인장강도와 파단강도와 항복강도
영어로는 각각, Tensile Strength, Breaking Strength, Yield Strength로 적습니다.
○ Tensile은 “늘어난다”는 뜻이므로 인장강도는, 어떤 금속을 서서히 당기면서 어떤 지점에서 끊어지는지를 확인하는 것으로, Breaking은 “부서진다”는 뜻이므로 어떤 금속이 완전히 파괴되어 원형성을 잃는 힘으로 정의된다는 것을 알 수 있습니다.
인장강도는, 재료시험기로 테스트 절편을 최대한 당겼을 때 그러나 아직 끊어지지 않았을 때의 힘을 금속재료의 단면적으로 나눈 값입니다. 파단강도는 재료시험기로 절편을 당겼고, 그러다가 그것이 끊어지는 순간 즉, 파단(破斷)되는 순간의 힘을 금속재료의 단면적으로 나눈 값입니다.
○ 항복강도(Yield Strength)가 있습니다. 그것은 영구 변형이 막 일어나는 시점의 힘을 금속 재료의 단면적으로 나눈 값입니다.
세 가지를 종합하면, 다음과 같은 시나리오가 완성됩니다.
금속 봉을 서서히 당긴다. 봉의 길이 방향으로 당기는 힘은 곧 힘의 증가와 같다 → 항복강도 미만에서는 탄성도가 유지되니까, 봉을 풀면 다시 원래 위치로 돌아간다 → 항복강도를 넘어서면 원래 상태로 돌아가지 못하고 봉의 길이가 늘어난 상태가 그대로 유지된다 → 더 당기면 파괴되지는 않는, 그러면서 최대한 늘어난 어떤 지점에 도달하게 된다. 그때의 당기는 힘을 인장강도 최고 수치로 간주한다 → 그 지점을 지나서 더 당기면, 어느 순간 금속 봉은 끊어지게 될 것이다. 끊어지는 순간의 힘이 파단강도이다.
너무 상식적인 이야기입니다만, 자꾸 <금속 재료의 단면적>으로 나누는 이유는 단면적이 클 수록 모든 항목의 값이 커지기 때문입니다. 그런데 단면적 증가는 곧 무게 증가와 같고 그것은 구조물 제작 비용의 증가로 이어집니다. 그때문에, 최소 단면적을 찾고 힘의 분산까지 고려하는 트러스(Truss) 구조, 중공 구조 등 다양한 공학적 설계 기법 동원됩니다.
* 이미지 : https://www.instron.com
