항복강도 및 응력-변형율 곡선 알아보기

항복강도란 무엇인지, 왜 중요한지, 어떻게 구하고 조절하는지에 대해 알아보는 블로그 글입니다. 응력-변형율 곡선과 관련된 용어들도 설명합니다.

항복강도란 무엇인가?

항복강도는 물체에 힘을 가하여 양쪽에서 당길 때, 물체의 길이가 늘어나는데, 어느 정도 힘까지는 힘을 놓으면 원래 크기로 돌아가지만, 일정 크기의 힘 이상으로 당긴 후 힘을 놓으면 원래 상태로 돌아가지 못하고 더 길어진다. 이때 원래 상태로 돌아갈 수 있을 때의 최대 힘을 항복강도 (Yield Strength) 또는 항복응력 (Yield Stress)라고 한다.

항복강도는 재료의 강성과 내구성을 평가하는 중요한 지표이다. 항복강도가 높은 재료는 변형에 저항할 수 있는 힘이 크다는 의미이다. 반대로 항복강도가 낮은 재료는 변형에 쉽게 굴복한다는 의미이다.

항복강도는 인장 시험기를 이용하여 구할 수 있다. 인장 시험기에 재료를 설치하고 양쪽으로 당기면서 받는 힘을 기록한다. 이때 응력-변형율 곡선을 그리면 다음과 같은 모양이 나타난다.

응력-변형율 곡선

응력-변형율 곡선에서 X축은 물체 길이의 변형률을 나타낸다. Y축은 양쪽으로 당겨 길이가 늘어나면서 받는 힘을 나타낸다. 물체의 길이가 늘어날 때 받는 힘은 인장응력 지점에서 가장 크고 그 이후에는 줄어든다.

응력-변형율 곡선은 크게 탄성 영역과 소성 영역으로 나눌 수 있다. 탄성 영역은 힘을 가하면 변형되지만 힘을 제거하면 원래 상태로 복원되는 영역이다. 소성 영역은 힘을 가하면 변형되고 힘을 제거해도 원래 상태로 돌아가지 못하는 영역이다.

탄성 영역에서의 기울기를 영률 (Young’s modulus)라고 한다. 영률은 재료의 탄성 성질을 나타내는 특성이다. 영률이 큰 재료는 응력을 가해도 변형률이 적다. 즉, 강성이 크다고 할 수 있다.

탄성 영역과 소성 영역의 경계점을 항복점 (Yield point)라고 한다. 항복점에서의 응력값이 바로 항복응력이다. 항복응력을 단면적으로 나눈 값이 항복강도이다.

항복점을 정확히 구분하기 어려운 경우에는 0.2% offset 방법을 사용한다. 이 방법은 응력-변형율 곡선에서 변형율이 0.2%0.2% 일 때의 응력값을 항복강도로 정의하는 방법이다.

0.2% offset 방법

인장 시험을 계속하면 물체는 결국 파단된다. 파단되기 직전에 가해지는 힘 중 가장 큰 힘을 인장강도 (Tensile strength) 또는 인장응력 (Tensile stress)라고 한다. 인장응력을 단면적으로 나눈 값이 인장강도이다. 보통 인장강도는 항복강도보다 크다.

항복강도의 응용

항복강도는 재료의 강성과 내구성을 평가하는 중요한 지표이므로, 다양한 분야에서 응용된다. 예를 들어, 구조물의 설계에서는 항복강도가 높은 재료를 사용하여 변형과 파괴를 방지한다. 또한, 재료의 가공에서는 항복강도가 낮은 재료를 사용하여 가공성을 높인다.

항복강도는 재료의 종류와 조성, 열처리, 가공 등에 따라 달라진다. 따라서, 재료의 성능을 향상하기 위해서는 항복강도를 적절하게 조절할 수 있는 방법을 알아야 한다.

예를 들어, 강철은 탄소 함량에 따라 항복강도가 달라진다. 탄소 함량이 증가하면 강철의 강성과 경도가 증가하지만, 연신성과 인성은 감소한다. 따라서, 강철의 용도에 따라 탄소 함량을 조절하여 적절한 항복강도를 얻을 수 있다.

또한, 강철은 열처리에 따라 항복강도가 달라진다. 열처리란 재료를 일정한 온도로 가열하고 냉각하는 과정으로, 재료의 결정 구조와 미세 구조를 변화시켜 성능을 개선하는 방법이다. 열처리의 종류에는 균열화 (normalizing), 석출경화 (precipitation hardening), 소결화 (sintering), 소성변형 (plastic deformation) 등이 있다.

예를 들어, 균열화는 강철을 오스테나이트 상태로 가열하고 공기 중에서 자연 냉각하는 과정으로, 강철의 결정 구조를 균일하게 만들어 강성과 인성을 향상하는 방법이다. 석출경화는 강철에 다른 원소를 첨가하여 석출물을 생성하고, 이 석출물이 결정 사이에 분포하여 결정의 움직임을 방해하는 방법으로, 강성과 경도를 향상시키는 방법이다.

항복강도와 관련된 용어

다음과 같은 용어들이 있습니다.

• 응력 (Stress) : 단위 면적당 가해지는 힘을 말한다. 단위는 N/㎟ 또는 MPa이다.
• 변형율 (Strain) : 물체의 길이가 변화한 정도를 원래 길이로 나눈 값이다. 단위는 없다.
• 영률 (Young’s modulus) : 탄성 영역에서 응력과 변형률의 비율을 말한다. 단위는 N/㎟ 또는 MPa이다.
• 항복점 (Yield point) : 탄성 영역과 소성 영역의 경계점을 말한다.
• 항복응력 (Yield stress) : 항복점에서의 응력값을 말한다. 단위는 N/㎟ 또는 MPa이다.
• 항복강도 (Yield strength) : 항복응력을 단면적으로 나눈 값이다. 단위는 N/㎟ 또는 MPa이다.
• 인장응력 (Tensile stress) : 파단되기 직전에 가해지는 힘 중 가장 큰 힘을 말한다. 단위는 N/㎟ 또는 MPa이다.
• 인장강도 (Tensile strength) : 인장응력을 단면적으로 나눈 값이다. 단위는 N/㎟ 또는 MPa이다.
• 연신율 (Elongation) : 파단되기 직전의 길이와 원래 길이의 차이를 원래 길이로 나눈 값이다. 단위는 % 이다.

항복강도에 대한 결론

항복강도는 물체에 힘을 가하여 양쪽에서 당길 때, 원래 상태로 돌아갈 수 있을 때의 최대 힘을 말한다. 항복강도는 재료의 강성과 내구성을 평가하는 중요한 지표이다. 항복강도는 재료의 종류와 조성, 열처리, 가공 등에 따라 달라진다. 따라서, 재료의 성능을 향상하기 위해서는 항복강도를 적절하게 조절할 수 있는 방법을 알아야 한다.