연성

연성(Ductility)은 탄성한계보다 큰 당김 변형력(tensile stress)을 줄 때 깨지지 않고 길이방향으로 늘어나는 물질의 성질을 말한다. 압축 변형력 (compressive stress)를 줄 때 판모양으로 얇게 펴지는 물질의 성질인 전성(Malleability)과 비교할 수 있다.

즉 재료의 항복 후 파괴되지 않고 변형 또는 길게 늘어나는 성질이다.

물체가 가지고 있는 성질 중 하나로, 재료를 늘일 때, 파괴되지 않고 계속 늘어나는 성질을 의미한다. 재료를 늘일 경우 탄성한도를 넘어서면 파괴가 된다. 하지만 연성이 크면 탄성한도를 넘어도 파괴되지 않으며, 형태가 변형되어 다시 원형으로 돌아올 수 없는 소성변형이 발생한다. 다른 성질로 재료에 압축을 가할 때, 파괴되지 않고 계속 얇게 변형되는 성질인 전성이 있다. 이 연성과 전성을 합쳐 가소성이라고 한다. 일반적으로 물체의 단단함을 나타내는 경도와 대비되어 경도가 높을 경우 연성이 작고, 경도가 낮을 경우 연성이 크다. 연성이 우수한 재료로 Au(금), Pt(백금), Ag(은), Cu(구리), Al(알루미늄) 등이 있다. 연성의 정도를 나타내기 위한 양의 값으로 연신율, 수축률 등이 있다.

개요

연성은 재료가 파단에 이르기 전에 상당한 소성 변형을 견딜 수 있는 능력을 의미한다. 소성 변형은 가해진 응력 하에서 발생하는 재료의 영구적인 변형으로, 응력을 제거하면 원래 상태로 돌아오는 탄성 변형과는 다르다. 연성은 특히 재료가 부러지지 않고 구부러지거나 늘어나거나 변형될 필요가 있는 응용 분야에서 중요한 기계적 성능 지표이다. 연성의 정도는 다음 식을 통해 파단 시의 신장률(%)로 정량적으로 평가할 수 있다.

$\%EL=\left({\frac {l_{f}-l_{0}}{l_{0}}}\right)\times 100$

여기서 $l_{f}$는 파단 후 재료의 길이이고, $l_{0}$는 시험 전 원래 길이이다. 이 공식은 재료가 인장 응력 하에서 파손되기 전 얼마나 늘어날 수 있는지를 정량화하는 데 도움을 주며, 연성 거동에 대한 중요한 통찰력을 제공한다. 연성은 엔지니어링 및 제조에서 중요한 고려 사항으로, 냉간 가공 같은 특정 제조 작업에 대한 재료의 적합성을 정의하고 엔진과 같은 기계적 과부하를 흡수할 수 있는 능력을 제공한다. 연성이 높은 금속으로는 금과 구리가 있으며, 순수한 상태에서 가장 연성이 높은 금속은 백금이다. 그러나 모든 금속이 연성 파괴를 겪는 것은 아니며, 주철처럼 취성 파괴를 나타내는 금속도 있다. 고분자는 일반적으로 소성 변형을 허용하기 때문에 연성 재료로 간주될 수 있습니다.

무기 재료는 다양한 세라믹과 반도체를 포함하며, 일반적으로 취성으로 특징지어진다. 이러한 취성은 주로 원자를 강하게 결합하여 밀집된 배열을 유지시키는 강한 이온 결합 또는 공유 결합에서 비롯된다. 이러한 단단한 격자 구조는 소성 변형에 필요한 원자나 전위의 이동을 제한한다. 금속과 무기 반도체 또는 절연체 사이에서 관찰되는 연성의 큰 차이는 각 재료의 고유 특성, 예를 들어 전위와 같은 결함 및 특정 화학 결합 특성에서 비롯된다. 따라서 연성을 가진 금속 및 일부 유기 재료는 신장률(%EL)이 1.2%에서 1200% 이상인 반면, 취성인 무기 반도체 및 세라믹 절연체는 일반적으로 상온에서 훨씬 작은 연성을 나타낸다.

유사한 기계적 특성인 전성은 재료가 압축 응력 하에서 파괴 없이 소성 변형할 수 있는 능력으로 정의된다. 역사적으로, 전성이 있는 재료는 망치질이나 압연으로 성형이 가능한 것으로 간주되었다. 납은 상대적으로 전성이 크지만 연성은 크지 않은 재료의 예이다.

