인성이란? 제조업의 설계 담당자가 알아두어야 할 포인트

금속 등의 재료의 강성을 나타내는 인성은, 제품 설계나 재료 선정시에 중요한 특성입니다.이 기사에서는, 기본 개념·주요 시험·대표 재질의 데이터를 모두 포함하여 설명합니다.

인성의 정의

인성이란 재료가 파괴에 이르기 전에 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지를 나타내는 성질입니다.

응력 – 왜곡 곡선에서 그래프 아래의 면적으로 정량적으로 표현되는 경우가 많으며, 이 면적이 클수록 높은 인성을 가진 것으로 평가됩니다.

인성과 다른 기계적 특성의 차이

인성을 이해하기 위해서는 다른 기계적 특성의 차이를 명확히 하는 것이 중요합니다.

강도와 인성의 차이

강도는 재료가 파괴에 이르기 전에 견딜 수 있는 최대 하중과 응력을 나타내는 지표입니다. 인장강도나 항복강도로 표시되는 것이 일반적이며 단위면적당 가해지는 힘(MPa)으로 측정됩니다. 한편, 인성은 파괴까지 흡수되는 에너지 양을 평가하는 것입니다.

그렇다고 해도 강도가 높은 재료가 반드시 높은 인성을 가지는 것은 아닙니다. 고강도 강재에서도 열처리로 인해 인성이 저하되는 경우도 있습니다. 설계에 있어서는 필요 강도와 인성의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.

경도와 인성의 차이

경도는 표면의 마모 및 긁힘에 대한 저항력을 나타냅니다. 대조적으로 인성은 재료 전체가 충격이나 부하 변동에 대해 어느 정도 에너지를 흡수할 수 있는지를 나타냅니다.

경도가 매우 높은 다이아몬드는 사실 충격에 약하고 깨지기 쉬운 특성을 가지고 있습니다. 이것은 경도가 높아도 인성이 낮은 전형적인 예입니다. 일반적으로 고경도=저인성 경향이 있기 때문에, 양자의 밸런스가 중요합니다.

취성과 인성의 차이

취성은 재료가 거의 소성변형을 동반하지 않고 급격히 파괴하는 성질을 의미하며, 인성과는 반대되는 개념입니다. 유리나 주철 등의 취성 재료는 응력으로 거의 변형되지 않고 갑자기 파괴됩니다.

반면 고인성 재료는 일정한 변형을 거쳐 에너지를 흡수할 수 있기 때문에 취성이 낮고 충격이나 급격한 하중 변화에 대해 더 높은 내성을 보입니다. 저온 환경에서의 사용이나 반복 하중이 걸리는 부품에서는 취성 파괴를 막기 위해 충분한 인성 확보가 필수적입니다.

인성을 평가하기 위한 주요 시험 방법

재료의 인성을 평가하기 위해서는 표준화된 시험 방법이 사용됩니다. 주요 평가 방법은 충격 시험과 파괴 인성 시험 두 가지입니다.

충격 시험

충격시험은 재료가 급격한 하중이나 충격을 받았을 때의 에너지 흡수 능력을 평가하는 방법입니다.

샤르피 충격 시험

샤르피 충격시험은 표준화된 V자형 노치가 들어간 시험편에 진자망치를 낙하시켜 시험편이 파단될 때까지 흡수한 에너지를 측정합니다.

진자망치의 초기 위치와 시험편 파단 후의 상승 위치로부터 위치 에너지의 차이를 계산하여 파괴에 필요한 에너지를 구합니다. 이 에너지 값을 시험편의 단면적으로 나눈 것이 샤르피 충격 값입니다.

아이조드 충격 시험

아이조드 충격 시험은 시험편을 외손잡이 보로 고정하고 노치 측의 시험편 끝부분에 타격을 주는 방법입니다. 샤르피 충격 시험과 마찬가지로 진자 해머의 초기 위치와 파괴 후에 올라간 위치에서 에너지를 측정합니다.

두 시험은 재료의 연성 – 취성 천이 온도의 평가나, 다른 재료간의 충격 흡수 능력의 비교에 널리 이용되고 있습니다.

파괴 인성 시험

파괴인성시험은 재료 중에 존재하는 균열에 대한 저항력을 평가하는 시험입니다. 이 시험에서는 미리 도입한 예균열에 서서히 부하를 가해 균열이 불안정하게 퍼지기 시작할 때의 임계응력 확대계수(K값)를 측정합니다.

시험 결과는 주로 파괴인성 값(KIC)으로 표시되며 단위는 MPa√m입니다. 이 값이 클수록 재료는 균열의 진전에 대해 높은 저항력을 갖는 것을 의미합니다. 파괴 인성 시험은 주로 다음과 같은 방법으로 실시됩니다.

