인장 시험은 준비된 시편을 지그에 걸로 인장 응력을 인가하면서 변형을 측정하는 과정입니다. 인장 시험으로 얻어지는 특성 곡선은 세로축을 응력, 가로축을 변형률로 하여 인가된 응력과 이로 인한 변형률을 나타내죠. 일반적으로 응력이 증가함에 따라 시편은 초기에는 탄성 변형, 그 다음으로는 소성 변형, 그리고는 가운데 부분의 단면적이 급격이 작아지는 국부수축(necking) 과정을 거쳐 최종적으로 파괴에 이르게 됩니다. 따라서, 인장 시험으로 얻어지는 응력 - 변형률 곡선은 처음에는 선형적으로 비례하는 영역을 거쳐, 비선형적인 곡선 영역으로 들어서고, 가장 높은 응력값에 해당하는 극한 인장 강도(Ultimate Tensile Strength, UTS)를 지나서 응력값이 감소하면서 파괴 강도에 이르게 됩니다.
응력-변형률 곡선으로부터 다양한 정보와 인자들을 얻을 수 있죠. 즉, 탄성 변형이 일어나는 선형 영역에서의 기울기로부터 탄성 계수를 얻을 수 있으며, 직선 영역에서 곡선 영역으로 바뀌는 포인트가 소성 변형으로 전환이 일어나는 탄성 한계점입니다. 그런데 실제로는 탄성 변형에서 소성 변형으로 전환되는 지점을 명확히 정의하기가 모호하여서, 변형률 축에서 변형률이 0.002, 혹은 0.2%인 지점에서 시작하여 선형 영역의 기울기와 동일하게 직선을 그리고, 이 직선이 응력-변형률 곡선과 만나는 지점을 0.2% 오프셋 항복 강도(0.2% offset yield strength)로 정의합니다. 이후로는 소성 변형이 전개되며 특성 곡선은 완만한 포물선 모양을 가지는데, 포물선의 최고점이 극한 인장 강도에 해당하며 이후로는 응력이 점차 감소하면서 파괴 강도에 이르게 되죠. 파괴 강도에 해당하는 변형률을 연신율(elongation)으로 정의합니다.
이상은 주로 금속에 해당하는 응력-변형률 곡선에 대한 설명이며, 금속 중에서도 연성이 특히 강하거나 약한 재료, 그리고 세라믹이나 고분자, 고무 등의 재료는 다른 형태의 곡선을 나타냅니다. 반대로 곡선의 형태를 보고 연성 혹은 취성, 연성과 취성의 정도를 가늠할 수도 있죠. 예를 들어서 탄성 계수가 상대적으로 큰 강철은 알루미늄에 비해 더 가파른 탄성 영역에서의 기울기, 즉 더 큰 탄성 계수를 보입니다. 금속과 고분자는 연성이 있다는 점에서 세라믹에서 얻어지는 곡선과는 완전히 다르며, 고분자의 경우에서도 일반 고분자와 탄성 고분자(elastic polymer, elastomer)는 또 다른 탄성-변형률 곡선을 나타냅니다.
연성과 취성에서의 차이는 특성 곡선에서는 물론 실제 파괴된 시편의 파단부에서도 확연한 차이를 보입니다. 연성 재료의 경우, 탄성 그리고 소성 변형을 거치고, 다음으로 국부수축, 즉 네킹 과정을 겪으면서 파괴로 이어집니다. 따라서, 시편의 단면적이 줄어들고, 이 과정에서 결정 내의 빈 공간(void)들이 파괴 중심으로 모여들게 되어 파괴시에는 컵과 원뿔(cup and cone) 모양을 가지게 되죠. 취성 재료의 경우 연성 변형에서 파괴로 이어지므로 소성 변형의 흔적은 거의 찾아볼 수 없습니다.
인상 시험에서 응력을 점차로 증가시켜가듯이 정적(static)으로 작용하는 응력에 의해서 발생하는 단순한 파괴와는 달리, 반복적인 응력의 작용에 의해서 파단(fracture, 파괴, 파손)되는 피로 파괴가 일어나는 경우에는 세 단계의 과정을 겪게 됩니다. 즉, 먼저 초기의 작은 균열의 생성(crack initiation), 다음으로는 균열의 성장(crack propagation), 그리고 마침내 최종 파괴(final fracture, catastrophic fracture)에 이르게 되죠. 균열은 생성 원인은 전위들이 이동하면서 면 결함과 체적 결함과 같이 넘어갈 수 없는 장애물을 만나게 되면 더 이상 이동하지 못하고 계속 중첩(file-up) 되는 현상에서 비롯되죠. 수많은 전위들이 중첩되면서 국부 변형이 발생하고, 이 변형의 결과로 미시 균열이 생성됩니다.
생성된 균열이 전파되는 힘의 근원은 응력입니다. 즉, 응력 불균형이 또 다른 소성 변형을 발생시키고, 소성 변형된 영역을 따라 균열이 이동, 전파되어가죠. 전파 초기에는 응력에 관계, 종속되면서 방향을 따라가지만 진행되어가면서 응력보다는 물질 내의 결함이나 구조에 따라 지그재그로 나아가며 다 큰 응력을 만들어갑니다. 균열의 길이가 증가하면서 응력이 파괴 인성(fracture toughness)에 이르게 되면 연성 혹은 취성 파괴에 이르게 되죠. 따라서 균열의 초기 감지와 진행 과정의 측정과 분석은 매우 중요합니다.
