재료역학(고체역학): 연성(Ductility)과 취성(Brittleness)

연성(Ductility)은 구조용 강철과 같은 금속이 파괴에 이르기 전에 큰 영구 변형을 겪을 수 있는 능력을 말합니다. 이는 구조용 강철과 같은 재료가 일정한 수준의 변형을 겪은 후에도 강한 인장 하중을 견딜 수 있음을 의미하며, 이러한 특성은 실제 설계에서 중요하게 활용됩니다. 예를 들어, 특정한 구조물의 설계에서는 탄소성(탄성 및 소성 거동) 거동을 고려해야 할 수도 있습니다.

연성은 강철 막대를 원호 형태로 구부리거나, 끊어지지 않고 와이어로 뽑아내는 것과 같은 작업을 가능하게 합니다. 연성 재료의 바람직한 특성 중 하나는 과도한 하중이 가해졌을 때 가시적인 변형이 일어나, 실제 파괴가 일어나기 전에 보수 조치를 취할 기회를 제공한다는 점입니다. 또한, 연성을 보이는 재료는 파괴에 이르기 전에 큰 양의 변형 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.

구조용 강철은 약 0.2%의 탄소를 함유한 철 합금으로, 저탄소 강철로 분류됩니다. 탄소 함량이 증가함에 따라 강철은 연성이 감소하지만 강도(높은 항복 응력과 궁극 응력)는 증가합니다. 강철의 물리적 성질은 열처리, 다른 금속의 존재, 압연과 같은 제조 과정에 의해서도 영향을 받습니다.

연성 행동을 보이는 다른 재료로는 알루미늄, 구리, 마그네슘, 납, 몰리브덴, 니켈, 황동, 청동, 모넬 금속, 나일론, 테플론 등이 있으며, 이들 또한 특정 조건 하에서 연성 거동을 나타냅니다. 이는 연성이 단순히 구조용 강철에만 국한되지 않고, 다양한 재료와 합금에서도 중요한 기계적 특성으로서의 역할을 한다는 것을 보여줍니다.

연성은 구조적 안전성과 관련하여 중요한 개념입니다. 연성이 높은 재료는 과부하가 걸렸을 때 경고 신호로서의 변형을 보여주므로, 구조적 실패가 발생하기 전에 이를 인지하고 대응할 수 있는 여유를 제공합니다. 따라서, 안전한 설계를 위해 연성은 중요한 설계 변수 중 하나로 고려됩니다.

취성(Brittleness)은 재료가 상대적으로 낮은 변형률에서 인장 하중에 의해 파괴되는 성질을 말합니다. 취성 재료의 예로는 콘크리트, 돌, 주철, 유리, 세라믹, 그리고 다양한 금속 합금들이 있습니다. 이러한 재료들은 비례 한계를 넘어서는 아주 적은 연장만으로도 파괴가 발생합니다. 또한, 단면적의 감소가 거의 없기 때문에 명목상의 파괴 응력(점 B)은 실제 궁극 응력과 같습니다.

고탄소 강철은 매우 높은 항복 응력을 가지고 있으며, 일부 경우에는 100 ksi(700 MPa)를 넘는 경우도 있지만, 취성 거동을 나타내며 몇 퍼센트의 연장률에서만 파괴가 발생합니다.

통상적인 유리는 거의 이상적인 취성 재료로 간주됩니다. 왜냐하면 거의 어떠한 연성도 나타내지 않기 때문입니다. 인장 상태에서의 유리의 응력-변형률 곡선은 기본적으로 직선이며, 어떠한 항복이 일어나기 전에 파괴가 발생합니다. 특정한 종류의 판 유리의 경우, 궁극 응력은 약 10,000 psi(70 MPa) 정도이나, 유리의 종류, 시편의 크기, 미세 결함의 존재 여부에 따라 큰 차이가 있습니다. 유리 섬유는 엄청난 강도를 발전시킬 수 있으며, 궁극 응력이 1,000,000 psi(7 GPa) 이상에 도달한 사례도 있습니다.

취성 재료는 부하를 받았을 때 가시적인 경고 없이 갑자기 파괴될 수 있는 특성을 가지고 있어, 구조물의 설계와 사용에서 주의가 필요합니다. 이러한 재료는 큰 변형 없이 파괴가 일어나기 때문에, 파괴 전에 이를 예측하고 대응하기 어려울 수 있습니다. 따라서, 취성 재료를 사용할 때는 재료의 특성을 완전히 이해하고, 적절한 안전 요소를 적용하는 것이 중요합니다. 이는 재료가 예상치 못한 조건 하에서 갑작스럽게 실패하는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

그렇다면 응력-변형률 선도를 보고, 취성 재료와 연성 재료를 구분할 수 있을까요?

당연히 가능합니다. 아래의 그림을 보시면, 빨간색 그래프와 같이 항복이후 바로 파단이 나는 재료가 취성, 파란색 그래프와 같이 항복이후에 소성 변형이 계속해서 발생하는 재료가 연성이라고 생각하시면 됩니다.

위에서도 예가 있지만 정말 간단 예로 설명하면, 취성재료는 과자 처럼 부서지고, 연성재료는 고무줄 처럼 잘 늘어난다고 생각하시면 됩니다.