소성변형

소성변형(plastic deformation, 塑性變形)은 고체 재료의 가소성(可塑性)을 이용해서 누르거나 두들겨서 모양을 바꾸는 일이다. 탄성변형은 가해진 외부의 힘이 제거됨에 따라 즉시 회복되어 원래 모습으로 돌아가지만 소성변형은 변형되어 회복이 되지 않고 잔류한다. 영구변형(永久變形), 잔류변형(殘留變形)이라고도 한다.

개요

소성변형은 외력에 의해 생긴 비틀림이 외력을 제거하여도 전혀 회복되지 않을 때 변형을 말한다. 이에 대해 모든 비틀림이 완전히 회복되는 경우를 탄성변형이라 한다. 일반적으로 고체는 외력의 작용을 받으면 변형이 생기는데 외력이 작은 동안에는 외력을 제거하면 물체는 원래의 형태로 되돌아가 변형은 사라진다. 그러나 대부분의 고체는 적당한 조건하에 놓이면 커다란 외력 작용으로 파괴되는 일 없이 연속적으로 변형하고, 외력을 제거해도 물체는 이미 원형으로 되돌아가지 않고 영구 변형이 생긴다. 고체가 나타내는 이러한 변형을 소성 변형이라 한다. 그리고 소성변형을 하는 물체를 소성체라 한다. 일반적으로 고체에 작용하는 외력의 크기를 점차 증가하여 가면 물체 내의 응력도 점차 증가하게 되는데 드디어 어떤 값에 도달하면 응력은 거의 증가하지 않고 영구 변형이 급격히 증가하기 시작한다. 이 응력의 한계값을 항복값(항복점)이라 한다. 항복점은 연강 또는 그것과 비슷한 다결정 조직을 갖는 금속 재료에서는 분명하게 확인되나 구리, 알루미늄과 같은 부드러운 금속에서는 분명하지 않다. 유리, 플라스틱 등의 무정형 물질도 분명한 항복점을 나타내지 않는다. 일반적으로 금속의 항복점은 크지만 납은 작고 또 점토, 석고, 밀가루 등을 물로 반죽한 것이나 피치도 항복점은 작다.

대부분의 금속 재료는 변형률이 약 0.005 정도까지만 탄성변형이 일어나며 이 점을 넘어서면 응력은 더 이상 변형률에 비례하지 않는다. 즉 회복되지 않는 영구변형인 소성 변형이 일어난다. 미시적으로 보면 소성변형이란 수많은 원자 또는 부나가 상대적으로 움직이면서 가장 가까이 있던 원자와의 결합을 끊고 새로운 원자와 결합하는 현상으로 응력을 제거해도 원자는 원래의 위치로 돌아가지 않는다. 소성변형을 하려면 탄성 변형 범위 이상의 외력을 가해야 한다. 소성 변형시키는 방법은 목적하는 최후의 형상에 따라 여러 가지가 있는데 판(板)을 만들려면 압연; 막대, 관을 만들려면 압출, 인발, 압연; 그리고 선(線)을 만들려면 인발, 신선(伸線) 등 공정이 사용된다. 또 복잡한 외형으로 만들기 위해서는 단조, 프레스 등 공정이 사용된다.

탄성변형과 소성변형의 차이점

탄성변형과 소성변형의 차이점은 하중을 제거하였을 때 원형 상태를 유지하거나 반대로 원형상태로 되돌아가지 못하는 성질로 구분한다. 모든 재질은 재질이 갖고 있는 탄성한계를 초과할 경우 소성 항복이 발생하여 영구적으로 변형되거나 원래 상태로 복원할 수 없는 상태파괴 상태에 다다르게 된다.

• 탄성한계를 초과할 경우 재질의 영구적인 변형 즉 소성 변형이 발생하였다고 정의한다.
• 소성변형은 원자간의 결합이 끊어진 되돌릴 수 없는 상태이다.
• 재료에 가해지는 응력힘은 재질의 변화량과 직접적으로 일치하지 않다.
• 재질이 탄성한계를 초과하여 소성변형 영역으로 들어설 때 힘의 증가로 재질의 변형 - 좁아짐 - 파괴로 이어진다.

참고자료

• 〈소성변형〉, 《네이버 지식백과》
• 〈소성변형(plastic deformation)〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 가공

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