응력-변형도 곡선, 탄성과 소성

재료의 성질 중 힘을 받을 때 나타나는 재료의 성질을 역학적 성질이라고 합니다. 어떤 재료의 역학적 성질을 나타낸 것이 응력-변형도 곡선입니다. 

 

응력과 변형의 관계

어떤 재료든 힘이 가해지면 모양이 달라집니다. 즉 변형(Deformation) 됩니다. 당기면 늘어나고, 찌그리면 줄어들며, 구부리면 휘어지고, 엇갈리게 누르면 끊어집니다.

 

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그래서 어떤 재료의 역학적 성질을 파악하려면 그 재료에 힘이 가해졌을 때 어느 정도 변형되는지를 살펴보는 것이 중요합니다. 

 

응력도와 변형도

덩치가 큰 사람이 힘이 세듯이 재료의 두께가 두꺼우면 재료가 받을 수 있는 힘도 커지겠죠. 그래서 재료를 서로 비교하려면 같은 크기로 만들어서 측정해야 합니다. 이처럼 각 재료에 가해진 힘을 그 재료의 단면적으로 나누면 재료의 특성을 객관적으로 비교할 수 있습니다.

 

이렇게 어떤 재료에 힘이 가해졌을 때 그 재료의 단면적으로 나눈 값,  재료에 힘이 가해졌을 때 단위면적(1mm²)당 내부에서 발생하는 응력의 정도를 응력도(Stress)라고 합니다. 응력도는 힘을 면적으로 나눈 것이기 때문에 단위는 N/ mm² 입니다.

 

 

한편 어떤 재료에 힘을 가했을 때 재료가 변형되는 정도는 길이에 영향을 받습니다. 짧은 고무줄보다는 긴 고무줄이 더 많이 늘어나겠죠. 그래서 단위길이당 얼마나 늘어나는지 비교하려면 늘어난 길이를 원래의 길이로 나누어야 합니다. 이렇게 단위길이당 늘어나는 정도를 변형도(Strain)라고 합니다. 변형도는 길이를 길이로 나눈 것이기 때문에 단위가 없습니다.

 

응력-변형도 곡선

2차원 그래프를 그리고 x 축에 변형도를, y 축에 응력도를 나타낸 것을 응력 - 변형도 곡선이라고 합니다. 

 

이렇게 응력도와 변형도의 관계를 2차원 곡선으로 나타내면 어떤 재료의 역학적 성질을 쉽게 파악할 수 있습니다. 어떤 재료에 힘을 점점 크게 가하면(Y축의 값이 커지면), 변형도도 일정하게 변화가 일어날 것입니다. 변형도가 선형으로 증가할지 비선형으로 더 크게 증가할지는 재료마다 달라집니다. 각각의 재료마다 고유한 특성이 있기 때문에 특유한 곡선의 형태로 나타날 것입니다.

 

뿐만 아니라 어떤 재료의 응력-변형도 곡선을 보면 강도 및 강성, 취성, 연성, 탄성, 소성 등 대부분의 역학적 성질을 알 수 있습니다.

 

 

탄성과 소성

응력 - 변형도 곡선을 보면 이 재료는 응력이 높아질수록 변형이 선형으로 증가(직선)하다가 어느 한도를 넘어서면서 곡선(점선)으로 변한 것을 알 수 있습니다.

 

 

응력 - 변형도 곡선이 직선으로 나타나면 이 재료에 탄성이 있다는 것을 의미합니다. 탄성은 힘을 가했다가 제거했을 때 원래의 모양과 크기로 되돌아오는 성질을 말합니다. 용수철이 대표적이죠. 재료에 힘을 가하면 직선을 따라 변형이 증가하지만, 힘을 제거하면 직선을 따라 다시 원점으로 되돌아옵니다.

 

소성은 곡선으로 나타납니다. 곡선은 응력이 증가하는 정도와 변형도가 증가하는 정도가 일치하지 않는다는 것을 의미합니다. 즉 곡선 구간에서 응력이 커지면 직선 구간보다 변형이 훨씬 크게 증가합니다. 힘을 가하면 곡선을 따라 변형이 증가하지만, 힘을 제거했을 때 곡선을 따라 되돌아오지는 않습니다. 따라서 변형이 남게 됩니다. 점토가 대표적이죠. 콘크리트도 탄성 재료가 아닙니다.

 

대부분 재료는 일정한 영역까지 탄성을 보이다가 어느 한계를 넘어서면 소성을 보입니다. 이 경계점을 항복점(Yield point)이라고 합니다.

 

▶ 강도와 강성, 취성과 연성

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