만약 공대를 나오지 않은 군붕이라면 재료에 대해 막연하게 "존나 딴딴한 장갑!" "존나 잘버티는 소재!" 이런 환상을 가질 수 있음. 만약 도검류를 좋아하는 군붕이라면 강도, 경도, 인성등에 대해 들어보고 알 수도 있고, 이쪽에 관심이 있다면 어느정도 지식도 있을 수 있다고 봄.

오늘 항공우주, 조선, 철도, 자동차, 군용등등 산업혁명이 발생된 이래로 재료라 하면 가지는 성질에 대해 글을 써볼려고함.

절대 중간고사시즌이라 쓰는 것 아님. 절대 아님 ㅇㅇ.

1. 단단함? 무름? 도대체 단단함이란 무엇인가?

우리가 흔히 어떠한 재료가 단단하다라고 표현하지만, 그것이 하찮은 유기물 덩어리인 ㅈ간의 펀치로 후드려봤을 때 재료가 파괴, 깨짐등이 일어나지 않고 꺾이지 않는 마음을 유지하며 멀쩡해 보인 것을 단단하다고 말할 수 있겠으나, 아쉽게도 세상은 훨씬 더 험악해서 겨우 나약한 육신 덩어리가 기준이 되는 단단함으로는 험악한 산업현장에서의 환경을 버티기엔 다소 기준이 부족해보인다. 그래서 인류는 산업혁명이전이든 이후든 암튼 간에 재료에 여러 물성(물리적 성질)에 대해 특성과 기준을 부여하고, 연구해왔다.

2. 강도와 경도, 인성과 연성, 취성

그 결과 수많은 특성들이 있지만, 가장 많이쓰이는 특성으로는 강도(Strength), 경도(Hardness), 인성(Toughness), 연성(Ductility), 취성(Brittleness)이 있음. 이것들은 설명을 위해 하나의 힘을 먼저 설명해야함. 응력(Stress)임. 응력이라 표현하니 뭔가 너무 어려워 보이지만, 군붕쿤들은 겁내지 말고 직관적으로 똑바로 보자. Stress하면 뭔가 열받고 압력이 오는 것 같은 느낌이 오면서 힘들 것 같지 않은가? 세상 사는 거이 다똑같듯이 재료도 그렇다. 얘네들이 말을 안할뿐, 힘을 받으면 스트레스받고 변형이 일어날 것(사람으로 따지면 열받아서 뻗치거나 소리지르거나 뛰어다니거나 담배피거나 삭히거나 하듯이) 같고, 아무튼 그렇다. 중요한건 "변형(Deformation)"이다. 그리고 우리는 물질내 이러한 스트레스를 주게 하는 힘을 "응력(Stress)"라 부르기로 하였다.

자 그렇다면 응력을 알았으니 강도와 경도를 구분하는 것이 첫 번째이다. 경도는 우리가 흔히 말하는 굳기, 즉 단단함이다. 정확히 말하자면 "표면의 단단함"인데, 쉽게 말하면 스크래치가 나냐 안나냐 이다. 특징으로는 버틸 수 있는 특정 경도값을 넘어가면 취성이 생긴다. 이게 무슨말이냐면 "깨진다"는 것이다. 즉, 취성이 있다 = 깨진다 라고 생각하면 편하다. 경도가 높은 재료는 표면에 어떠한 힘을 줬을 때 스크래치가 잘 안나며, 특정 버틸 수 있는 경도 이상의 힘을 받으면 찌그러지거나, 모양이 변하지 않고 그대로 깨진다. 대표적인 것이 2대전 전차장갑 좀 파는 군붕이들이라면 알법한 티거의 표면 경화장갑이다. 100mm의 장갑이 버틸 수 있는 경도미만의 포탄에너지를 장갑으로 받았을 땐, 흠집도 안나거나 약간 스크래치 나는게 전부라면, 그 이상 장갑재 표면이 버틸 수가 없는 운동에너지를 받으면 장갑재가 깨져서 내부 승조원 부상을 확 입혀버렸다. 반대로 주로 균질압연장갑을 썼던 미국에서 피격사진을 보면 생환한 전차건 파괴된 전차건 파격부위가 포탄 탄착에 따라 움푹 파이거나 찌그러진 것을 볼 수 있다, 이는 표면을 경화시켜 경도를 올린 것보다 압연을 통해 전체적인 강도를 올렸기 때문이다.

이렇듯 강도는 경도와 그 성질이 다름을 알 수 있다. 다른건 알겠는데, 뭐가 다른가? 하면 강도는 재료가 변형이 되기전까지 버티는 성질을 의미하고, 이것도 중요한 성질이라 여러개로 또 나뉜다. 인장강도, 압축강도등등.

여기서 오해가 생길 수 있는게, 경도가 높으면 대체적으로 취성이 존재하는 것은 맞지만, 강도가 높다고 취성이 생긴다는 것은 무조건은 아니라는 것이다.