재료과학

연성은 특히 금속 가공에서 중요한데, 응력 하에서 균열이 생기거나 부서지거나 깨지는 재료는 망치질, 압연, 인발 또는 압출과 같은 금속 성형 공정을 사용할 수 없다. 전성이 있는 재료는 스탬핑 또는 프레싱을 통해 냉간 성형할 수 있지만, 취성 재료는 주조 또는 열성형될 수 있다.

높은 연성은 주로 금속에서 발견되는 금속 결합에 의해 발생하며, 이는 금속이 일반적으로 연성이 높다는 인식을 형성한다. 금속 결합에서는 원자가 껍질의 전자가 비국지화되어 여러 원자 간에 공유된다. 비국지화된 전자는 금속 원자가 강한 반발력을 받지 않고 서로 미끄러질 수 있도록 하여, 다른 재료에서처럼 깨지지 않도록 한다.

강철의 연성은 합금 원소의 구성에 따라 달라진다. 탄소의 비율이 높아질수록 연성이 감소한다. 많은 플라스틱과 점성 고체, 예를 들어 플레이도 같은 경우에도 전성이 크다. 가장 연성이 큰 금속은 백금이고 가장 전성이 큰 금속은 금이다. 고도로 늘어날 때, 이러한 금속은 눈에 띄는 경화 없이 전위 및 결정 쌍둥이의 형성, 재배열 및 이동을 통해 변형된다.

정량화

기본 정의

정량화 기본 정의 인장 시험에서 연성을 정의하는 데 일반적으로 사용되는 양은 파단 시 상대 신장(퍼센트, 때로는 $\varepsilon _{f}$로 표시)과 파단 시 면적 감소율($q$로 표시됨)입니다. 파단 변형률은 단축 인장 시험 중 시험편이 파단되는 공학적 변형률이다. 파단 시 신장률 또는 파단 시 공학적 변형률은 다음과 같이 작성할 수 있다.

$\%EL={\frac {\text{final gauge length - initial gauge length}}{\text{initial gauge length}}}={\frac {l_{f}-l_{0}}{l_{0}}}\cdot 100$

면적 감소율은 다음과 같이 작성할 수 있다.

$\%RA={\frac {\text{change in area}}{\text{original area}}}={\frac {A_{0}-A_{f}}{A_{0}}}\cdot 100$

여기서 관심 있는 면적은 시험편의 게이지 단면적이다.

Shigley's Mechanical Engineering Design에 따르면, 5.0% 신장은 중요한 값으로 간주된다.

시편 치수의 영향

인장 시험에서 연성(파단 시 명목 변형률)의 값은 일반적으로 시편 치수에 의존한다는 중요한 점이 있다. 그러나 보편적인 파라미터는 이러한 의존성을 가지지 않아야 한다(실제로 강성, 항복 응력 및 극한 인장 강도와 같은 성질은 이러한 의존성을 갖지 않는다). 이는 파단 시 측정되는 변형률(변위)이 넥킹(necking)이 발생하기 전까지의 균일한 변형과 넥킹 이후의 변형 기여를 모두 포함하기 때문이다(넥킹 동안 시편의 나머지 부분에서는 변형이 거의 없거나 전혀 발생하지 않는다). 넥의 형성 기여도의 중요성은 게이지 길이의 "종횡비"(길이/직경)에 따라 달라지며, 이 비율이 낮을수록 기여도가 커진다. 이는 단순한 기하학적 효과로 명확히 확인되었다. FEM(유한 요소 해석) 모델링을 기반으로 한 실험적 연구와 이론적 탐구가 이 효과에 대해 수행된 바 있다. 그럼에도 불구하고 널리 인식되지 않으며, 일반적으로 사용되는 시편 치수의 범위가 넓기 때문에 동일한 재료의 다른 시험에서 얻은 연성 값이 2~3배 차이가 나는 큰 변동을 초래할 수 있다.

더 의미 있는 연성 표현은 넥킹이 시작되는 시점의 변형률을 식별함으로써 얻을 수 있으며, 이는 시편 치수에 영향을 받지 않아야 한다. 그러나 이는 (명목상) 응력-변형 곡선에서 확인하기 어려운 점이 있는데, 넥킹 시작을 나타내는 피크가 대체로 평평한 경우가 많기 때문이다. 게다가 일부 취성 재료는 넥킹이 시작되기 전에 파단되어 피크가 나타나지 않는다. 실제로 많은 목적에 있어서는 인장 시험으로 얻은 연성 값보다는 파단 중 흡수된 에너지(인성)를 평가하도록 설계된 다른 종류의 시험을 수행하는 것이 바람직하다.

