 크기, YS, 기타 미세조직 및 구조적 불균질성의 점별 변이를 가집니다. 이들 재료의 소성 변형은 국소적 약한 영역에서 개시됩니다. 변형 경화가 없으면 이 초기 소성 변형이 순단면 크기를 감소시키고 지속적 변형을 약한 영역에 집중시킵니다. 그러나 변형 경화는 변형 영역의 유동 응력을 증가시킵니다. 이 유동 응력 증가는 해당 영역에서 지속적 소성 변형에 필요한 하중을 증가시키고 변형을 단면 전체로 퍼지게 만듭니다. n 값이 높을수록 유동 응력 증가가 크고 소성 변형이 균일해지는 경향이 커집니다. 이 경향은 철강 재료의 가공성에 큰 영향을 미칩니다.

예를 들어, 인발 작업에서 수용 가능한 최대 RA는 재료의 진응력-진변형률 거동에서 결정된 n 값과 같습니다. 이러한 상관관계 덕분에 변형률 속도와 온도 같은 공정 변수의 효과를 인장 시험을 통해 평가할 수 있습니다. 이는 공정 변수의 직접적인 공정 내 평가 없이 변수 효과를 추정할 근거를 제공합니다.

온도와 변형률 속도 효과

대부분의 철강 재료 YS는 변형률 속도가 증가하면 증가하고 온도가 증가하면 감소합니다. 이 의존성은 여러 야금적 요인 조합에서 기인합니다. 예를 들어, 전위들은 실제 변위이므로 음속보다 빠르게 움직일 수 없습니다. 또한 전위 속도가 음속에 접근하면 교차 미끄럼이 점점 어려워지고 n 값이 증가합니다. 이 n 값 증가는 주어진 변형률에서 유동 응력을 증가시켜 재료 YS를 높입니다. 연성 감소와 심지어 연성-취성 파단 전이도 변형률 속도 유도 YS 증가와 연관될 수 있습니다.

여러 면에서 온도 감소는 변형률 속도 증가와 유사합니다. 전위 이동도는 온도 감소와 함께 감소하므로, 대부분의 철강 재료에서 온도가 낮아지면 강도는 증가하고 연성은 감소합니다. 전위 이동도 감소가 충분하면 연성이 취성 파단 점까지 감소할 수 있습니다. 온도 낮아질 때 연성-취성 파단 전이를 보이는 철강 재료는 이 전이 온도 미만에서 구조용 응용에 사용되어서는 안 됩니다.

전위 운동은 전위 간 상호작용과 합금 또는 불순물(이종) 원자와의 상호작용에 의해 억제됩니다. 이 상호작용 효과는 시간과 온도 의존적입니다. 이 상호작용은 YS를 증가시키고 연성을 제한합니다. 이 과정은 이종 원자가 전위로 편석할 충분한 시간이 있고 전위 속도가 이종 원자 확산 속도와 거의 같을 때 가장 효과적입니다. 따라서 주어진 온도에서 전위-이종 원자 상호작용은 어떤 중간 변형률 속도에서 최대입니다. 낮은 변형률 속도에서는 이종 원자가 전위 이동만큼 빠르게 확산할 수 있고 변형 과정이 전위를 그 용질 분위기로부터 강제로 분리시키는 경향이 거의 없습니다. 높은 변형률 속도에서는 분리가 일단 달성되면 시험 기간 동안 분위기가 재형성될 충분한 시간이 없습니다. 원자 운동은 온도 증가와 함께 증가하므로, 전위-이종 원자 상호작용을 허용하는 변형률 속도는 온도 의존적입니다. 이 상호작용이 연성을 제한하므로, 인장 시험 신율은 이러한 상호작용이 매우 효과적인 중간 시험 온도에서 최솟값을 보일 수 있습니다.

시간 의존적 전위-이종 원자 상호작용이 철강 재료 응력-변형률 곡선에 미치는 효과를 '변형 시효(strain aging)'와 '동적 변형 시효(dynamic strain aging)'라고 합니다. 변형 시효는 보통 날카로운 YP를 보이는 재료의 인장 시험이 중단될 때 명백해집니다. 시험편이 YP를 지나 뤼더스 변형 구간과 응력-변형률 곡선의 변형 경화 부분으로 변형된 후 언로드되면, 인장 시험을 재개할 때 두 가지 행동 중 하나가 관찰됩니다.

