연성 재료 (Ductile Material)와 취성 재료 (Brittle Material) - 기구설계 이론 11

안녕하세요. 똑순이밍쓰입니다.

 

연성재료 (Ductile Material)와

취성재료 (Brittle Material)

대해서 알려드릴려고 합니다. 

 

연성재료 (Ductile Material)

연성재료 (Ductile Material)라는 것은

이름에도 나와 있듯이 

물건의 재료가 연하다는 것을 의미합니다.

즉, 재료가 딱딱하지 않고

과장되게 표현을 하면

말랑말랑한 젤리 (?) 같은 특성을

가진 재료를 말합니다.

연성재료 (Ductile Material)같은 경우는

외부에서 힘이 가해지면

형상이 쉽게 늘어나거나 

줄어들거나 등의 변형이 

쉽게 생기게 됩니다.

재료에 힘을 가하게되면

탄성변형을 격은 후 

소성변형이 일어나게되는데 

연성재료 (Ductile Material)의 경우

이 소성변형 구간이 매우 길게 일어납니다.

 

쉽게 예를들면

고무줄같은 것을 힘을 주어 누르거나 늘리게 되면 

파괴되기 이전에 양쪽으로 늘어지면서

모양을 변형한 상태를 오래도록 유지 합니다.

 

연성재료 (Ductile Material)는 

충격이나 에너지를 많이 흡수 할 수 있고

과하중이 작용될 때 파괴보다는

변형을 보여주기때문에 

충격흡수가 필요한 곳에 사용하면 좋습니다.

 

똑순이 밍쓰같은 경우는

스테이지(Stage) 설계 시 

기구적인 스톱퍼 (Stopper)

즉, 설비가 원하는 이동거리이외

넘어가지 못하게 막아주는 기구물에

연성재료 (Ductile Material)를 많이 사용합니다.

설비가 스톱퍼(Stopper)에 부딪쳤을 때

스톱퍼(Stopper)가 바로 파괴된다면

설비가 멈추지 못하고

영역에서 벗어나면서 큰 사고로

이어질 수도 있기때문에

연성재료 (Ductile Material)를 사용하여 

최대한 많은 에너지를 흡수하고

스스로 변형을 오랫도안 유지해서 

파괴되는 것을 막기 위함입니다.

연성은 파괴될 시

"퍼센트 신장률"또는

"퍼센트 단면적 감소율"로 

그 크기를 나타냅니다

 

퍼센트 신장률

(Percent Elongation)

퍼센트 신장률(Percent Elongation)은 

재료가 파괴 될 시

거리의 변형을 백분률로

표시한 것입니다.

퍼센트 신장률 = (L'-L)/L로 표시하며

L'는 재료가 파괴될 때의 거리값

L는 재료의 원래의 거리값을

말합니다.

 

퍼센트 단면적 감소율

(Percent Reduction in area)

퍼센트 단면적 감소율은

재료가 파괴 될 시

단면적 크기의 변형을 백분률로

표시한 것입니다.

퍼센트 단면적 감소율 = (A'-A)/A로 표시하며

A'는 재료가 파괴될 때의 단면적 크기

A는 재료의 원래의 단면적 크기를

말합니다.

 

취성재료 (Brittle Material)

취성재료 (Brittle Material)는 

위에서 말한 연성재료 (Ductile Material)와 

반대의 특성을 가진 재료를 말합니다.

즉 재료가 매우 딱딱한

모양을 가지게 됩니다.

취성재료 (Brittle Material)는 

외부에서 힘이 가해지면

형상이 늘어나거나 

줄어들거나 등의 변형이 

생기지 않고 쉽게 파괴됩니다.

예를들어 유리나 도자기 같은 물질은

힘을 가하게되면, 

변형이 발생되지 않고 깨지게 됩니다.

 

재료에 힘을 가하게되면

탄성변형을 격은 후 

소성변형이 일어나게되는데 

취성재료 (Brittle Material)의 경우

힘을 가했을 때

응력(Stress)와 변형률(Strain)의 관계가

거의 수직에 까가운 기울기 값을 가지게 되며

소성변경 구간이 거의 없습니다.

결국 항복응력이 거의 극한 강도와 

동일한 값을 가지는 특성을 나타냅니다.

 

금속의 경우 일반적으로는 

연성재료 (Ductile Material)의 특성을

가진 재료로 분류되지만

열처리나 용접을 하게되면

취성재료 (Brittle Material) 특성이 

증가하게됩니다.

 

예를들어 

선박은 수많은 금속판들을

용접작업으로 조합하여 만들게되는데

용접 부위는 잔류 열응력에 의해서 

높은 취성을 가지게 되면서 

선박 운항 시 극심한 파도에 의해서

쉽게 파괴되는 사고가 일어납니다.

 

취성재료 (Brittle Material)는

압축하중에 대해서는

시편내에 발생한 균열등이 

압축하중에 의해 닫히게되면서 

압축하중이 증가함에 따라

변형률(Strain)이 커지면서 

옆으로 불룩 튀어나오는 현상이

되어 강한 특성을 띄게됩니다.

반면, 인장하중의 경우

재료의 시편내에서 불완전한 부분이나

미세 균열에서부터

매우 빠른 속도로

시편 전체에 균열이 전달되면서

소성변형이 없어 곧바로

파괴가 되게 됩니다.

 

또한, 취성재료 (Brittle Material)는

온도 저하에 비례하여 취성이 증가하게 됩니다.

 

일반적인 재료의 경우 

연성의 크기가 

금>은>알루미늄>구리>백금>납>아연>철>니켈 순이며

취성의 특성이 큰 재료로는

회주철, 유리, 콘크리트, 세라믹 등이 있습니다.

 

재료의 연성(Ductile)과

취성 (Brittle)의 특성에 

영향을 끼치는 요인으로는 

탄소함량과 온도가 있습니다.

 

탄소함량과

연성(Ductile)과 취성 (Brittle)의 특성

강의 경우 탄소 함량이 많아질수록

취성의 특성을 강하게 나타내지만

탄소함량이 적어지면

연성의 특성을 강하게 나타냅니다.

 

온도과

연성(Ductile)과 취성 (Brittle)의 특성

일반적으로 재료의 온도가 낮아지면,

즉, 저온의 환경에서는 

재료들이 단단해지고,

취성의 특성을 나타내게 되지만

재료의 온도가 높아지면,

즉, 고온의 환경에서는 

재료들이 연해지고,

연의 특성을 나타내게 됩니다.

 

이러한 재료의 특성을 잘 파악해서

사용하고자하는 목적에 맞게 

재료를 선정하여 

설계에 반영되어야 합니다.