그리고 여기까지 보면 취성은 천하의 나쁜놈이냐라 할 수 있는데, 아쉽게도 천하의 나쁜놈 맞다. 전 세계의 재료를 연구하는 사람들은 버티는 재료엔 무조건 취성을 어떻게든 없앨려고 지금 군붕이들이 디시를 하는 와중에도 안간힘을 쓰는 중이다.

그렇다면 취성은 깨질려고 하는 성질이니, 반대성질은 있지않을까?

그에 대한 대답은 Yes이다.

인성(Toughness)과 연성(Ductility)이다.

우선 인성과 연성을 설명하기 이전에 또 다른 개념이 필요하다. 위에서 변형(Deformation)이 중요하다 하였는데, 이 변형은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다.

하나는 탄성 변형(Elastic deformation)이고, 또 하나는 소성 변형(Plastic deformation)이다. 이건 또 무슨 개소리냐고?, 걱정마라. 직관적으로 바라보자.

탄성이란 말은 쉽게 알 수 있을 것이다. 집에 만두포장해오고 먹고난 다음 남은 고무줄을 잡아당겨보자. 그리고 한쪽 손을 놓아보자. 그러면 늘어난 채를 유지할까?아님 다시 원래대로 도르마무할까? 너무나도 쉬운 질문이다. 답은 도르마무한다. 그리고 고등학교를 나온 군붕이들이라면 우리는 이런 것을 유식하게 "탄성"이라는 성질로 표현할 수 있을 것이다. 그때 그 탄성이 맞다. 재료도 사실은 변형이 일어나면 되돌아가려는 정도는 존재한다. 그리고 변형이 일어났지만, 그 변형을 일으킨 힘자체가 미미해서 재료가 다시 원래 형태로 돌아가면 그 변형을 우리는 탄성 변형(Elastic deformation)이라 부르기로 하였다.

하지만 군붕이들은 다들 원래대로 돌아가는 금속보단 한 번 부러지면 자신의 멘탈과 같이 뽀각나는 금속들을 세상 NM년 살면서 훨씬 더 많이 접해보았을 것이다. 이때 등장하는 용어가 바로 소성 변형(Plastic deformation)이다. 탄성이 있고, 소성이 있는데, 탄성을 안다면 우리는 소성에 대해 알 수 있을 것이다.

탄성 - 원 상태 복구

소성 - 원 상태 복구....복구가 안되잖아?

반대이다. 탄성의 반대이다. 재료가 변형(뒤틀리거나, 휘거나, 늘어나거나, 얇아지거나 찌그러지거나 등등)되고나서 다시 원래의 형태로 안돌아가는 특성을 말한다.

대부분의 금속재료들을 연구할 때 이 소성변형에 대해 더 주목하며, 여기서 인성과 연성을 설명할 수 있다.

자, 재료공학도라면 지긋지긋하게 볼법한 그래프를 하나 가져와봤다. 여기서 빨간 색 그래프를 자세히 보면은 왼쪽에서 급경사로 팍올라가다가 어느 지점에서 갑자기 급발진 멈추고 완만하게 언덕처럼 올라가다가 필자의 미래학점과 연애운마냥 떡락하더니 어느샌가 그래프가 끊기고, 필자의 미래처럼 더 이상 희망이 없어지는 시기가 온다.

드립을 좀 많이 섞어놨는데, x축은 변형률, y축은 응력이다. 그리고 급경사로 쭉 올라가는 직선부분 아래 영역을 우리는 탄성영역(Elastic legion, Area)이라 부른다. 이 영역대에선 재료가 탄성 변형을 하며, 저 영역대의 응력을 받으면 재료는 영원히 변형되지 않고 다시 도르마무를 한다.

그러나! 저 직선 1차함수 그래프와 원만한 둥근 2차함수 그래프가 만나는 교점을 지나면 우리는 탄성에서 소성으로 가게된다. 저 둥근 그래프 아래영역을 소성 영역(Plastic legion, Area)라 하며, 저 부분에서는 소성 변형이 일어나게 되고, 저 둥근 그래프와 직선 그래프가 만나는 교점을 우리는 항복강도(Yield Strength)라 한다. 무슨 개소리냐고? 걱정하지말자, 모든 건 직관적으로 바라보자. 항복, 말그대로 항복이다. 그 전에는 재료가 "힘 계속 줘봐~ 다시 복구하면 그만이야"이랬는데, 배째는 탄성놈에게 더 많은 힘을 주어 진짜 배를 째어서 다시는 복구를 못하도록 하는 포인트인 것이다. 저 항복강도를 넘어서는 시점에서는 재료가 다시는 복구를 못하고 영~원히 변형되면 변형된 상태를 유지한다.

