소성

소성(plasticity, 塑性) 혹은 가소성은 고체가 외부에서 탄성 한계 이상의 힘을 받아 형태가 바뀐 뒤 그 힘이 없어져도 본래의 모양으로 돌아가지 않는 성질이다. 천연수지, 합성수지 따위가 이러한 성질을 지닌다. 소성은 탄성과 대조되는 개념이다.

개요

소성은 힘을 가하여 변형시킬 때 영구 변형을 일으키는 물질의 특성을 가리킨다. 점토를 손으로 만지면 그 모양이 변하여 손을 치워도 변형된 채로 남는다. 이 성질을 소성이라고 하며 금속이나 플라스틱으로 원하는 모양을 만들 수 있는 것은 소성 때문이다. 하중을 완전히 제거한 후에도 남아 있는 변형을 영구 변형 또는 잔류 변형이라 한다. 이 특성은 가공 용이성을 의미하므로 금속가공에서 중요하게 쓰인다. 탄성에서 소성으로 넘어가는 경계를 항복점이라고 한다. 외력이 너무 강하면 더 이상 소성을 유지하지 못하고 파열한다.

소성은 물체에 외력을 가해도 변형하지 않고 탄성 한계 이상으로 변형시켰을 때 외력을 제거하여도 원래대로 돌아가지 않는 성질을 말한다. 이 성질은 탄성, 점성과 같이 물질의 기본적인 변형 양식이다. 그리고 소성지수는 액성한계-소성한계를 말하는데 소성지수가 크다는 것은 액성한계와 소성한계의 차가 크다는 것이다. 그러기 위해서는 토질의 입자가 작아야 한다. 토질의 입자가 작아질수록 입자가 함유하는 수분량은 많아지고 투수성이 낮아지며 접착력은 높아지기 때문이다.

소성변형 원리

슬립(slip)	금속에 인장/압축을 가하면 결정이 미끄러지면서 이동하는 현상이다. 소성변형이 진행될수록 슬립에 대한 저항이 점점 증가해서 금속의 강도와 경도도 증가하게 되는데 이를 변형에 의한 가공경화 (strain hardening)라고 한다. 결정면의 연속성을 파괴한다.
쌍정(twin)	변형 전후의 격자 배열이 어떤 면을 경계로 대칭되는 상태를 의미한다.
전위(dislocation)	금속에 외력 작용 시 불완전하거나 결함이 있는 곳에서부터 이동이 생기는 현상이다. (원래 금속 결정격자는 규칙적으로 배열되어 있는 것이 정상이다)

금속의 재결정

가공경화된 금속을 가열하게 되면 내부응력이 제거되어 회복된다. 계속 가열하다 보면 점차 내부응력이 없는 새로운 결정핵이 생기는데 이게 성장해서 새로운 결정(연화된 조직)으로 변한다. 이때의 새로운 결정을 재결정이라고 한다. 이때 재결정이 연화된 조직이기 때문에 재결정은 금속의 연성을 증가, 강도를 저하시킨다. 재결정온도는 1시간 안에 95% 이상 재결정이 생기도록 가열하는 온도이다. 대표적으로 텅스텐(W)의 재결정온도는 1,000℃이다.

가공경화

전위에 의해 완벽한 격자 모양의 면보다 슬립이 일어나기 위한 전단응력의 크기가 작기 때문에 금속들의 이론적 강도와 실제 강도의 차이를 설명하는 가장 중요한 결함으로, 가공경화를 통해 전위 운동의 얽힘과 저항을 극복하기 위해 전단응력을 가하면 금속의 전반적인 강도와 경도의 증가가 일어난다.

강철의 변형곡선

강철의 변형곡선

외력에 대한 물체의 반응을 보여주는 것은 변형력-변형 곡선이다. 그림에서 수평축이 변형, 수직축이 변형력이다. 항복점까지는 변형력과 변형이 비례하고 힘이 없어지면 원래 상태로 돌아가지만, 항복점을 넘어서면 영구히 모양이 바뀌고, 한계 변형력에서 시료는 깨진다. 변형력-변형 곡선은 물질의 종류와 온도에 따라 다양한 모양을 보인다.

변형 그래프를 보면 처음에 탄성 변형이 매우 가파르게 진행된다. 소성변형이 진행되어 탄성 영역에 비해 기울기가 완만해진 것을 볼 수 있다. 작은 압박에도 시편이 매우 많이 신장되는데 이는 전위에 움직임에 기인한다. 전위 운동이 한 번 움직이기 시작하면 점점 더 움직이기 쉬워지며 변형이 진행됨에 따라 전위의 양도 늘어나 응력을 더 많이 감당할 수 있게 된다. 응력-변형률 그래프의 기울기가 0이 되면서 시편에 최대 응력이 나타나는데 이 응력을 인장 강도(Tensile strength)라 한다. 인장 강도는 인장 응력을 받고 있는 구조물이 최대로 지지할 수 있는 응력이며 이 이상 응력이 가해지면 파괴가 일어난다. 이후 시편 어느 한 부분이 수축되는 현상이 시작되어 변형이 집중된다. 이러한 현상을 네킹(necking)이라 하며 이때는 가해 주는 힘이 줄어도 변형이 계속해서 진행되며 결국 파괴(Failure)가 일어난다.

참고자료

• 〈소성(물리학)〉, 《위키백과》
• 〈소성〉, 《나무위키》
• 〈소성〉, 《네이버 지식백과》
• 〈소성(plasticity)〉, 《사이언스올》
• Bird's Life Hacks, 〈1-2. 기계재료 기초 (금속재료의 소성변형)〉, 《티스토리》, 2020-05-07
• SWYJ , 〈재료과학 7단원 : 소성 변형〉, 《티스토리》, 2021-08-21

같이 보기

• 고체
• 탄성
• 물질
• 금속
• 플라스틱
• 가공

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