강도(strength)와 경도(hardness)는 다릅니다. 강도는 물질에 부하가 걸린 경우, 즉 응력이 인가되었을 때 영구적인 변형이나 파괴가 일어날 때까지 견디는 정도입니다. 경도는 딱딱한 정도, 즉 물질에 응력이 인가되었을 때 영구적인 변형에 저항하는 정도를 말합니다. 강도의 경우 물체에 걸린 응력에 대해 영구 변형 혹은 파괴되지 않는 힘의 한계를 의미하고, 그 단위 자체가 압력의 단위와 동일하게 정의되죠. 반면에 경도는 얼마나 딱딱한가를 나타내는 의미이지만 명확한 단위 기준은 없고, 측정 방법도 다양합니다.
다양한 측정 방법들 중의 하나인 비커스 경도 시험(Vicker hardness test)에서는 다이아몬드 사각뿔을 가지는 피라미드형 압입자( 壓入子)를 사용하여 시편을 눌러 시편 표면에 형성되는 오목한 역피라미드 모양의 대각선을 측정하여 경도를 구합니다. 이때 사용되는 피라미드 압입자의 꼭지각은 136도, 인가 하중은 120이죠. 즉, 대면각(對面角)이 136도인 피라미드형 다이아몬드 압자(壓子)를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit)를 만들고, 하중을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적(表面積)으로 하중을 나눈 값으로 비커스 경도(Vickers hardness)를 나타냅니다. 예를 들어 하중을 P[kg], 피트의 대각선의 길이를 d[mm]라 하면, 비커스경도 Hv는 'Hv = 1.854 P/d^2'으로 얻어지죠.
인성(toughness)은 재질이 파괴 전에 에너지를 흡수하는 정도, 즉 하중에 의해 소성 변형 상태에서 파괴에 이르기까지의 저항성을 의미합니다. 단위는 '단위부피 혹은 단위 면적 당 에너지'로 표현되죠. 강도(strength)는 재질이 파괴 전에 힘을 견디는 정도이죠. 단위는 응력의 단위와 같습니다. 인성을 평가하기 위해서는 충격 시험을 하며, 대표적인 방법이 샤르피 충격 시험(Charpy impact test)이지요. 이는 빠른 변형 상태(high strain rate)에서 파단 전에 재질이 흡수하는 에너지의 양을 측정하는 시험입니다. 즉, 추를 일정한 높이로 들어올리고 시편을 하부에 고정시킨 다음에 추를 놓으면 시편이 파단되면서 추는 처음의 높이보다 조금 낮아진 높이를 가지게 되죠. 이 높이의 차이, 즉 위치 에너지의 차이를 측정하여 시편이 흡수한 에너지를 얻습니다. 이러한 충격 시험을 통하여 샤르피 흡수 에너지, 샤르피 충격치, 천이온도(transition temperature)를 알 수 있죠. 특히 연성-취성 천이 온도(Ductile-Brittle Transition Temperature, DBTT)를 얻을 수 있는데, 이는 고온에서의 연성 재료가 온도가 감소하면서 연취성을 갖게 되는데, 이 때의 온도를 의미합니다.
재료의 피로(fatigue)는 극한 인장 응력(ultimate tensile stress) 혹은 항복 응력(yield stress)보다 낮은 응력을 주기적으로 반복하여 인가하였을 때 재료의 강도가 정상적인 값으로부터 저하되는 현상입니다. 피로 시험은 이러한 응력을 인가하는 횟수에 따라 재료의 파괴 강도와 항복 강도가 어떻게 저하되는지를 측정하는 과정이죠. 따라서 측정 결과는 극한 인장 응력이나 항복 응력값과 인가 응력의 횟수, 즉 응력-횟수(Stress-Number, S-N) 곡선으로 얻어집니다.
한편, 크리프(creep)는 소재에 일정한 하중이 가해진 상태에서 시간의 경과에 따라 소재의 변형이 일어나는 현상입니다. 크리프 시험은 고온의 환경에서 인장 시험을 수행하는 것으로 생각할 수 있죠. 즉, 특정 온도에서 일정한 인장 하중을 시편에 가한 후 시간의 경과에 따른 시편의 변형을 측정합니다. 크리프 곡선은 주로 1차, 2차, 그리고 3차 크리프로 나타납니다. 1차 영역은 천이 크리프라 하며, 초기 변형에 이어 탄성, 그리고 소성 변형이 일어나며, 2차 크리프 영역에서는 시간 증가에 따라 일정한 변형률을 가지게 되죠. 주로 이 때의 기울기를 크리프율(creep rate)로 정의합니다. 즉, 재료나 구조의 설계에서 크리프를 고려할 때는 보통 제 2차 크리프를 기준으로 하는데, 그 이유는 이 영역에서 크리프 속도가 거의 일정하므로 실험값의 신빙성이 높고 해석이 용이하기때문입니다. 3차 크리프는 가속 크리프라고 하며 변형 속도가 빨라지면서 파괴(creep rupture)에 이르기까지의 과정입니다. 이러한 시험을 통하여 고온, 고압에서의 재료의 변형과 파괴 거동을 예측할 수 있습니다.
즉, 크리프 현상은 고온에서 작동되는 기계 부품의 설계 및 해석에 중요하게 고려가 되죠. 예를 들면, 가정용 보일러는 물론 가스 터빈의 블레이드나 제트 엔진, 로켓 엔진, 핵 연료용 부품 등과 같이 높은 온도에서 사용되는 부품들은 고온에서의 시간에 따른 변형률을 분석하여야 합니다. 크리프에 대해 내구성이 우수한 재료들로는 스테인레스강, 초합금, 내열 금속과 합금 등이 있죠.
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