제목과 같이 금속재료의 물성(Properties)와 기계석 성질(Mechanical properties)에 관하여 다뤄보려과한다. 용접을 공부함에 있어 가장 기본적인것이 금속재료라고 본인은 말하고 싶다. 전기로 금속을 붙이는것은 기능공 수준의 지식이라고 생각한다. 금속재료의 물성과 기계적성질의 기본개념이 있어야 용접에대하여 공부를 충분히 하지 않을까하는것이 저의 생각이라 할수있다.  용접 기술자 그목표를 향해 같이 갔으면 하는 바람 입니다.

*금속재료의 물성과 금속재료의  파괴시험

(Metal Properties and Destructive Testing)*

금속재료 의 가장 중요한 기계적인 특성중 5가지를 언급하자면 아래의 5가지라고 할수있다.  이번에는 아래의 5가지 금속재료의 물성에 관하여 다뤄보고자 한다.

* 강 도 (Strength)
* 연 성 (Ductility)
* 경 도 (Hardness)
* 인 성 (Thougness)
* 피로저항 (Fatigue Resistance)

기계적 강도를 보여주는 그래프

이미지출처:

강 도 (Strength)

강도는 가해진 하중을 유지할 수 있는 재료의 능력으로 정의된다. 재료에 어떻게 하중이 가해
지느냐에 따라 강도의 많은 종류가 있다. 즉, 인장강도, 전단강도(shear strength), 굽힘강도
(torsional strength), 그리고 피로강도(fatigue strength)이다.

 

 인장강도(Tensil Stength)

금속에 잡아당기거나, 밀거나 하중을 가했을때 파괴 저항능력으로 설명된다.
금속이 인장하중을 받는 곳에 사용될 경우, 이것은 설계자가 관심 가져야할 가장 중요한 특성중
하나가 된다.
금속 시방서에 따라 시험을 할때, 인장 강도는 일반적으로 2가지 다른 방법으로 표현한다.
사용되는 용어는 극한강도(ultimate tensil strength)와 항복강도(yield strength)이다.
두 강도는 금속성질의 다른 특징을 나타낸다.
극한강도(UTS, 때때로 단순히 인장강도로 부른다)는 금속의 최대 하중능력과 관계있으며 또한
파괴가 일어날때 그 점을 금속의 강도라고 한다.

금속재료의 항복강도(yield stength)

항복강도를 정의하기 위해서는 금속이 “탄성적으로” 반응할때 의미하는 것이 무엇인지
이해할 필요가 있다.
탄성작용은 하중이 제거 됐을때 영구변형이 되지않는 이하의 하중에서 금속 변형을 말한다.
탄성작용의 유사한 예를 설명할 수 있다. 즉 고무밴드가 대표적인 탄성 재료이다.
그것은 하중을 가하면 늘어나고, 제거하면 원래의 형상으로 되돌아온다.
금속이 탄성 범위내에서 하중이 가해질때 얼마간 확장과 신장이 일어난다.
이런 탄성 범위내에서 신장량은 직접적으로 가해진 하중에 비례하고, 탄성 특성은 선형(線形)으로
불리운다. 금속이 탄성 특성을 가질때는 어느 점까지 늘어나고 그리고 하중을 제거하면 원래 길이로
되돌아온다.
즉 이것은 영구변형이나 고정(set)이 아니라는 것이다.
금속이 탄성한계 이상의 응력을 받을 경우 더 이상 탄성적인 성질은 없다.
그런 특성을 “소성(plastic)”이라 하고, 영구변형 된다는 의미이다.
이것은 또한 응력-변형(strain) 관계가 더 이상 선형이 아니다.
소성 변형이 발생했을 경우 재료는 가해진 하중을 제거하더라도 원래 길이로 되돌아 가지않는다.
그것은 이제 영구 변형 또는 고정을 나타낸다.
재료의 성질이 탄성(elastic)에서 소성(plastic)으로 변하는 점(point)을 항복점이라 부른다.
그러므로 항복강도는 탄성에서 소성으로 변하는 하중에 반응하는 재료강도를 기준(level)으로 한다.
이 값은 상당히 중요한 값이며, 대부분 설계자들은 어떤 구조물에 대한 최대 하중 제한치에 대한
기초 자료로 사용하고 있다.
이것은 항복점이상 응력을 받아서 영구 변형된다면, 그 구조물은 쓸모없게 되기 때문에 필요하다.
일반적으로 극한 강도와 항복 강도 양쪽 모두 “인장 시험”에 의해 측정된다.
단면을 알 수 있는 시편에 가해진 하중과 응력은 파운드 당 평방 인치로 결정한다.
시편이 가해진 하중에 파괴가 되었다면 하중-버팀(carry) 능력은 평방 인치당 파운드(psi)로 계산이
가능하다.