시험편이 짧은 시간 내에 재하중 되면, 재하중 곡선의 탄성 부분은 원래 탄성 하중 곡선과 평행하며 소성 변형은 시험 중단 직전 도달한 응력 수준에서 재개됩니다. 그러나 언로드와 재로드 사이 시간이 이종 원자가 전위로 편석하기에 충분하면 YP가 재출현하고 언로드 응력 수준에 도달했을 때 소성 변형이 재개되지 않습니다. 이 YP 재출현이 변형 시효이며, 변형 시효 피크 강도는 용질 원자 확산과 전위 편석이 피크 발달에 필요하므로 시간과 온도 모두에 의존합니다. 인장 변형률 속도가 시험 중 용질 편석이 일어날 수 있는 범위에 있으면 동적 변형 시효가 관찰됩니다. 편석은 이전에 이동 가능하던 전위를 고정시키고 유동 응력을 증가시키며, 새로운 더 높은 유동 응력에 도달하면 전위가 용질 분위기로부터 분리되고 유동 응력이 감소합니다. 이 유동 응력의 번갈아 가며 증가하고 감소하는 것이 응력-변형률 곡선을 톱니 모양(serrated)으로 만듭니다.

톱니 모양 흐름은 이동 가능한 합금 또는 불순물 원소를 포함하므로 연강에서 일반적입니다. 이 효과는 처음에 Portevin과 LeChatelier가 자세히 연구했으며 흔히 포르테뱅-르샤텔리에 효과(Portevin-LeChatelier effect)라고 불립니다. 가공 조건은 변형 시효 효과를 피하도록 선택되어야 합니다. 이 선택은 본질적으로 가공 변형률 속도와 온도 제어를 포함합니다.

특수 시험 방법

인장 시험은 철강 재료의 기계적 하중 응답에 관한 기본 정보를 제공합니다. 시험 온도와 변형률 속도(또는 하중 속도)는 보통 시편의 야금적 반응에 대한 이들 변수 효과 때문에 제어됩니다. 인장 시험은 보통 강도와 연성을 측정합니다. 이 매개변수들은 시편 구성, 시험 환경, 시험 수행 방식에 자주 민감합니다. 특수 인장 시험 방법들이 개발되어 시험/시편 조건이 철강 재료 강도와 연성에 미치는 영향을 측정합니다. 이러한 시험 방법에는 노치 인장 시험과 저속 변형률 인장 시험이 포함됩니다.

노치 인장 시험(Notch Tensile Testing)

공학적 응용에 사용되는 철강 재료는 부품 구성 때문에 다축 하중과 높은 응력 집중을 견뎌야 하는 경우가 많습니다. 표준 인장 시험은 단축 하중을 받는 매끄러운 봉재 시편에서 재료 성능을 측정합니다. 이 응용과 시험 시편의 차이는 예상 응용 조건에서 재료 응답을 예측하는 표준 인장 시험 능력을 감소시킬 수 있습니다. 또한 다축 하중과 응력 집중이 유도하는 연성 감소는 시험 결과에서 보이지 않을 수 있습니다. 노치 인장 시험은 따라서 표준 인장 시험의 이러한 약점을 최소화하고 결함, 노치, 응력 집중 존재 하에서 재료 거동을 조사하기 위해 개발되었습니다.

노치 인장 시편은 보통 60° 노치를 포함하며 루트 반경은 0.025mm 미만입니다. 노치 팁 바로 아래 응력 상태는 3축 인장에 접근하며, 연성 강재의 경우 이 응력 상태는 보통 YS를 증가시키고 연성을 감소시킵니다. 이 YS 증가는 응력 상태가 전위 역학에 미치는 영향에서 기인합니다. 전위 운동에는 전단 응력이 필요합니다. 순수 3축 하중은 전단 응력을 생성하지 않습니다. 따라서 노치 팁에서 전위 운동이 제한되고 YS 값이 증가합니다. 이 전위 운동 제약은 노치 시편 연성도 감소시킵니다. 저연성 강재의 경우 노치 유도 연성 감소가 너무 심해 0.2% 오프셋 YS에 도달하기 전에 파단이 일어날 수 있습니다.

철강 재료의 노치 효과 감수성을 '노치 감도(notch sensitivity)'라고 합니다. 이 감도는 노치 강도와 매끄러운 봉재 TS 비율로 정량화됩니다. 노치 감도가 있는 재료는 비율이 1 미만입니다. 이들 재료의 매끄러운 봉재 인장 데이터는 사용 조건에서 재료 거동을 만족스럽게 예측하지 못합니다. 인성이 강한 연성 재료는 종종 노치 강화되어 노치 감도 비율이 1보다 크므로, 표준 인장 시험이 이 재료의 성능에 대한 보수적 예측자가 됩니다.

