탄성과 소성의 개념과 탄소강의 특성
탄성(彈性)은 물체가 외부의 힘을 받으면 형태가 변하고, 힘을 제거했을 때 원래의 형태로 되돌아가는 성질을 의미합니다. 영어로는 elasticity라고 하며, 그리스어의 “돌아오다”라는 뜻에서 유래되었습니다. 탄성을 가진 물체를 탄성체라고 하며, 대표적으로 강철이 있습니다. 이러한 탄성체는 힘의 작용으로 변형된 후, 힘을 제거하면 본래의 모양으로 복귀하는 특성을 가지고 있습니다. 이때 발생하는 힘을 탄성력이라고 합니다.
반면에 소성(塑性)은 물체가 외력을 받으면 변형되지만, 외력을 제거해도 원래의 형태로 돌아가지 않고 변형이 남아 있는 성질을 가리킵니다. 소성은 영구 변형을 일으키는 물질의 특성을 포함하며, 점토와 같은 재료에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 점토를 손으로 만지면 모양이 변하고, 손을 치워도 그 모양이 유지되는 것이 소성의 전형적인 예입니다. 소성은 금속 가공에 주로 활용되며, 자동차 부품과 같은 강재의 가공에 널리 사용됩니다.
탄성과 소성의 차이
탄성과 소성의 가장 큰 차이는 변형 후 물체의 복원 여부입니다. 탄성 변형은 가역적이며, 외부 자극이 제거되면 원래의 형태로 복구됩니다. 예를 들어 용수철은 힘을 가하고 제거했을 때 원래 모양으로 돌아오는 대표적인 탄성체입니다. 반면 소성 변형은 비가역적이며, 외부 자극이 제거되어도 변형된 상태를 유지합니다. 이러한 특성은 다양한 재료의 가공 방식에 중요한 영향을 미칩니다.
금속 재료는 탄성과 소성을 동시에 지니고 있습니다. 일정 한도까지는 탄성을 나타내지만, 그 한도를 초과하면 소성으로 변하여 영구 변형이 일어납니다.
탄소강(Fe3C)의 소성 성질
탄소강은 탄소 함량에 따라 성질이 달라지는 대표적인 재료입니다. 탄소강의 소성은 강도, 경도, 인성을 증가시키며, 고온에서 결정 입자의 성장을 방해하는 특성을 가지고 있습니다. 또한 소성을 증가시키고 주조성을 향상시키며 담금질 효과를 크게 합니다.
탄소강은 주로 탄소 함량이 0.05%에서 2.1% 사이인 철을 말하며, 이 범위를 초과하는 탄소 함량은 실용적으로 사용되지 않습니다. 탄소강의 소성 변형은 크리프라고 하며, 많은 압축이 필요합니다. 열처리는 가능하지만 기계 가공이나 용접은 어려운 특성을 가지고 있습니다. 따라서 기계적으로 절단하기 전에 반드시 담금질이 필요합니다.
탄소강의 탄성 성질
탄소강의 탄성 계수는 실온(25℃)에서 190~210GPa로 측정됩니다. 이 탄성율은 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있습니다. 탄소강의 기계적 성질은 탄소 함유량, 열처리, 기계 가공의 차이에 따라 상당히 변화합니다. 일반적으로 탄소 함량이 증가할수록 인장강도와 경도는 증가하지만, 연신율과 충격값은 감소합니다. 또한 세로 탄성 계수, 가로 탄성 계수, 푸아송 비는 탄소 함유량에 관계없이 일정하게 유지됩니다.
적절한 열처리 또는 냉간 인발 경화 후 고탄소강은 강도와 경도가 높아지며, 탄성 한계와 피로 한계도 높아지는 경향을 보입니다.
결론
오늘은 탄성과 소성의 개념 및 탄소강(Fe3C)에서의 특성에 대해 알아보았습니다. 결론적으로, 탄소강의 소성과 탄성은 탄소의 함량에 크게 영향을 받습니다. 적절한 수준의 탄소 함량을 유지할 때 강철의 소성과 탄성은 최적화되어, 다양한 산업에서 널리 사용될 수 있는 이유 중 하나가 됩니다. 이러한 이해는 재료의 선택과 가공 방법을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.