인장 시험은 재료의 강도를 직접 측정하여 알 수 있다.
즉, 경도 시험으로 간접적인 측정이 또한 가능하다.
탄소강의 경우 인장 강도와 경도가 직접적인 관련이 있다.
즉, 강도가 증가하면, 인장 강도 또한 증가하고, 그 반대 역시 그렇다.
(cf; 강도가 감소하면 인장강도 역시 감소한다.)
인장 시험은 아직도 가장 정확한 인장 강도를 측정할 수있으나, 가끔 탄소강과 저 합금강으로
편리한 경도시험을 하면 동등한 인장 강도를 얻을 수 있다.
금속 온도 또한 강도에 영향을 준다.
온도가 상승하면 금속강도는 저하한다.
금속이 상승된 온도에서 임의의 하중을 유지한다면, 설계자는 그 온도에서 재료의 강도 감소
효과를 더해야 한다.
온도는 또한 금속 연성에 영향을 주며, 다음장에서 토론토록 하자.

금속재료의  연 성 (Ductility)

연성은 파괴가 되지않는 하중에 재료 변형 또는 신장 능력과 관련있는 용어이다.
금속이 더 연 할수록 파손되기 전에 더 늘어날 것이다.
연성은 금속의 중요한 성질이며, 하중이 가해질때 서서히 또는 갑작스럽게 파손되는 성질과
관련있기 때문이다.
일반적으로 금속이 매우 높은 연성을 가지면, 파괴나 파손이 점차적으로 될 것이다.
연 금속이 파괴전 구부러진다면 항복 강도를 초과했다는 좋은 지시계가 될 것이다.
저 연성을 갖는 금속도 어떠한 예고없이 취성 상태(brittle maner)에서는 갑자기 파손된다.
온도가 상승하면 연성도 증가한다.
취성 재료는 파괴되기 전에 약간 또는 무 변형을 나타낸다.
유리가 취성재료의 좋은 예다. 가장 일반적인 취성재료는 주철이며, 특히 백주철이 그렇다.
연성과 취성 파단면의 외관상 차이는 당장이라도 확인할 수 있다.
연성과 강도에 관련된 중요한 특징중의 하나는, 원 소재를 제작동안 rolling 방향에 관련된 하중방향
대비 크기의 차이다. Rolled된 금속은 매우 방향적인(directional) 특성을 갖는다.
Rolling은 결정계(crystals) 또는 입자(grains)들이 rolling 방향에 횡축 또는 가로지르는 방향 보다는
훨씬 늘어지게 하는 원인이 된다.
그 결과 rolled 된 금속의 강도와 연성은, 강판과 같은 경우 rolling 방향으로 훨씬 크다.
재료의 rolling 방향과 상대적인 특성을 비교하였을때 세로 방향 강도는 30% 이상, 연성은 50%이상
감소된다. 두께 방향의 강도와 연성 조차 감소된다.
강(鋼)중 몇 종류는 이 방향에 매우 낮은 연성을 가진다.
위에서 언급된 각 3차원적인 방향 증명을 위하여 문자를 정하였다.
Rolling 방향을 X로, 세로 방향을 Y로, 두께 방향을 Z로 표시하였다.
아마, 용접사 자격 굽힘 시험판의 모재에서 파단되는 것을 목격했을 것이다.
이것은 일반적으로 용접축에 평행한 위치한 시편(plate)의 rolling 방향을 갖는 결과이다.
금속이 rolling 방향에 충분한 성질을 나타낸다 할지라도, 다른 두 방향은 하중에 너무
일찍(premature) 파괴 될 것이다.
일반적으로 금속 연성은 인장 시험으로 결정되며, 동시에 금속 강도도 측정되어진다.
연성은 일반적으로 두가지 방법으로 표현되는데 즉 연신율과 단면 감소율이다.

