인장강도, 항복강도 및 전단강도: 차이점 및 적용 가이드

엔지니어들은 제품의 강도를 결정하고 선정하는 과정에서 무의식적으로 제품 설계상의 실수를 저지르곤 합니다. 인장 강도와 항복 강도에 대부분의 관심이 쏠리는 동안, 때로는 전단 파단으로 인해 제품이 고장 나기도 합니다. 제품 개발에 사용되는 다양한 재료는 각기 다른 강도에 대한 설계가 불충분하여 파손될 수 있습니다. 예를 들어, 항복 강도를 초과하면 플라스틱 하우징이 변형될 수 있는 반면, 나사산 인서트는 전단 강도가 부족하여 파손될 수 있습니다. 마찬가지로, 금속 브래킷은 인장 강도에 도달하면 파단됩니다. 이러한 사례들은 재료마다 서로 다른 유형의 강도를 나타내며, 이는 제품 설계 및 개발 과정에서 반드시 고려되어야 함을 보여줍니다. 하지만 이 세 가지 특성 간에 뚜렷한 차이가 있을까요? 이 가이드에서는 각 특성을 설명하고, 서로 어떻게 다른지 보여주며, 측정 및 시험 방법에 대해 다룹니다.

인장 강도, 항복 강도, 전단 강도란 무엇인가?

이 용어들은 서로 밀접한 관련이 있기 때문에 대부분의 사람들이 이를 오해하기 쉽습니다. 실제로 물리학, 역학, 공학 분야 외부의 사람들은 이 용어들이 같은 의미라고 생각하기도 합니다. 하지만 이 용어들은 서로 다른 파괴 메커니즘을 설명합니다. 이제 각 용어를 자세히 살펴보겠습니다.

인장 강도란 무엇인가요?

인장 강도는 산업 분야에서 간과할 수 없는 기계적 특성 중 하나입니다. 이 특성은 다양한 제품의 제조에 사용되는 여러 재료의 안전성과 성능에 결정적인 영향을 미칩니다.

이러한 특성은 일상적인 활동에서 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 크레인은 얇은 강철 와이어 로프를 사용하여 무거운 짐을 들어 올릴 수 있으며, 이때 와이어가 끊어지지 않습니다. 이는 와이어의 인장 강도가 매우 높기 때문입니다. 만약 하중이 강철 로프의 인장 강도를 초과한다면, 로프가 파단되어 끊어지고, 이로 인해 인명 피해가 발생할 수 있습니다.

정의와 단위

인장 강도는 재료가 파단되거나 깨지기 전에 견딜 수 있는 최대 응력으로 정의됩니다. 이는 최대 인장력을 시편의 원래 단면적에 나누어 계산합니다. 이는 재료에 가해지는 응력이 증가하면 원자 간의 결합이 늘어나다가 결국 끊어지는 원리에 기초합니다.

재료는 응력이 가해지면 탄성을 띠게 됩니다. 응력이 제거되면 재료는 원래의 모양으로 돌아갑니다. 그러나 응력이 계속 가해지면 재료는 소성 영역에 진입합니다. 이 영역에서 재료의 내부 원자 또는 분자 구조는 영구적인 미끄러짐(결정질 금속에서는 전위 이동에 의해, 고분자에서는 분자 사슬의 엉킴 풀림에 의해 유발됨)을 겪게 되며, 재료가 원래의 모양으로 되돌아가는 것은 불가능해집니다. ^[1].

인장 강도는 메가파스칼(N/mm²) 단위로 측정됩니다. 다음 표에는 그 밖의 관련 단위들이 정리되어 있습니다.

1MPa ≈ 145Psi

1Ksi = 6.895 MPa

인장 강도의 계산식

인장 강도 (S)는 다음과 같이 주어집니다;

S = F / A

여기서 F는 N 또는 lbf 단위의 가해진 인장력이다. A는 시편의 원래 단면적(mm², m² 또는 in²)이다. 

