금속을 중심으로 기계적인 특성, 이를 표현하는 특성 인자들로 이야기를 시작합니다. 기계적인 특성을 이야기할 때 가장 먼저 만나게 되는 응력(stress)과 변형률(strain), 먼저 응력이라함은 인가된 힘, 그리고 변형률은 그로 인한 형상의 변화를 의미합니다. 응력은 '단위 면적에 작용하는 힘'으로 정의되며, 힘이 인가되는 방향에 따라 수직 응력과 전단(shear) 응력, 그리고 휨 응력 등으로 구분됩니다. 수직 응력은 단면에 수직 방향으로 작용하는 응력으로 인장(tensile) 응력과 압축 (compressive) 응력이 있으며, 전단 응력은 단면에 평행하게 인가되는 응력입니다. 이에 더하여 비틀림(torsion), 휨(bending) 응력, 그리고 좌굴(buckling), 즉 축방향으로 힘을 받아 횡방향으로 변형이 일어나는 현상과 관련된 응력 등이 있습니다. 응력은 분모는 면적의 단위, 분자는 힘의 단위를 쓰죠. 파스칼(Pascal, Pa)은 응력에 대한 국제단위계(Système international d’unités, 약칭 SI 혹은 MKS 단위계, Meter-Kilogram-Second)로, 1 파스칼은 1 제곱미터 당 1 뉴턴 힘이 작용할 때의 응력에 해당합니다. 단위의 이름은 프랑스의 수학자 블레즈 파스칼에서 유래하였죠. 비-SI계 단위로는 psi(pound per square inch)를 사용합니다.
변형률은 인가된 응력에 대해 물체의 변형, 즉 기하학적인 치수가 변화되는 정도입니다. 인장 응력에 대한 변형은 인장 변형, 압축 응력은 압축 변형과 같이 인가된 응력에 따라 구분을 하죠. 초기의 치수에 대해 변화량을 표현하므로 단위는 없거나 혹은 백분율(퍼센트, %)을 사용합니다.
응력과 변형률의 비가 탄성계수(elastic modulus)입니다. 탄성계수에는 종탄성계수, 횡탄성계수, 그리고 체적탄성계수 등이 있죠. 종탄성계수는 일반적인 인장 시험(tensile test)에서 얻어지는 인장 응력과 변형률 특성 곡선에서 탄성 영역에 해당하는 직선 부분의 기울기를 뜻하며, 영률(Young's modulus)라고도 합니다. 영국의 과학자 토마스 영의 이름에서 비롯되었죠. 횡탄성계수의 경우, 전단 응력에 대한 전단 변형률의 비율을 뜻하며, 체적탄성계수는 여러 방향으로 인가되는 응력, 압력에 대한 체적 변형률의 비로 얻어집니다. 탄성 계수가 크면 큰 응력에도 작은 변형률을 가지는 강한 물질, 작으면 작은 응력에도 큰 변형률을 가지는 약한 물질로 볼 수 있습니다. 응력 및 변형률과 연관된 인자로 푸아송 비(Poisson's ratio)가 있으며, 이는 물질에 인장력의 작용하여 세로 방향으로 늘어날 때 세로 방향의 변형률과 가로 방향의 변형률 간의 비율을 나타냅니다.
변형에 있어서 탄성 변형과 소성 변형에 관한 이야기를 하겠습니다. 먼저, 인장 시험, 즉 측정하고자 하는 샘플을 시험기에 걸고 길이 방향으로 응력을 인가하면서 변형 정도를 측정하는 과정을 통하여 응력과 변형률 간의 관계를 나타내는 커브를 얻을 수 있습니다. 보통 가로축은 변형률, 세로축은 인가하는 응력으로 나타내는데, 응력을 증가하면 어느 시점까지는 선형적인 비례 관계를 유지합니다. 이 구간에서는 응력을 인가하지 않으면 샘플은 원상태로 복귀하면서 다시 변형률이 0이 되죠. 이 범위를 탄성 변형(elastic deformation)으로 정의합니다. 탄성계수는 이 구간에서 직선의 기울기를 의미하죠. 응력을 이 이상으로 증가시키면 직선이 아닌 곡선 형태를 띄며 어느 정도 증가하다가 응력값이 최대에 이르고 이후로는 응력이 감소하면서, 즉 더 큰 변형률을 얻음에도 인가 응력은 줄어드는 증상이 나타나다가 샘플이 끊어지게 되죠. 이러한 비 직선 영역은 소성 변형(plastic deformation)으로 응력이 0이 되어도 변형은 그대로 유지되면 회복이 불가능합니다. 궁극적으로는 파괴(fracture)가 되죠. 이와 같이 금속의 경우, 응력 증가에 따라 탄성 변형, 소성 변형, 그리고 파괴 과정을 거칩니다. 탄성 한도에서 응력과 변형률은 비례하며, 이를 후크의 법칙이라고 하며, 영국의 물리학자 로버트 후크에서 유래되었습니다. 금속은 탄성 변형, 소성 변형, 그리고 파괴 과정을 거치는 연성(ductile)을 갖지만 유리, 세라믹 등은 탄성 변형 후 바로 파괴로 이어지는 취성(brittle)을 갖는 물질이죠.
여기에서 탄성 변형과 소성 변형의 이유는 원자 결합으로부터 설명을 할 수 있습니다. 즉, 탄성 변형은 응력에 의해 원자간 결합이 끊어지지 않고 결합 거리가 늘어나거나 혹은 줄어드는 경우입니다. 반면에 소성 변형은 원자간 결합이 끊어지면서 다른 원자로 결합 상대를 바꾸는 경우, 즉 채인징 파트너에 해당합니다. 즉, 원자간 결합이 끊어지면서 채인징 파트너를 이루면 소성 변형, 끊어진 상태로 끝나버리면 파괴가 되죠. 금속 결합에서는 처음부터 정해진 파트너 원자가 없었습니다. 자유 전자들은 모든 원자들 사이를 돌아다니고, 이로 인해 원자들은 결합을 유지하죠. 즉, 이온 결합이나 공유 결합처럼 원자간 계약, 그리고 계약으로 맺어진 파트너가 없으니, 채인징 파트너가 용이합니다. 특히, 단결정 내에 공공(vacancy)이나 빈 자리(void)라도 있으면 전위(dislocation)의 이동이 더 편해지면서 소성 변형도 더 쉽게 일어나죠. 반면에 원자들간에 이온 결합이나 공유 결합으로 이루어진 세라믹의 경우, 원자들간에 주고 받거나 혹은 함께 나누는 계약이 이루어져 있으며, 따라서 계약 당사자인 파트너 원자도 정해져 있습니다. 이 경우에는 채인징 파트너가 불가능하며, 따라서 탄성 변형 후 응력이 탄성 한계를 넘으면 파괴가 일어나게 되죠.
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