따라서 절대적인 의미에서 "연성" 값은 거의 의미가 없다. 파단 시 넥에서의 실제(진) 변형률은 명목 응력-변형 곡선에서 얻은 원시 숫자와 직접적인 관련이 없으며, 넥에서의 진 변형률은 종종 상당히 높다. 또한 파단 시의 진 응력은 일반적으로 곡선의 겉보기 값보다 더 높다. 넥이 형성되는 동안 하중이 감소할 수 있지만 넥의 단면적도 (더 급격히) 감소하기 때문에 그곳의 진 응력은 상승한다. 이 값은 넥의 기하학에 따라 달라지므로 단순히 추정할 방법이 없다. 파단 시의 진 변형률은 "연성"의 진정한 지표이지만, 일반적인 인장 시험에서는 쉽게 얻을 수 없다.

단면 감소율(RA)은 넥에서 단면적의 감소(일반적으로 파단 끝의 한쪽 또는 양쪽에서 직경을 측정하여 얻음)를 원래 단면적으로 나눈 값으로 정의된다. 이는 때때로 파단 시 연신율보다 "연성"을 더 신뢰할 수 있는 지표로 간주되는데, 이는 후자가 게이지 길이의 종횡비에 의존하기 때문이기도 하다. 이러한 주장에는 일리가 있지만, RA는 여전히 진정으로 의미 있는 파라미터와는 거리가 있다. 한가지 문제는 특히 단면이 원형이 아닌 시편의 경우 정확하게 측정하기 어렵다는 점이다. 보다 근본적으로 RA는 넥킹 이전에 발생한 균일한 소성 변형과 넥의 발달 모두에 영향을 받는다. 또한, 넥킹 후반부의 특정 조건에 민감하며, 이때 진 변형률이 매우 높아지기 때문에 강도(또는 인성)의 의미 있는 정의와 관련된 행동이 제한적이다. 이 문제에 대해서도 광범위한 연구가 다시 수행된 바 있다.

연성-취성 전이 온도

원형 금속 막대의 인장 시험 후의 도식적 외형: (a) 취성 파괴 (b) 연성 파괴 (c) 완전한 연성 파괴

금속은 취성 파괴와 연성 파괴라는 두 가지 형태의 파괴를 겪을 수 있다. 연성 재료는 소성 변형을 통해 파단이 발생하기 때문에 취성 재료보다 파괴가 느리게 진행된다. 따라서 연성 재료는 취성 재료보다 더 많은 에너지를 흡수할 수 있어 파단 전 더 많은 응력을 견딜 수 있다. 소성 변형은 균열을 확장하는 데 필요한 소성 작업이 균열 형성에 필요한 에너지에 더해지면서, 균열의 표면 에너지가 증가하는 형태로 그리피스 방정식의 변형을 따르게 한다. 연성 금속의 소성 변형은 금속의 잠재적 파괴 징후를 나타낼 수 있기 때문에 중요하다. 그러나 재료가 연성 거동과 취성 거동을 보이는 시점은 재료 자체뿐만 아니라 응력이 가해지는 온도에 따라 달라진다. 재료가 취성에서 연성으로, 또는 연성에서 취성으로 변하는 온도는 하중을 견디는 금속 제품 설계에 있어 매우 중요하다. 금속이 취성에서 연성 거동으로, 혹은 연성에서 취성 거동으로 전환하는 최저 온도를 연성-취성 전이 온도(DBTT)라고 한다. DBTT 이하의 온도에서는 재료가 소성 변형을 할 수 없으며 균열 전파 속도가 빠르게 증가해 재료가 빠르게 취성 파괴를 겪는다. 또한, DBTT는 재료가 DBTT 이하로 냉각되면 충격 시 구부러지거나 변형되기보다 쉽게 깨지는 경향이 커지기 때문에 중요하다(저온 취성). 즉, DBTT는 온도가 낮아짐에 따라 재료의 연성 변형 능력이 감소하고 균열 전파 속도가 급격히 증가하는 온도를 나타낸다. 다시 말해, 고체는 매우 낮은 온도에서 매우 취성적이지만, 높은 온도에서는 인성이 크게 증가한다.