하중이 가해질 때 재료가 나타내는 최대 인장 강도를 극한 인장 강도(UTS)라고 합니다. 극한 인장 강도에 도달하여 이를 초과하면 재료는 목 현상이 시작됩니다. 하중이 더 가해지면 목 현상이 가속화되어 재료가 파단될 때까지 진행됩니다. 극한 인장 강도는 다음 식으로 주어집니다.,

UTS=F_최대/A₀

Where F_최대 파단되기 전까지 견딜 수 있는 최대 힘이며, A₀ 이는 하중이 가해지기 전의 원래 단면적이다.

인장 강도 측정

범용 시험기(UTM)를 사용하여 인장 시험을 실시함으로써 인장 강도를 측정할 수 있습니다. UTM은 때때로 인장 시험기라고도 불립니다.

이 공정은 표준 시편을 준비하는 것으로 시작됩니다. 플라스틱의 경우 재료를 도그본형 시편으로 성형하고, 금속의 경우 원통형 시편을 기계 가공합니다. 기계 가공 전에 초기 단면적 A0를 측정합니다.

준비 과정이 끝나면 시편을 UTM에 고정합니다. 기계가 제어된 속도로 시편을 당기도록 합니다. 기계가 시편을 계속 당기는 동안, 힘과 이에 상응하는 신장률을 포함한 데이터를 지속적으로 기록합니다. 기계에서 생성된 응력-변형률 곡선을 관찰함으로써 재료의 거동을 파악할 수 있습니다. 그런 다음 위의 식에 따라 인장 강도(S)를 계산할 수 있습니다.

항복 강도란 무엇인가요?

항복 강도와 인장 강도는 서로 관련된 용어입니다. 연성 재료의 경우, 재료는 극한 인장 강도에 도달하기 전에 항복 강도에 도달합니다. 반면, 취성 재료는 일반적으로 뚜렷한 항복 현상이 나타나기도 전에 파단됩니다.

항복 강도는 재료가 탄성 거동(가역적 변형)에서 소성 거동(영구적 변형)으로 전환되는 응력 임계값을 말합니다. 단위는 메가파스칼(MPa)로 측정됩니다. 

예를 들어, 클립의 양 끝을 천천히 당겨 보십시오. 처음에는 클립이 약간 늘어나지만, 당기는 것을 멈추면 클립은 원래 위치로 돌아갑니다. 그러나 더 세게 당긴 뒤 힘을 풀면 클립은 원래 위치로 돌아가지 않습니다. 이 시점에서 우리는 클립이 항복 강도에 도달했다고 말합니다. 기술적으로 말하면, 이 상태의 클립은 부러지지 않은 채 영구 변형을 겪은 것으로 간주됩니다.

항복 강도 측정

항복 강도를 측정하는 방법을 이해하기 전에, 이를 계산하는 데 사용되는 파생 용어들을 먼저 파악하는 것이 필수적입니다. 그 중 하나가 응력(σ)입니다. 이는 재료가 받는 단위 면적당 힘의 양을 의미합니다. 이는 다음 식으로 주어집니다.,

σ = F/A,

여기서 F는 가해진 힘이고, A는 단면적이다. 최대 응력은 매우 좁은 표면적에 최대 힘이 가해질 때 발생한다.

두 번째 항은 변형률(ε)입니다. 이는 재료가 원래 크기에 비해 늘어나거나 압축될 수 있는 능력을 말합니다. 이는 다음 식으로 주어집니다.,

ε = ΔL/L₀,

 여기서 ΔL은 길이의 변화량이고, L₀는 초기 길이이다.

영의 계수(E)는 물질의 강성을 나타냅니다. E 값이 높을수록 재료는 하중을 받아도 거의 변형되지 않는데, 고무에 비해 강철이 대표적인 예입니다. 이는 다음 식으로 주어집니다.

