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. 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.

참고자료

• 〈소성(물리학)〉, 《위키백과》
• 〈소성〉, 《나무위키》

같이 보기

• 고체
• 탄성
• 물질
• 금속
• 플라스틱
• 가공

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