저속 변형률 시험(Slow Strain Rate Testing)

시험 환경도 철강 재료의 인장 거동에 악영향을 미칠 수 있습니다. 재료 응답에 대한 환경 효과 특성은 관심 환경에서 인장 시험을 수행함으로써 달성할 수 있습니다. 환경 공격 심각도가 보통 시간 증가와 함께 증가하므로, 환경 효과를 결정하기 위해 설계된 인장 시험은 종종 매우 낮은 변형률 속도에서 수행됩니다. 낮은 변형률 속도는 시험 시간을 증가시키고 시험 환경 노출을 최대화합니다. 이 유형의 시험을 '저속 변형률 시험(SSRT)' 또는 '일정 신장률 시험(CERT)'이라고 합니다. 공격적 환경 노출은 시험편 강도 및/또는 연성을 감소시킬 수 있습니다. 이 감소는 표면 균열 개시 및/또는 파단 모드 변화와 동반될 수 있습니다. 인장 거동에 유해한 효과를 보이는 SSRT 또는 CERT 연구는 시험 재료가 환경 열화에 감수성이 있음을 확립합니다.

이 감수성은 그 환경에서 재료 활용에 우려를 낳을 수 있습니다. 반대로, 시험이 재료 인장 거동이 환경에 영향을 받지 않아 그 환경에서 응용에 적합함을 보일 수도 있습니다. SSRT 또는 CERT는 잠재적 사용 노출에 대한 재료 스크리닝 및/또는 공정 시스템에 사용되는 재료에 예상 운영 변화의 효과 조사에 사용될 수 있습니다. 어느 경우든 의도는 강도와 연성을 저하시키고 조기 파단을 일으킬 수 있는 조건에서 재료 활용을 피하는 것입니다. 인장 데이터 외에도 CERT와 SSRT 시험편의 파단 형태학 검사를 통해 악영향 환경 효과 증거를 찾을 수 있습니다.

파단 특성(Fracture Characteristics)

연성 철강 재료의 인장 파단은 일반적으로 인장 봉의 네킹된 부분 내부에서 개시됩니다. 개재물, 분산 제2상, 석출물 같은 입자들이 핵생성 사이트 역할을 할 수 있습니다. 파단 과정은 입자-모계 계면에서 작은 구멍, 즉 미세 보이드(micro-void) 발달로 시작됩니다. 지속적 변형은 미세 보이드를 확대하여, 시험 과정 중 어느 시점에서 미세 보이드가 다른 미세 보이드와 접촉하고 합쳐집니다. 이 과정을 '미세 보이드 합쳐짐(micro-void coalescence)'이라고 하며 연성 파단 과정의 특징적인 딤플(dimpled) 파단 표면 지형을 생성합니다.

취성 파단 표면 지형은 미세 보이드 합쳐짐과 크게 다릅니다. 취성 파단은 일반적으로 재료 외부 표면의 불완전에서 개시되어 전립(trans-granular) 쪼개기 같은 과정이나 결정립계를 따른 분리로 전파됩니다. 결과적 표면 지형은 강을 가로지르는 강 같은 패턴을 가진 면상(faceted)이거나, 결정립간(inter-granular)이어서 '락 캔디(rock candy)' 같은 외관을 생성합니다. 시험 재료가 본질적으로 취성일 수도 있고, 열처리, 시험 온도 낮춤, 공격적 환경 존재, 시험편에 날카로운 노치 존재 등으로 취성이 도입될 수도 있습니다.

인장 시험의 온도, 변형률 속도, 시험 환경, 시편 표면 마감 등 조건은 일반적으로 잘 확립되어 있습니다. 이러한 시험 매개변수가 시험편 파단 특성에 미치는 영향을 이해하면 제작 중 또는 응용 중 철강 재료 열화 감수성 결정에 매우 유용할 수 있습니다. 일반적으로 파단 과정을 미세 보이드 합쳐짐에서 더 취성 파단 모드로 변화시키는 열처리나 시험 조건은 재료 연성과 인성을 감소시키고 선택된 사용 조건에서 조기 파단을 촉진할 수 있습니다. 파단 과정이 시편의 야금적 상태와 인장 시험 조건 모두에 매우 민감하므로, 파단 표면 특성화는 많은 인장 시험 프로그램의 중요한 구성 요소입니다.