변형

변형(deformation, 變型)은 어떠한 물체를 바꾸거나 그 형태를 달리하는 것이다. 일반적으로 물리적 변형과 화학적 변형으로 나뉘며 위 두 가지는 물체의 구조가 변하였는지 여부를 기준으로 결정한다. 변형은 체가 외부에서 힘을 받아 일시적으로 또는 영구적으로 구조나 모양이 변환되는 것이다. 변형은 크게 두 가지로 구분할 수 있는 데 응력이 제거되면 소실되는 변형을 탄성변형이라 하고 응력을 제거해도 소실하지 않는 변형을 소성변형이라 한다.

개요

변형이란 물체의 모양이 변하는 것을 뜻한다. 어떠한 물체의 모양이 변화하기 위해서는 에너지, 즉 외력(外力)이 가해져야 하며 이 외력이 물체의 운동에너지로 변화하는 것이 아니라 물체의 형태를 변화하는 데 사용되어야 한다. 기본적으로 변형은 늘어나거나 줄어듦, 휘거나 비틀림, 끊어짐 등으로 나타나지만 대부분 복합적인 경우가 많다. 변형이 일어난 물체는 원래 상태로 돌아가려는 성질이 있는데 이 성질을 탄성(彈性)이라 하며 물체의 재질이나 모양에 따라 탄성의 크기가 다르다. 즉 변형에 저항하는 힘의 크기가 다르다. 변형은 형태가 변하는 것이다 형태가 변한다는 것은 대상물의 크기와 형상이 변하는 현상으로 내부 점들 사이에 상대 변위가가 발생한 것이다 변형에는 길이 변형과 각 변형 두 가지가 있다. 길이 변형은 크기가 변하는 것으로 수직력에 의해 발생하고 각 변형은 형상이 변하는 것으로 전단력에 의해 발생한다.

재료에 어느 한계의 외력을 가하여 변형한 후 외력을 제거하면 원형으로 돌아간다. 이때 원형으로 돌아가는 성질을 탄성(elasticity, 彈性)이라 하고 그 변형을 탄성변형이라 하며 그 물체를 탄성체라 한다. 외력을 어느 정도 이상으로 크게 하면 재료가 항복하여 외력을 제거하여도 완전히 원형으로 돌아가지 않고 영구변형으로 남아있는 성질 즉 재료를 파괴시키지 않고 영구히 변형시킬 수 있는 성질을 소성이라고 하고 그 변형을 소성변형이라 한다. 이와 같은 재료의 소성을 이용하여 가공하는 것을 소성가공이라 하며 칩을 생성하지 않는 주조, 용접에 이어 비절삭가공의 일종이다. 소성가공으로 재료를 변형시켜 목적하는 형상과 치수를 얻을 수 있고 재료의 성질도 변화시킬 수 있다. 일반적으로 비금속 재료에 비하여 금속재료의 소성이 아주 크고 기계 재료로 금속이 주로 사용되므로 본 편에서는 금속재료의 소성가공을 취급하기로 한다. 소성변형은 변형 과정이 아주 복잡하기 때문에 이론적으로 해석하는 것이 어렵거나 불가능한 경우가 많다. 따라서 많은 가정하에서 소성변형을 해석하고 이를 소성변형의 개략을 파악하는 데 이용하고 있다.

생명공학에서 변형은 생명 유전 물질의 결실, 중복, 재배열로 말미암아 염색체가 비정상적으로 되는 현상. 주로 염색체의 수 또는 구조에서 비정상적인 염색체 이상이 일어난다. 구조적 변화를 동반하는 구조 이상은 대부분 염색체나 염색 분체에서 일어나는 절단이 직접 또는 간접 원인으로 작용한 결과이다.

변형률

변형의 정도를 나타내는 양은 변형률이라고 한다. 물리학에서 종종 고체를 그 모양과 크기가 변하지 않는 것으로 취급하지만 실제 물체는 탄성이 있어 힘을 받으면 그 방향에 따라 길이 혹은 형태가 다양하게 변화한다. 그 현상을 변형이라고 하고 변하는 정도를 변형률이라고 한다. 변형의 원인이 되는 힘은 변형력 혹은 응력이라고 한다. 변형률은 변형의 크기를 나타내는 척도이다. 원래의 길이나 각도에서 얼마나 변했는지 비율로 나타낸다. 비율이기 때문에 단위는 무차원(dimensionless)이며 편의상 %를 주로 쓰고 μ나 mm/m를 쓰기도 한다.

수직변형률

수직(normal) 변형률은 수직 응력(normal stress)에 의한 물체의 직접적인 길이 변화(늘음 또는 수축)을 의미한다.

전단변형률

전단변형률은 각도의 변화율이다. 전단응력이 작용하기 전 서로 직교하던 두 선분 사이에서 전단응력의 작용으로 발생한 각도 변화량이다.

변형경화

금속을 가공, 변형시켜 금속의 경도를 증가시키는 방법으로 변형경화(變形硬化) 혹은 가공경화라고도 한다. 금속결정의 변형은 전위(轉位)라고 하는 원자면의 가지런하지 않은 부분이 결정(結晶) 속을 지나감으로써 일어나는데 가공 정도가 증가함에 따라 전위가 특정 부분에 모여 그 이상의 변형을 방해하므로 단단해진다. 경화된 것을 연화(軟化)시키려면 절대온도로 표시한 그 금속의 녹는점의 1/2보다 높은 온도로 가열하면 된다. 금속의 경도는 변형의 정도에 따라 커지며 어느 가공도 이상에서는 일정해진다. 인장시험의 응력(변형력)－변형률 그래프에서 탄성한계의 끝인 항복점에서는 미끄럼 현상이 일어나는데 이것이 끝나면 그 이상의 응력에 대해서는 강한 저항을 보인다. 이 부분에 해당하는 응력이 가해진 재료는 원재료보다 탄성한계나 항복점이 높아져 소성변형이 일어나기 어렵게 되어 단단한 성질을 보이게 된다. 항복응력이 소성변형의 진행과 함께 증가하는 현상을 말한다. 조직적으로는 소성변형의 증가에 따라 변형 중에 전위(轉位)가 만들어지며 수많은 전위원(轉位原)이 작용하여 전위가 교차하는 빈도가 증가하고 결국에는 전위선의 밀림이 형성된다. 이렇게 해서 변형이 증가할수록 응력이 증가한다. 이 메커니즘(Mechanism)을 가리켜 가공경화라고 한다. 즉 금속을 가공, 변형시켜 금속의 경도를 증가시키는 방법을 말하는 것으로 금속에 탄성한계 이상의 응력을 가하면 소성변형이 일어나는데 변형과 함께 응력을 증가시키지 않으면 변형이 진행되지 않는 현상이다. 경화가 일어나 가공하기 어렵게 되면 도중에서 풀림을 하여 연화시키든지 고온에서 가공한다. 전위(傳位)가 다른 전위나 격자결함 등과 만나 움직이기 어렵게 되기 때문이다. 강도가 필요한 때는 가공 경화된 재료를 그대로 사용한다.

참고자료

• 〈변형 (공학)〉, 《위키백과》
• 〈변형〉, 《네이버 지식백과》
• 〈변형(deformation)〉, 《사이언스올》
• 〈기계공작법〉, chonbuk
• 영구노트, 〈변형률〉, 《티스토리》, 2021-06-24
• 〈제 4 장 응력과 변형률〉, slidesplayer
• 쉰들러, 〈금속의 가공경화〉, 《네이버 블로그》, 2007-04-27

같이 보기

• 물체
• 힘
• 경도
• 재료

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