강도와 강성(탄성계수), 취성과 연성

재료의 역학적인 성질은 응력-변형도 곡선으로 파악할 수 있다고 했습니다. 역학적 성질을 나타내는 강도와 강성, 취성과 연성이 응력-변형도 곡선에서 어떻게 나타나는지 살펴보겠습니다.

 

▶ 응력-변형도 곡선이란?

 

강도와 강성(탄성계수)

강도(Strength)와 강성(Stiffness)은 구별해야만 합니다. 강도는 재료가 파괴될 때까지 받을 수 있는 응력
의 최대 크기이지만, 강성은 뻣세다는 말처럼 힘을 받아도 잘 변형이 되지 않는 정도를 나타냅니다. 

 

 

보통 강성이 큰 재료는 강도도 큰 편이지만 강도가 크다고 해서 강성이 꼭 큰 것은 아닙니다. 어떤 용도에서는 강성이 큰 재료를 써야한다고 할 때는 변형이 잘 되지 않는 재료를 써야 한다는 의미입니다. 

 

강성이 크다는 것은 변형에 저항하는 능력이 크다는 뜻이고 잘 늘어나거나 휘지 않는다는 말입니다. 건축구조체는 많이 변형되면 사용하기 어렵습니다. 바닥이 많이 휘면 불편하기도 하지만 아래층 간막이 벽체에 균열을 일으킬 수도 있고  창호가 변형되어 잘 열리지 않을 수도 있습니다.

 

응력 - 변형도 곡선에서 변형에 저항하는 능력은 직선의 기울기로 파악합니다. 이 기울기를 탄성계수(Modulus of elasticity)라고 하는데 영국의 과학자 토마스 영(Thomas Young, 1773 ~ 1829)의 이름을 따서 영계수(Young's modulus)라고도 합니다. 이 탄성계수는 재료의 강성(Stiffness)을 수치로 표현한 값입니다.

 

이 탄성계수는 보의 처짐과 기둥의 좌굴같은 구조부재의 변형량을 계산할 때 사용합니다.

 

▶ 보의 처짐량과 사용성

▶ 기둥의 좌줄

 

취성과 연성

취성(Brittleness)과 연성(Ductility)은 재료의 변형 능력과 관련된 용어입니다. 아래의 응력-변형도 곡선을 보면 실선이 점선보다 기울기가 더 크고 가파른 것을 알 수 있습니다. 즉 실선의 강성이 더 크다는 것을 의미합니다.

 

 

여기서 실선과 점선의 끝점을 비교해 봅시다. 응력 - 변형도 곡선의 끝점은 재료가 파괴되는 지점을 나타냅니다. 실선은 파괴되는 지점의 응력도가 점선보다 크지만(강도가 높지만), 변형도는 작습니다. 즉 많이 휘거나 늘어나지 않고 갑자기 파괴된다는 것을 의미합니다. 이처럼 변형이 크지 않은 상태에서 갑자기 파괴되는 성질을 취성(Brittleness)이라고 합니다. 유리나 주철이 대표적입니다.

 

연성(Ductility)은 탄성한계 이상으로 힘을 받아도 파괴되지 않고 변형되는 성질을 말합니다. 연성이 큰 강재는 파괴될 때까지 쭉 늘어납니다. 

 

취성이 크면 갑자기 무너질 수 있고 구조물의 안전성에 문제가 있습니다. 구조물이 무너질 때까지 점점 휘어지거나 비틀어지면 사람들은 뭔가 문제가 있다는 것을 알아챌 수 있고, 대피하거나 대책을 세울 수 있습니다. 사람의 지각 능력은 한계가 있어서 변화량이 작으면 달라진 것을 감지하기 어렵습니다. 따라서 건축구조물은 연성이 있어야 하고 무너지기 전에 사람이 인식할 수 있을 정도로 충분히 틀어져야 합니다. 강재는 연성이 우수해서 콘크리트와 함께 쓰면 취성을 보완할 수 있습니다.

 

▶ 응력-변형도 곡선이란?

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