강재의 재료적 특성(강재의 기계적 성질)

2. 연성 및 인성

1) 연성(Ductility)

(1) 재료가 하중을 받아, 비례한도(또는 항복점) 후 파괴에 이르기까지 큰 소성변형을 할 수 있는 능력을 말합니다.

(2) 인장시험시 시험편의 신장률과 단면적이 줄어드는 것으로 측정합니다.

(3) 허용응력도 설계의 여러 가정들을 합리화시켜 줍니다.

(4) 소성설계의 기본이 됩니다.

 

2) 인성(Toughness)

재료가 파단 시까지 흡수할 수 있는 변형에너지 밀도를 말하며, 응력변형도 곡선에서 곡선 하부의 면적으로 산정할 수 있습니다. 강구조물에 있어서 인성은 강재가 파괴되기까지 저항할 수 있는 능력을 의미하며, 강구조물에서는 균열을 피할 수 없기 때문에 인성을 균열과 결부시켜서 특별히 노치 인성이라 표현합니다. 즉, 노치가 있는 강구조 부재에서 불안정한 균열이라 함은 강구조물에서 균열이 피로에 의해 발생하고 성장하는 안정 균열에 반대되는 의미로서, 강구조물에 존재하는 균열이 불안정해지면 구조부재는 취성 파괴를 일으키고 순간적으로 붕괴하게 됩니다. 따라서 이러한 파괴를 막기 위하여 강구조물의 사용 환경에 따라 강재의 사용서의 기준으로서 노치인성을 사용합니다. 이러한 인성을 평가하기 위한 방법은 다음과 같습니다.

(1) 재료가 충격하중을 받는 경우 이러한 충격하주에 대한 강도는 정적인장시험으로부터 구할 수 없습니다. 왜냐하면 정적인장시험에 있어 연신율 또는 단면수축률이 큰 재료라고 해서 반드시 충격에도 강하다고 할 수 없기 때문입니다.

(2) 온도에 따른 재료의 취성천이과정을 손쉽게 알아볼 수 있다는 점은 충격시험의 가장 커다란 장점이라 할 수 있습니다.

(3) 일반적으로 충격시험은 재료의 연성 또는 인성의 판정을 위한 것으로 저온 취성, 노치 취성 등의 성질을 파악할 수 있습니다.

(4) 충격시험은 시험편의 충격저항을 시험하는 데 있습니다. 시편을 충격적으로 파단시켜 파단될 때까지 흡수되는 에너지의 많고 적음으로써 재료의 인성(Toughness) 및 취성(Brittleness)을 판정하기 위한 것입니다.

 

3. 샤르피(Charpy) 시험방법

노치를 가진 시험편을 일정한 높이에서 해머로 타격해서 파단시키고 그때의 흡수에너지를 구하는 방법을 샤르피 시험방법이라고 합니다.

1) 샤르피 충격치는 샤르피 흡수에너지를 노치부의 원단면적으로 나눈 값을 말합니다. 예를 들면 SM강재의 경우 다음과 같이 강종을 구분하고 있습니다.

- A : 특별한 충격치를 요구하지 않는 강재

- B : 일정 수준(0℃에서 27J 이상) 충격치 요구

- C : 우수한(0℃에서 47J 이상) 충격치 요구

2) 천이온도는 시험편을 여러 온도에서 시험하였을 때, 흡수에너지가 급격하게 저하 또는 상승하거나, 파면의 겉모양이 연성에서 취성으로 변화하는 등의 현상에 대응하는 온도를 말합니다.

 

4. 변형도 노화

강재의 시험편에 인장력을 가하면 응력-변형도 곡선을 보입니다. 그러나 소성변형을 시킨 후 하중을 제거하면 잔류변형이 발생합니다. 이 시험편에 다시 하중을 가하게 되면 원래의 응력변형도 곡선으로 복귀하게 됩니다. 그러나 소성변형한 시험편을 1주 혹은 10일 정도 방치한 후 다시 인장력을 가하면 새로운 응력-변형도 곡선이 형성되어 항복점, 항복참 등이 나타나고 강도가 증가하지만 연신율은 현저히 저하합니다. 이러한 현상을 변형도 시효(변형도 노화)라 합니다. 또한 재료가 비례한도에 해당하는 응력을 받고 있을 때의 변형에너지 밀도를 복원계수(Modulus of Resilience)라 합니다.

 

5. 바우싱거 효과

강재 시험편에 인장력을 가해 일정량 소성변형시킨 후, 반대방향 하중인 압축력을 가하게 되면, 인장력을 가한 경우보다 비례한도가 현저하게 작아지게 됩니다. 즉, 인장응력인 경우보다 훨씬 작은 하중에서 탄성을 상실하게 되는데 이를 바우싱거 효과라 합니다. 또한, 변형도 이력에서 응력을 가하는 중 이를 제거하였다가 다시 하중을 가하면 탄성한도가 증가하게 되는데 이를 가공경화라 합니다.

 

6. 강재의 항복비

강재의 항복강도와 인장강도의 비를 항복비라 하며, 항복비는 강구조에서 보통 쓰이는 SS400 정도인 강재에서는 0.6~07 정도이지만 고강도 강재일수록 항복비가 크게 됩니다. 항복비의 대소는 강재가 항복하고부터 파단에 이르기까지를 나타내는 기계적 성질의 지표로서 항복비가 클수록 연성적인 거동을 확보할 수 없으며, 항복비가 작을수록 강재의 인성도, 취성파괴방지, 소성능력 및 에너지 흡수 및 소산능력 등이 향상됩니다.