대부분의 금속 재료는 변형률(strain) 약 0.005까지 탄성변형(elastic deformation)만 일어납니다. 이 지점을 넘어서면, 응력(stress)은 더 이상 변형률에 비례하지 않으며, 즉 훅의 법칙(Hooke's Law)이 적용되지 않게 됩니다. 이때부터는 회복되지 않는 영구 변형, 즉 소성변형(plastic deformation)이 발생하게 됩니다. 다음 그림은 금속의 소성 영역에서 나타나는 전형적인 인장 응력-변형률 거동을 나타낸 것입니다. 대부분의 금속에서 탄성에서 소성으로의 전이(transition)는 점진적으로 일어나며, 소성변형이 시작되면 응력-변형률 선도는 직선에서 벗어나 곡선으로 변하고, 응력 증가에 따라 곡선은 급격히 상승합니다.
소성 변형의 미시적 설명
소성변형은 미시적으로 원자와 분자가 상대적으로 움직이면서 원래 결합을 끊고 새로운 원자와 결합하는 과정입니다. 이 과정에서는 응력을 제거하더라도 원자는 원래의 위치로 돌아가지 않습니다. 결정 재료(crystalline material)와 비정질 재료(amorphous material)의 소성 기구는 다릅니다. 결정 고체 재료에서는 전위(dislocation)의 움직임에 따른 슬립(slip) 현상으로 소성변형이 발생하지만, 비정질 고체나 액체에서는 점성 흐름(viscous flow) 기구에 의해 소성변형이 일어납니다.
인장성질
대부분의 구조물은 응력이 가해질 때 단지 탄성변형만 일어나도록 설계되어야 합니다. 따라서, 소성변형이 시작되는 응력, 즉 항복(yielding) 현상이 일어나는 응력을 알아야 합니다. 탄성에서 소성으로 전이가 점진적으로 일어나는 금속의 경우, 응력-변형률 곡선이 직선에서 벗어나는 지점을 항복점(yield point)으로 정의합니다. 위의 그림에서 점 P는 이러한 항복점을 나타내며, 이를 비례 한계(proportional limit)라고도 부릅니다.
하지만 비례 한계를 정확히 결정하기 어렵기 때문에, 위의 그림에서처럼 응력-변형률 곡선의 탄성 영역에 평행하게 선을 그어, 변형률 축에서 0.002만큼 수평 이동한 후 응력-변형률 곡선과 만나는 지점을 항복 강도(yield strength) σy 로 정의합니다. 항복 강도의 단위는 MPa(메가파스칼)입니다.
다음 그림과 같은 인장 응력-변형률 거동을 나타내는 강철 및 몇몇 금속은 탄성에서 소성으로의 가 매우 명확하고 급작스럽게 나타나며, 이를 항복점 현상(yield point phenomenon)이라고 부릅니다. 상항복점(upper yield point)에서는 실질적으로 응력이 감소하면서 소성변형이 일어나며, 변형은 하항복점(lower yield point)에서 일정한 응력 하에 약간의 응력 변동을 동반하며 지속적으로 발생하다가, 어느 시점 이후 변형률의 증가에 따라 응력이 다시 증가하게 됩니다.
이러한 재료에서는 하항복점이 매우 뚜렷하게 나타나며, 실험 과정에서도 큰 영향을 받지 않습니다. 따라서 항복점 현상이 나타나는 재료에서는 하항복점의 평균값을 항복 응력으로 간주할 수 있습니다. 이때 변형률 수평 이동 방법을 적용할 필요는 없습니다.
인장 강도
소성변형이 시작된 이후에는 더 많은 소성변형을 일으키기 위해 응력이 계속 증가해야 하며, 응력은 다음 그림의 점 M으로 표시된 최대 응력 지점까지 증가합니다. 이 지점에서 응력은 다시 감소하기 시작하며, 최종적으로 파괴점 F에 이르게 됩니다. 인장 강도(tensile strength, TS)는 다음 그림에서의 최대 응력 지점입니다. 이 지점은 구조물이 견딜 수 있는 최대 응력을 나타내며, 이 지점 이상의 응력이 가해지면 파괴가 발생하게 됩니다. 최대 인장점까지는 인장 시편의 게이지 길이 측면에서 변형이 균일하게 일어납니다. 그러나 이 지점에 도달하면 다음 그림의 원 안에 나타난 것처럼 시편의 일부가 수축되는 현상이 시작되며, 그 이후의 변형은 수축된 부분에 집중됩니다. 이 현상을 네킹(necking)이라고 하며, 결국 파괴는 네킹 부분에서 발생하게 됩니다. 파괴 강도(fracture strength)는 파괴가 일어나는 응력을 의미합니다.
알루미늄의 인장 강도는 약 50 MPa, 고강도 강철의 인장 강도는 약 3000 MPa에 이르며, 대부분의 금속은 이 범위 내에서 인장 강도를 가집니다. 구조물의 인장 강도에 해당하는 응력이 가해졌을 때, 이미 많은 소성변형이 일어나 구조물의 기능이 상실된 상태가 됩니다. 따라서 설계 시 고려되는 재료의 강도는 일반적으로 항복 강도를 기준으로 삼습니다. 반면 파괴 강도는 일반적인 공학적 설계에서는 거의 의미를 가지지 않습니다.
소성변형은 재료의 연성과 강도를 설명하는 중요한 성질입니다. 연성(ductility)은 재료가 소성변형을 통해 변형을 흡수할 수 있는 능력을 의미하며, 강도(strength)는 재료가 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 최대 응력입니다. 이 두 가지 특성은 재료 선택과 구조물 설계에서 매우 중요하게 고려됩니다. 예를 들어, 교량이나 빌딩과 같은 대형 구조물은 강도뿐만 아니라 연성도 고려해야 합니다. 연성이 높은 재료는 파괴 전에 큰 변형을 일으키기 때문에 파괴가 임박했음을 미리 감지할 수 있는 장점이 있습니다.
금속 재료의 탄성 변형과 소성 변형, 인장 성질은 모두 재료의 거동을 이해하고, 이를 설계와 생산에 적용하는 데 필수적인 개념입니다. 특히 소성 변형이 시작되는 항복점과 인장 강도는 구조물의 안전성을 결정하는 중요한 지표입니다. 금속의 변형 특성을 이해하고 적절한 강도 설계 기준을 적용하는 것은 안전하고 효율적인 구조물 설계에 필수적입니다.