그리고 저 둥근 그래프의 최대 값부분을 우리는 최대 인장강도(그냥 인장강도라고도 해서 영어명칭은 Tensile Strength라 하겠다.)라 한다. 저 지점을 넘어서 올라가면? 뽀개진다. 그렇지만 저 그래프를 따라서 쭈욱 우향우로 전진하다가 저 Fracture라는 점까지 다다르면? 그때도 뽀개진다. 생각보다 단순하다.

여기 설명을 듣는 우리의 아찐이가 너무 어려워 하는 것 같아서 좀 더 직관적인 그래프를 가져왔다. 빨간색은 탄성영역, 노란색과 푸른색이 소성영역이다. Y는 항복강도지점. U는 최대 인장강도, F는 뽀개지는 지점을 의미0한다.

지금 까지 구구절절 그래프 설명이 많았는데, 그럼 도대체 인성과 연성이 뭐냐?라 한다면 다음과 같이 말할 수 있다.

인성 - 변형되어 절단되기까지 "에너지"를 흡수하는 성질

연성 - 얼만큼 변형이 되는가

자, 보통은 이리 말하면 "뭔 개소리야 씹덕아" 반응이 정상이다. 그렇지만, 그래프의 의미를 조금만 알면 전혀 어렵지 않다.

우리는 저 그래프에서 면적과 둥근 2차함수부분의 그래프 선을 볼 필요가 있다. 우리는 저 그래프 선 아래의 영역, 즉, 저 그래프를 유식한 말로 "적분" 한 값을 면적이라고 배웠다. 그리고 여기서 면적은 바로 "인성(Toughness)"이다. 끝이다. 저 영역이 넓으면 고 인성(High Toughness)이고, 저 영역이 좁으면 저 인성(Low Toughness)이다. 사실은 끝은 아니다. 기하적 의미로 영역이 인성이라는 것이지, 실제로는 인성이 좋을 수록 재료는 질겨진다. 즉, 뽀개지기 전까지 에너지를 많이 흡수하고, 당연히 취성과는 정반대의 성질이다. 취성이 있다는 것은 인성이 안좋다는 의미이다.

그러면 연성(Ductility)는 무엇일까? 사실 인성보다도 어찌보면 강도와 함께 제일 중요한 성질중 하나인데, 아무리 강도가 좋아도 연성이 안좋으면 취성이 생기기 마련이다. 왜냐면, 그래프상에서 연성이 뜻하는 것은 "길이"이다.(조금 더 정확하게 말하자면 가로 길이이다.)

그런데 위에서 그래프의 가로, 즉 x축은 변형률이라 하였다. 그런데 가로가 길다는 것은 연성이 좋다는 것을 의미하므로, 연성이 좋다는 말은 변형률이 크다는 것이다. 즉, 얼마나 쉽게 재료가 변형되는가, 재료가 파괴되기전에 얼마나 변형이 잘 일어나고, 파괴까지 더 버틸 수 있는가도 의미0한다. 당연히 최대 인장강도가 동일하다는 가정하에 연성이 높아지면, 인성은 자연스럽게 높아진다. 하지만, 인성이 높다고 무조건 연성이 높은 것은 아니다. 최대인장강도만 무조건 엄청 높인채로 가로길이는 짧아도 최대인장강도가 낮은데, 가로길이는 길은 그래프랑 면적(인성)이 같을 수 있기 때문이다. 쉽게 얘기해서 가로 (4) × 세로 (5)랑 가로 (1) × 세로 (20)이랑 면적은 같은데, 가로길이가 4배 차이나는 것이랑 같은 원리이다.

그리고 재료공학쪽에선 후자와 같은 그래프 모형을 Brittle한 재료, 즉 "​취성​"이 있다고 말한다.

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지금까지 가장 기초적인 공학, 재료쪽의 기본 성질에 대해 알아보았다. 하지만 강도, 경도, 인성, 연성등은 재료공학에서만 쓰이는 단어가 아닌, 주로 재료공학쪽에서 많이쓰는 단어임을 명심하자.

그리고 이 기본적인 성질들을 바탕으로 재료의 이러한 성질들을 개선시키고, 어떤것은 죽이기 위해서 수많은 제조, 가공, 후처리 공정등이 존재한다. 그리고 그러한 공정을 거치고 나서야 비로소 우리의 멋진 전차포신, 장갑재, 프레임, 함선 강판, 항공소재등등 다양한 기계제품들에 사용된다. 오늘도 포스코 제강공정에선 그러한 작업들이 진행중일 것이다. 지금 이순간에도.

* 학부생이 전?공지식을 아주 알기쉽게쓸려고 일부 좀 명확히 설명하지 않은 부분이 있어오.

* 그러니 석박사급 고오오급 인재 군붕이들이 와서 비판을 남긴다면 배우는 마음으로 비판 받아들일예정임.

* 참고로 밀덕짓하느라고 학점이 무너지고 현생이 황폐화되고, Tlqkf....