탄성·소성과 강도·강성

1. 개요

재료에 힘을 가하면 내부에는 단위 면적당 힘인 응력이 생기고, 원래 길이에 대한 길이 변화 비인 변형률이 나타난다. 하중을 제거했을 때 원래 모양으로 돌아오는 성질은 탄성, 영구 변형이 남는 성질은 소성이다. 강성은 변형에 저항하는 정도이고 강도는 파손이나 항복을 견디는 응력 수준이므로 서로 바꿔 쓸 수 없다.¹

2. 상세

2.1. 응력과 변형률

인장 시험에서는 시편을 잡아당기며 하중과 늘어난 길이를 측정한다. 공학적 응력은 힘÷초기 단면적, 공학적 변형률은 길이 변화÷초기 길이다. 시편 크기가 달라도 재료 특성을 비교하도록 힘과 길이 변화를 정규화한 양이다.²

힘과 벡터의 힘은 방향과 작용점을 갖지만 재료 내부에서는 단면에 수직인 인장·압축응력과 나란한 전단응력을 구분한다. 같은 외력도 단면적이 작으면 응력이 커질 수 있다.

2.2. 탄성 구간과 소성 구간

초기 선형 탄성 구간에서는 응력과 변형률이 비례하고 기울기가 영률이다. 하중을 제거하면 거의 원래 길이로 돌아온다. 항복을 지나면 원자 배열과 결함의 이동으로 소성 변형이 커져 하중을 없애도 잔류 변형이 남는다.³

탄성한도와 항복점은 재료와 측정 기준에 따라 구분 방식이 다르다. 명확한 항복점이 없는 재료는 일정한 영구 변형률을 기준으로 오프셋 항복강도를 정할 수 있다. 소성은 곧 파괴가 아니라 파괴 전 영구 변형 영역이다.

2.3. 강성과 강도

강성은 같은 응력에서 얼마나 적게 변형되는가와 관련되고 선형 인장에서는 영률로 비교한다. 강도가 높은 재료는 항복이나 파단까지 더 큰 응력을 견딘다. 영률이 크지만 낮은 응력에서 깨지는 단단하고 취성인 재료도 있고, 영률은 작지만 큰 변형을 거친 뒤 파괴되는 재료도 있다.⁴

구조물의 전체 강성은 재료 영률뿐 아니라 단면 형상과 길이에도 좌우된다. 같은 재료의 보도 두껍게 만들거나 단면을 효율적으로 배치하면 덜 휜다. ‘강한 재료=언제나 잘 안 휘는 구조’라고 단정하지 않는다.

2.4. 연성·취성·인성

연성은 파괴 전 큰 소성 변형을 허용하는 성질이고 취성은 소성 변형이 작게 나타난 채 파괴되는 경향이다. 인성은 파괴까지 흡수한 단위부피당 에너지로 응력-변형률 곡선 아래 면적과 연결된다. 강도만 높다고 인성이 반드시 큰 것은 아니다.⁵

온도, 변형 속도, 결함, 열처리와 가공 이력은 곡선을 바꿀 수 있다. 안전 설계에서는 평균 강도뿐 아니라 피로·균열·환경과 허용 변형을 함께 본다. 에너지 보존 법칙 관점에서 탄성 변형 에너지는 회수될 수 있지만 소성 변형과 균열에는 에너지가 소산된다.

3. 수능에서는 이렇게 나온다

응력-변형률 그래프에서 초기 기울기는 강성, 항복점 높이는 항복강도, 파단 전 가로 길이는 연성, 파단까지 면적은 인성과 연결한다. 기울기가 큰 곡선을 보고 최대 응력도 반드시 크다고 추론하지 않는다.

하중 제거 경로가 제시되면 탄성 회복분과 영구 변형을 나눈다. 소성 구간에서 제거하면 보통 탄성 기울기와 비슷한 경로로 일부 회복하고 변형률 축에 잔류 변형이 남는다.

4. 헷갈리기 쉬운 것들

개념	판단 기준	같은 말이 아닌 것
강성	탄성 구간 기울기	강도
강도	항복·파단 응력 수준	인성
연성	파괴 전 소성 변형 능력	부드러움 전체
인성	파괴까지 흡수 에너지	최대 응력 하나

5. 관련 개념

• 힘과 벡터 — 외력이 단면의 응력과 구조 변형을 만드는 출발점이다.
• 뉴턴 역학 — 하중과 운동·평형 조건을 세운다.
• 에너지 보존 법칙 — 탄성 저장 에너지와 소성 소산을 구분한다.
• 논리회로와 반도체 — 반도체 제조에서도 재료 응력과 결함 제어가 중요하다.

각주

1. 응력 단위는 파스칼(Pa), 변형률은 길이 비이므로 무차원이다. ↩

2. 큰 변형에서는 순간 단면적과 길이를 쓰는 진응력·진변형률을 구분할 수 있다. ↩

3. 탄성 변형도 선형 범위를 벗어날 수 있어 탄성=언제나 직선은 아니다. ↩

4. 영률은 재료 물성이고 구조 강성은 형상과 경계조건까지 포함한다. ↩

5. 반복 하중의 피로강도와 한 번의 인장시험 강도도 구분한다. ↩