E = σ/ε

재료는 항복점에 도달할 때까지 후크의 법칙에 따라 응력-변형률 관계가 직선적인 양상을 유지하는데, 항복점은 가해진 응력이 재료의 결정 격자를 탄성 상태로 유지하는 원자간 힘을 영구적으로 이겨내는 정확한 임계점이다. ^[2].

변형에 저항하는 재료를 ‘강성’이 높은 재료라고 합니다. 이러한 재료는 영의 계수가 가장 높습니다. 하지만 그렇다고 해서 항복 강도가 가장 높다는 뜻은 아닙니다. 훌륭한 엔지니어링 설계는 항상 이러한 특성들 간의 균형을 맞춰야 합니다. 강성이 전체적인 강도 및 경도와 어떻게 다른지에 대해 더 자세히 알아보려면, [강도, 강성, 경도].

전단 강도란 무엇인가요?

전단 강도를 이해하기 전에, 전단력이 무엇인지 먼저 파악하는 것이 중요합니다. 전단력은 표면의 한 부분이 다른 부분에 대해 미끄러지거나 변형되도록 하는, 표면과 평행하게 작용하는 내부 힘을 말합니다.

전단 강도는 재료의 내부 구조가 그 표면과 상대적으로 미끄러지는 현상을 일으킬 수 있는 힘에 저항하는 능력을 말합니다. 전단력이 가해지면 재료 표면은 미끄러지고 변형되는 경향을 보입니다. 전단 강도는 재료가 횡방향 힘을 받는 다양한 공학 분야에서 필수적인 요소입니다.

전단 강도는 보, 기둥, 이음부 등의 구조물 설계 및 해석에서 매우 중요한 역할을 합니다. 적절한 전단 강도를 확보하면 구조적 파손을 방지하고 건축물의 수명을 연장할 수 있습니다.

전단 강도는 일상생활에서도 나타납니다. 강철 교량에서 구조 부재를 연결하는 볼트는 주로 전단 하중을 받습니다. 하중이 과도해지면 볼트가 전단되어 연결된 판이 분리될 수 있습니다. 이 강도는 볼트 절단 작업에도 적용됩니다. 절단력은 반대 방향으로 가해집니다. 이러한 반대 방향의 힘으로 인해 재료는 늘어나기보다는 특정 평면을 따라 파단됩니다. 볼트가 이 두 가지 반대 방향의 힘에 저항하는 능력을 전단 강도라고 합니다.

전단 강도의 측정 및 시험

전단 시험은 재료과학, 공학 및 기타 다양한 산업 분야에서 특정 용도에 대한 재료의 적합성을 평가하기 위해 널리 사용됩니다.

전단 시험에서는 시편을 두 개의 평행한 표면 사이에 배치하고, 재료가 전단 파괴를 일으킬 때까지 힘을 가합니다. 이때 측정되는 주요 매개변수는 전단 응력이며, 이는 가해진 힘을 재료의 단면적에 나누어 계산합니다. 이 결과를 통해 실제 응력 조건 하에서 재료의 내구성, 강도 및 성능에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

일반적인 인장 강도, 항복 강도 및 전단 강도의 값은 얼마인가요?

다음 표는 다양한 재료의 인장 강도, 항복 강도 및 전단 강도를 요약한 것입니다. 이러한 기준값은 표준화된 상온 시험 규격(예: 금속의 경우 ASTM E8, 플라스틱의 경우 ASTM D638 등)에 따라 엄격하게 도출된 것입니다. ^[3].

참조

[1] Meyers, M. A., & Chawla, K. K. (2008). 재료의 기계적 거동 (제2판). 케임브리지 대학교 출판부. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947

[2] Pelleg, J. (2012). 재료의 기계적 특성. 스프링거. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[3] ASM International. (1990). ASM 핸드북, 제2권: 물성 및 선정: 비철 합금 및 특수 용도 재료. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627