금속재료 의 경 도 (Hardness)

경도는 가장 일반적인 것 중 하나이며, 쉽게 측정할 수 있는 기계적 성질이다.
그것은 재료의 압입(identation) 또는 관통(penetration)에 저항하는 능력으로 정의한다.
어떻든 가장 널리 사용하는 방법은 몇 가지의 identer를 사용하여 금속 표면에 하중을 가하는
방법이다.(c.f: 경도 측정방법)
여러가지 시험은 이런 기본적인 기술을 이용하여 측정할 수 있다.
즉, identer의 종류와 형상뿐만 아니라 적용된 하중의 크기에 차이가 있다.
재료 경도는 identation의 깊이 또는 크기로써 결정되어진다.
그림 6.4는 일반적으로 경도시험에 사용하는 identers와 시험후 압입 형상을 보여준다.
이런 다양한 방법으로 금속표면의 넓은 범위와 금속의 개별적인 입자의 경도 측정이 가능토록한다.

금속재료의 인 성 (Toughness)

일반적으로 인성은 재료가 에너지를 흡수할 수 있는 능력이다.
응력-변형 선도에서 인장 시험동안 생성된 금속의 인성은 응력-변형선도하의 면적을 계산함으로써
측정할 수 있다.
또 다른 공통의 용어(term)인 노치 인성(notch thougness)이 있다
이것은 표면에 결함이 존재할때 재료의 에너지 흡수능력을 말하고, 그에 비하여 인성은 부드럽고,
노치가 없는 시편의 에너지 흡수능력이다.
노치 인성은 인성과는 상당히 다르며, 인성은 일반적으로 재료에 하중이 천천히 가해질때를
정의하고, 노치인성은고율의 하중이 가해질때 에너지 흡수를 나타낸다.
이런 이유로 충격 강도라 부른다.
두 용어의 차이는 줄(string)의 파괴를 유추(analogy)하여 증명할 수 있다.
정적인 하중이 가해졌다면, 줄(string)을 갑자기 잡아당겨 파손이 일어난 것보다, 그 이상의 에너지
흡수효과가 있을 것이다.
인성 또는 노치인성을 설명할 때 기준선은 재료가 파손되기 전 얼마만큼 에너지를 흡수할 수
있느냐 이다. 저 인성을 나타내는 금속은 변형량이 적으므로, 낮은 값에서 파손될 것이다.
다른 한편으로 인성을 갖는 금속은 영구 변형이 되기위해서는 상당량의 높은 값에서 파손이
될 것이다.
전에 연성을 설명할 때를 회고하면, 저, 고연성 금속의 차이는, 저연성을 갖는 경우는 취성이
있으며, 높은 인성값은 연성파괴와 관계있다. 연성의 경우 처럼 금속의 인성은 온도 변화에 따라
변한다. 일반적으로 온도가 감소하면 또한 금속의 인성도 감소한다.
결론적으로 금속의 인성특성은 특수한 온도에서 결정한다.
노치나 다른 형태의 응력 증가가 존재하는 구조재료는 어떤 상태하에서 취성파괴를 추측할 수
있는데 노치인성이 1차적인 관심이 된다.
많은 금속 특히 고강도 공구강은 표면에 날카로운 요철들 존재에 극도로 민감하다.
높은 노치인성을 나타내는 금속이 있다면 노치가 존재하던지 아니든지 잘 이행 할 수 있다는 것을
의미한다. 일반적으로 금속의 노치인성은 경도가 증가하거나, 온도가 상승할 경우 감소한다.