• SENB 시험: 3점 절곡 부하를 사용하는 방법
• CT 시험: 인장 부하를 사용하는 방법

재질에 따른 인성 데이터

재료 선정을 할 때는 각 재질의 인성 데이터를 이해하는 것이 중요합니다. 대표적인 재료의 파괴 인성 값을 아래 표에 나타냅니다.

※위의 기재된 수치는 대표적인 문헌 및 제조사 기술자료를 바탕으로 한 참고치입니다. 설계 시에는 반드시 최신 데이터 시트나 실측값으로 확인하시기 바랍니다.

설계시 인성 고려 포인트

설계 시의 인성에 대해 고려해야 할 포인트에 대해 해설합니다. 특히 얇은 부품이나 응력집중부에서는 취성파괴의 위험이 증대하기 때문에 다음과 같은 관점에서 다각적인 검토가 필요합니다.

충격 하중시 안전성 확보

부품은 낙하나 충돌 등 예기치 못한 충격 하중을 받을 가능성이 있습니다. 그렇기 때문에 파괴 전에 에너지를 흡수하는 능력, 즉 인성이 중요합니다. 취성 파괴는 돌발적이고 위험하기 때문에 설계 단계에서 사용 환경에 따른 안전 마진을 확보하고 재료의 충격 시험 데이터 등을 바탕으로 인성을 평가합니다.

취성 파괴와 연성 파괴

파괴에는 변형이 적고 돌발적인 취성 파괴와 큰 변형을 동반하는 연성 파괴가 있습니다. 취성 파괴는 전조 없이 발생하여 매우 위험한 반면 연성 파괴는 변형에 의해 파괴의 전조를 감지하기 쉽고 에너지 흡수량도 큰 경향이 있습니다. 제품의 안전성을 고려한다면 설계자는 인성이 높은 재료를 채택하여 연성 파괴가 일어나도록 설계하는 것이 좋습니다.

응력 집중부와 얇은 형상

홀의 주위나 구석 부분 등의 응력 집중 부분, 그리고 얇은 형상은 부품 전체의 강도에 관계없이 파괴의 기점이 되기 쉬운 약점입니다. 국소적으로 높은 응력이 발생하여 균열이 생기기 쉽고 진전도 빠른 경향이 있습니다. 설계에서는 주의 깊은 응력해석과 인성 평가를 실시한 후 응력 집중을 완화하는 형상적인 배려가 필수적입니다.

장기간 사용을 견디는 부품 설계에 대한 인성 평가

제품이 장기간 반복적으로 하중을 받으면 피로에 의해 미세한 균열이 발생·진전되어 최종적으로 파괴에 이르게 됩니다. 재료의 인성은 이 균열이 진전하는 속도를 억제하여 어느 정도 균열이 존재해도 급격한 파괴를 막는 능력으로 이어집니다. 피로 시험 및 응력 – 변형 특성을 참고하여 부품 수명 연장을 목표로 설계해야 합니다.

사용 환경 온도의 영향 이해

재료의 인성은 온도에 크게 의존합니다. 온도가 저하되면 급격하게 인성이 저하되고, 취성 파괴가 쉬워지는 재료도 존재합니다. 설계에서는 사용 최저 온도를 고려하고 그 온도에서 충분한 인성을 유지할 수 있는 재료를 선택해야 합니다.

인성 향상 및 개선 접근법

재료의 인성은 열처리 및 설계를 통해 개선 가능합니다. 강재라면 열처리 등으로 조직을 조정하여 강도와 인성의 밸런스를 최적화합니다. 설계면에서는 인성이 높은 재료를 선정하고, 응력 집중을 피하는 형상으로 만들고, 하중을 분산시키는 구조로 만들고, 복합재료를 활용하는 등의 개선 접근법도 있습니다.

시뮬레이션과 실험의 연계

CAE를 이용한 시뮬레이션은 복잡한 부품의 응력 분포나 변형·균열 진전을 예측하여 설계 초기 단계에서의 문제점 특정에 효과적입니다. 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교·분석하고, 모델 정확도를 높여 신뢰성 높은 인성 평가와 설계 품질 향상을 실현합시다.

정리

본기사에서는, 설계시의 재료 선정에 중요한 인성에 대해 자세하게 해설했습니다. 강도나 경도, 취성과의 차이나 인성을 평가하기 위한 시험 방법도 언급하고 있습니다.

대표적인 재료의 인성이나, 설계시의 고려 포인트도 자세하게 해설하고 있기 때문에, 설계 담당자는 꼭 참고 부탁 드립니다