일반적인 용도에서는 낮은 DBTT가 바람직한데, 이는 재료가 넓은 연성 범위를 갖도록 하여 갑작스러운 균열이 억제되고 금속 본체의 파괴가 방지되기 때문이다. 재료가 더 많은 슬립 시스템(slip system)을 가질수록 연성 거동이 나타나는 온도 범위가 넓어진다는 사실이 밝혀졌다. 이는 슬립 시스템이 응력이 가해질 때 전위(dislocation)의 이동을 가능하게 하기 때문이다. 따라서 슬립 시스템의 수가 적은 재료에서는 전위가 장애물에 의해 고정되어 변형 경화가 발생하고 재료의 강도가 증가하여 재료가 더 취성적으로 변한다. 이러한 이유로 FCC(면심입방체) 구조는 넓은 온도 범위에서 연성을 나타내며, BCC(체심입방체) 구조는 높은 온도에서만 연성을 나타내고, HCP(조밀육방격자) 구조는 넓은 온도 범위에서 취성을 나타내는 경우가 많다. 이는 다양한 온도에서 피로, 과부하, 응력 균열 등으로 인한 파괴에 접근할 때 이러한 구조들이 서로 다른 성능을 나타내며 특정 용도에 적합한 재료를 선택하는 데 있어 DBTT가 중요한 이유를 보여준다. 예를 들어, Zamak 3는 실온에서 우수한 연성을 보이지만 영하의 온도에서는 충격을 받을 경우 파괴된다. DBTT는 기계적 응력이 가해지는 재료 선택에 있어 매우 중요한 고려사항이다. 유사한 현상으로는 유리와 고분자에서 발생하는 유리 전이 온도(glass transition temperature)가 있지만, 비정질 재료에서의 메커니즘은 다르다. DBTT는 또한 금속 내부의 결정립 크기에도 영향을 받으며, 일반적으로 결정립 크기가 작을수록 인장 강도가 증가하여 연성이 증가하고 DBTT가 감소한다. 이 인장 강도 증가는 결정립 크기가 작아질수록 전위가 결정립계를 통과하여 재료 내로 전파되기 위해 더 큰 응력을 필요로 하는 결정립계 강화 효과에 기인한다. 페라이트 결정립을 40 마이크론에서 1.3 마이크론으로 계속 줄이면 DBTT를 완전히 제거하여 페라이트강에서 취성 파괴가 전혀 발생하지 않게 만들 수 있음이 확인되었다(DBTT가 절대 영하를 넘어야 하기 때문이다).

일부 재료에서는 전이가 다른 재료보다 더 급격하게 일어나며 일반적으로 온도에 민감한 변형 메커니즘이 필요하다. 예를 들어, 체심입방(bcc) 격자 구조를 가진 재료에서는 DBTT가 명확하게 나타나며, 슬립이 발생하기 전 전위 코어의 재배열에 열적 활성화가 필요하기 때문에 나사 전위의 이동이 온도에 매우 민감하다. 이는 페라이트 함량이 높은 강철에서는 문제가 될 수 있다. 이는 제2차 세계 대전 중 차가운 해역에서 리버티선의 선체 균열이 발생하여 많은 침몰 사고를 일으킨 원인이기도 하다. DBTT는 또한 중성자 방사선과 같은 외부 요인의 영향을 받을 수 있으며, 이는 내부 격자 결함을 증가시키고 연성을 감소시키며 DBTT를 증가시킨다.

재료의 DBTT를 측정하는 가장 정확한 방법은 파괴 시험이다. 일반적으로 연마된 재료의 균열이 있는 시편을 다양한 온도에서 4점 굽힘 시험을 수행한다. 특정 금속의 DBTT를 결정하기 위해 두 가지 파괴 시험이 사용된다: 샤르피 V-노치(Charpy V-Notch) 시험과 아이조드(Izod) 시험이다. 샤르피 V-노치 시험은 자유 낙하 추에 장착된 질량이 시편의 V자형 노치에 충돌하면서 발생하는 위치 에너지 차이를 측정하여 시편의 충격 에너지 흡수 능력(인성)을 측정한다. 이 시험을 다양한 온도에서 반복하여 흡수 에너지가 급격히 감소하는 취성 거동으로 전환되는 시점을 DBTT로 결정한다. 아이조드 시험은 샤르피 시험과 본질적으로 동일하지만 샘플의 위치가 다른 것이 차이점이다. 전자는 샘플을 수직으로, 후자는 샘플을 받침대의 바닥과 수평으로 배치한다.

고온에서 수행된 실험에서는 전위 활동이 증가한다. 특정 온도에서는 전위가 균열 팁을 충분히 차단하여 적용된 변형 속도가 균열 팁의 응력 강도가 파괴의 임계값(KiC)에 도달하기에 충분하지 않게 된다. 이 온도가 연성-취성 전이 온도이다. 더 높은 변형률로 실험을 수행하면 더 많은 전위 차단이 필요하여 취성 파괴를 방지하고 전이 온도가 상승한다.

참고자료

• 〈연성〉, 《물리학백과》
• "Ductility", Wikipedia
• proovy, 〈연성(ductility) vs 인성(toughness)〉, 《네이버 블로그》, 2019-03-25

같이 보기

• 변형
• 금속가공
• 전성
• 취성

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