금속재료의 피로 강도 (Fatigue Strength)

금속의 최종 기계적인 특성 검토는 피로 강도이다. 피로강도를 정의하기 위해서는 금속의 피로
파괴 의미를 먼저 이해해야 한다.
금속의 피로는 구성하고 있는 부분 에 주기적인(cycle) 또는 반복적인 기계 작용에 원인이 있다.
즉 하중 변화가 고응력 또는 저응력, 또는 응력 반작용(reversal)이다.
이런 작용이 모터의 회전과 같은 경우에는 빠르게 일어나며, 또는 주기가 매우 천천이 하루(日)로
측정되어지는 경우도 있다. 피로파괴의 한 예로 모터 축(shaft)은 굽힘(bending)의 반복으로 파괴가
발생한다. 일반적으로 이런 종류 파괴는 축의 인장강도 이하에서 발생한다.
금속의 피로 강도는 반복된 하중으로 파괴에 저항하기 위해 필요한 강도로 정의한다.
피로 강도의 지식 대부분은 금속 파괴가 피로 결과이므로 중요하다.
피로강도 자료는 파괴의 원인이 특정한 주기 수에 관련 있다고 가끔 보고된다. ;
대표적인 주기 는 100만 또는 1,000만이다.
피로 강도는 피로 시험으로 결정한다. 이것은 많은 다른 방법으로 할 수있으며, 피로 시험은
일반적으로 인장응력 또는 같은 수준의 압축응력을 적용하여 실시한다.
이런 종류의 시험을 “reverse bending(역 굽힘)”이라 부른다.
여러 응력에서 이런 시험을 하였다면, S-N 곡선을 작성할 수 있다.
S-N 곡선은 얼마나 많은 피로주기(cycle)가 여러 응력 수준(levels)에서 파괴가 발생하는데 필요
한지를 단순하게 도표로 나타낸 것이다.
내력한계(endurance limit)는 아무리 많은 주기(반복)하중이 적용되더라도, 파괴가 일어나지
않는 최대응력이다.
가끔 탄소강의 피로강도는 인장강도의 대략적으로 반(1/2)정도 된다.
충격강도와 마찬가지로 피로강도도 member의 표면 형상과 극도로 관계가 있다.
노치나 응력 증가가 존재할 경우 금속의 내력한계 이상으로 응력이 증가할 수 있다.
중요한 것은 용접과 관련된 금속의 피로강도이다.
용접된 부재를 분리하는 요소는 표면에 날카로운 요철이 존재할 경우다.
용접 후 부드럽게 사상을 하지않는다면, 용접부 표면에 요철이 생길 것이다.
용접면의 불연속은 가령 undercut, overlap, 과도한 여성고, 또는 convexity는 부재의 피로 강도에
효과를 줄것이다.
그러한 상태는 피로균열의 최초 위치로서 활동하여 날카로운 노치를 생성한다.
피로 파괴는 내부적인 용접 불연속의 결과이며, 표면에서 더욱 중대한 관련성을 가진다.
즉, 표면 불연속부는 표면하 불연속보다 피로파괴를 더욱 빠르게 진행시킨다.
이런 이유로 표면의 응력 수준은 일반적으로 내부응력 수준보다 높다.
용접 검사자는 피로파괴를 방지하기 위하여, 주의깊은 육안 검사를 해야 한다.
날카로운 표면의 요철들 발견과 수정은 구조물의 피로특성을 크게 개선할 것이다.

금속의 화학적인 물성 (Chemical Properties of Metals)

금속의 기계적인 성질은 여러가지 기계적인, 열처리에 따라 변경할 수 있다.
하여간 화학적인 성분이 변한다면 급속한 변화가 일어날 것이다.
용접관점으로 부터 1차적인 관심은 금속 또는 비금속등 다른 원소가 합금 또는 섞임이다.
가장 일반적인 예는 강이며 철과 탄소, 더하기 다른 원소들의 다양한 함량이다.
기계적 성질을 포함하여, 금속의 화학적인 성분은 부식저항과 용접성 (금속이 건전하게 용접되기
쉬운상태)에 효과를 가진다.

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