인성, 경도 및 강도

인성이란?

인성은 에너지를 흡수하고 파단 없이 소성 변형하는 재료의 능력입니다. 인성은 강도와 연성의 조합으로, 인성이 높은 재료는 파단 전에 높은 응력과 상당한 변형을 모두 견딜 수 있음을 의미합니다. 인성은 종종 재료의 인장 시험에서 응력-변형률 곡선 아래 면적으로 측정되며, 이는 재료가 고장 전에 흡수할 수 있는 총 에너지를 나타냅니다. 일반적으로줄 (J) 또는 파운드포스 인치 (lbf-in) 단위로 측정됩니다.

경도 대 인성

경도와인성은 모두 변형에 대한 재료의 저항력을 의미하지만, 서로 다른 특성을 나타냅니다:

-경도는 일반적으로 압흔이나 긁힘으로 인한 국부적인 소성 변형에 저항하는 소재의 능력입니다. 단단한 소재는 표면 마모와 마멸에 저항할 수 있습니다.

- 반면에인성은 충격 에너지를 흡수하고 파손되지 않고 소성 변형되는 소재의 능력을 말합니다. 질긴 소재라고 해서 반드시 단단한 것은 아니며, 단단한 소재라고 해서 반드시 질긴 것은 아닙니다.

예를 들어 세라믹은 매우 단단하지만 충격에 깨지기 쉬우므로 터프하지 않은 경우가 많습니다. 강철과 같은 금속은 세라믹보다 더 단단한 경향이 있어 힘과 충격을 모두 견딜 수 있으며 균열이 생기지 않습니다.

인성 및 강도

강도는 적용된 힘을 영구적으로 부러지거나 변형되지 않고 견딜 수 있는 재료의 능력을 말합니다. 인성은재료가 파손되기 전에 변형되는 동안 흡수할 수 있는 에너지의 양을 측정한다는 점에서 강도와는 다릅니다. 재료는 주철과 같이 부서지기 쉬운 재료처럼강도는 높지만 인성이 낮거나, 일부 연성 금속처럼 인성은 높고 강도는 낮을 수 있습니다.

예를 들어

• 강철: 일부 유형의 강철은 강도와 인성이 높도록 설계되어 건설 및 자동차 분야에 적합합니다.
• 주철: 압축에는 강하지만 주철은 부서지기 쉽고 인성이 낮아 장력이나 충격에 쉽게 부러질 수 있습니다.

금속의 인성에 영향을 미치는 요인

1.온도:

• 저온에서는 많은 금속이 부서지기 쉽고 인성을 잃게 되어 파손되기 쉽습니다. 이 때문에 파이프 라인이나 항공기용 강철과 같이 추운 기후에서 사용되는 소재는 저온 인성을 위해 특별히 처리되는 경우가 많습니다.
• 고온도 인성에 영향을 미칠 수 있지만, 재료의 연성이 높아져 파손될 가능성이 낮아질 수 있습니다.

2.입자 구조:

• 입자 구조가 미세한 소재는 입자가 작을수록 전위(소재 결정 격자의 미세한 이동)에 더 많은 장애물을 만들어 소재가 파손되기 전에 더 많은 에너지를 흡수하는 데 도움이 되므로 인성이 더 높은 경향이 있습니다.

3.합금 원소:

• 탄소, 니켈, 크롬과 같은 합금 원소를 추가하면 소재의 인성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 강철에 니켈을 첨가하면 특히 저온에서 인성이 증가합니다.

4.열처리:

• 담금질 및 템퍼링과 같은 열처리 공정은 금속의 미세 구조를 조정하여 인성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 강화 마르텐사이트강은 처리되지 않은 마르텐사이트강보다 인성과 강도의 균형이 더 좋습니다.

5.변형률:

• 변형률 (응력의 빠른 적용)이높으면 인성이 감소하여 충격 시 재료가 파손될 가능성이 높아질 수 있습니다. 느리고 점진적인 응력을 받는 소재는 일반적으로 더 단단합니다.

높은 인성이 필요한 애플리케이션

충격이나 응력으로 인한 고장이 치명적인 산업에서는높은 인성을 가진 소재가 필수적입니다. 몇 가지 주요 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 항공우주: 항공기 소재는 높은 응력 조건과 충격에도 파손되지 않고 견딜 수 있어야 합니다.
• 자동차: 범퍼, 프레임, 서스펜션 부품과 같은 자동차 부품은 사고 시 충격 에너지를 흡수할 수 있도록 높은 인성으로 설계됩니다.
• 건설: 건물과 교량에 사용되는 구조용 강재는 바람과 지진력을 포함한 동적 하중을 견딜 수 있을 만큼 견고해야 합니다.
• 스포츠 장비: 헬멧, 보호 장비 및 기타 스포츠 장비는 충격을 흡수하고 사용자를 보호할 수 있도록 높은 인성을 갖도록 설계됩니다.
• 군용: 갑옷 도금과 차량 구조물은 극한의 충격력을 견딜 수 있도록 높은 인성이 필요합니다.

일반 금속의 인성 및 경도

자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)를 확인하세요.

자주 묻는 질문

인성과 연성의 차이점은 무엇인가요?

연성은 인장 응력 하에서 변형하는 재료의 능력이고, 인성은 에너지를 흡수하고 파단 없이 변형하는 능력입니다. 연성은 인성에 영향을 주지만 동일한 속성은 아닙니다.

경도가 인성에 영향을 미칠 수 있나요?

예, 경도가 증가하면 인성이 감소하는 경우가 많습니다. 세라믹이나 경화강과 같은 단단한 소재는 충격이나 갑작스러운 응력에 의해 균열이 발생하기 쉬우므로 인성이 떨어집니다.

높은 인성이 항상 바람직한가요?

항공우주 및 자동차 산업과 같이 충격이나 극심한 응력을 견뎌야 하는 소재에는 높은 인성이 필수적입니다. 그러나 절삭 공구와 같이 인성보다 경도를 우선시하는 일부 응용 분야에서는 인성이 더 중요합니다.

온도는 인성에 어떤 영향을 미칩니까?

저온에서는 대부분의 금속이 더 부서지기 쉬워져 인성이 감소합니다. 또한 고온은 재료에 따라 인성에 영향을 미쳐 연성이 증가하거나 경우에 따라 연화되기 쉽습니다.

건축에서 인성이 중요한 이유는 무엇인가요?

인성은 지진, 바람 또는 중장비와 같은 동적 하중과 충격을 재료가 치명적인 고장 없이 흡수할 수 있도록 하기 때문에 건설에서 매우 중요합니다.