유리는 단단하지만 쉽게 깨지고, 고무는 약하지만 잘 안 부서집니다. 이 차이는 강도·경도·인성으로 나눠 보면 분명해집니다.
서로 다른 세 시편을 준비합니다. 하나는 인장시험으로 당기고, 하나는 압입자로 누르며, 하나는 작은 균열을 넣은 뒤 파괴합니다. 모두 ‘단단함’을 묻는 것 같지만 측정 결과의 단위부터 다릅니다.
강도·경도·인성은 무엇을 견디는 능력이며 왜 서로 대신 쓸 수 없을까요?
이번 장의 답강도는 소성변형을 시작·지속시키는 응력, 경도는 국부 압입 저항, 인성은 균열 발생과 성장까지 흡수하는 에너지이므로 시험과 설계 상황에 맞춰 구분해야 합니다.
01강도(strength)
강도는 견디는 힘입니다. 영구 변형이 시작되는 항복강도 $\sigma_y$, 버틸 수 있는 최대 응력인 인장강도 $\sigma_{UTS}$ 가 대표적이며, 앞 글의 응력–변형률 곡선에서 직접 읽습니다.
02경도(hardness)
경도는 표면이 눌림·긁힘에 저항하는 정도로, 압입자를 눌러 자국 크기로 측정합니다. 대체로 강도와 비례해서, 강철에서는 인장강도를 브리넬 경도 $\mathrm{HB}$ 로 어림할 수 있습니다.
$$ \sigma_{UTS}\ (\mathrm{MPa}) \approx 3.45 \times \mathrm{HB} $$
03인성과 파괴역학
인성은 파괴까지 흡수하는 에너지로, 응력–변형률 곡선 전체 넓이입니다.
$$ U_t = \int_0^{\varepsilon_f} \sigma \, d\varepsilon $$
취성 재료에서는 작은 균열이 치명적입니다. 길이 $2a$ 의 균열이 있을 때 파괴를 일으키는 응력은그리피스 관계로 주어지고, 균열 선단의 응력 집중은 파괴인성 $K_{IC}$ 로 다룹니다.
$$ \sigma_f \approx \sqrt{\frac{2E\gamma_s}{\pi a}}, \qquad K_{IC} = Y\,\sigma\sqrt{\pi a} $$
$\gamma_s$ 는 표면 에너지, $Y$ 는 형상 계수입니다. 같은 응력이라도 균열이 크면(그리고 $K$ 가$K_{IC}$ 를 넘으면) 파괴가 진행됩니다.
04상충과 피로
재료를 강하게 만들면 대개 인성이 줄어듭니다(강도–인성 상충). 그래서 설계는 “가장 강한” 재료가 아니라균형을 찾는 일이에요. 게다가 항복강도보다 훨씬 낮은 반복 하중에서도 균열이 서서히 자라 파괴되는 피로(fatigue)가 있어, S–N 선도와 피로한도를 함께 봐야 합니다.
- $\sigma_{UTS} \approx 3.45\,\mathrm{HB}$ — 강철의 경도–강도
- $U_t = \int \sigma\,d\varepsilon$ — 인성(곡선 넓이)
- $K_{IC} = Y\sigma\sqrt{\pi a}$ — 파괴인성
05파손 모드에 맞는 물성 고르기
“가장 단단한” 재료가 아니라, 쓰임에 맞게 강도와 인성이 균형 잡힌 재료가 좋은 재료입니다.
06이 글의 용어 사전
본문을 읽다가 “그래서 이 말이 정확히 뭐지?”라는 질문이 생기면 여기에서 다시 확인할 수 있습니다.
- 강도strength
- 재료가 소성변형 또는 파괴 전에 견디는 응력 수준입니다. 항복강도와 인장강도처럼 기준을 함께 말해야 합니다.
- 경도hardness
- 압입·긁힘 같은 국부 소성변형에 대한 표면 저항입니다. 시험법과 하중에 따라 척도가 달라집니다.
- 인성toughness
- 파괴까지 흡수할 수 있는 단위 부피당 에너지입니다. 강도와 연성이 함께 커야 높아질 수 있습니다.
- 취성brittleness
- 파괴 전 소성변형이 매우 작은 거동입니다. 경도가 높다는 말과 동일하지 않습니다.
- 응력집중stress concentration
- 구멍·노치·균열 끝에서 국부 응력이 평균보다 커지는 현상입니다.
- 응력확대계수stress intensity factor
- 균열 길이·형상과 작용 응력을 묶어 균열 선단 응력장의 세기를 나타내는 K 값입니다.
- 파괴인성fracture toughness
- 평면변형률 조건에서 불안정 균열 성장을 시작시키는 임계 응력확대계수 KIC입니다.
- 피로fatigue
- 반복 하중으로 균열이 생성·성장해 정적 강도보다 낮은 응력에서도 일어나는 파괴입니다.
07참고자료와 더 읽을거리
- Dowling, Kampe & Kral, Mechanical Behavior of Materials, 5th ed. — 강도, 파괴역학과 피로의 공학적 연결.
- Hosford, Mechanical Behavior of Materials, 2nd ed. — 소성, 파괴, 피로와 재료군별 거동.
- ASTM E18 — 금속 재료의 Rockwell 경도시험 표준.