재료에 대한 연구의 증가는 현대 제조업의 성장에 주요 기여 요인이며 CNC 가공에서는 가공 가능한 소재의 종류도 늘어나고 있습니다. 이번 글에서는 강도, 강성 및 경도의 핵심 재료 특성에 따른 제조 과정에서 어떻게 다른지 살펴보도록 하겠습니다.
강도, 강성, 경도: 왜 중요한가요?
재료 특성은 외부 힘에 대한 반응(모양과 형태가 어떻게 변하는가)을 결정하는 모든 재료의 특성이며, 재료의 특성에 따라 재료가 연질, 경질, 연성, 전도성 등으로 분류됩니다.
강도, 강성 및 경도는 CNC 가공용 재료와 관련하여 가장 중요한 세 가지 재료 특성입니다.
이는 절단 도구의 작용에 따라 재료가 어떻게 작동하는지 정의하는데 실제로 이 세 가지 특성만으로 재료를 ‘절단하기 어려운’ 재료로 분류하는 것이 가능합니다.
1. 재료 강도란?
강도는 틀림없이 엔지니어링 응용 분야에서 가장 중요한 기계적 특성으로 엔지니어가 설계에 사용할 재료를 선택할 때 확인하는 첫 번째 사양입니다.
가장 단순한 의미에서는 외부 힘이 작용할 경우 재료가 얼마나 변형되는지를 결정하기 때문에 재료가 강할수록 변형이 적다고 할 수 있습니다.
이를 더 자세히 설명하기 위해 응력-변형률 곡선을 보여드리겠습니다.
보시다시피 단 하나의 그래프에 많은 정보가 포함되어 있죠. 처음에는 이해하기가 다소 어려울 수 있지만, 다루기 쉬운 부분으로 나누어 보겠습니다.
먼저, 그래프의 축이 나타내는 특성인 응력과 변형의 개념을 간략하게 소개하겠습니다.
응력은 단위 면적당 힘으로 재료에 가해지는 힘이 클수록 응력도 커집니다.
반면에 변형률은 단위 길이 당 재료의 변형이라서 이는 응력을 받는 재료의 반응을 측정하는 것입니다.
그래서 응력과 변형률은 직접적인 관계를 가지고 있습니다. 하나가 증가하면 다른 하나도 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
하지만, 힘이 물체에 적용되는 방식에 따라 다양한 유형의 응력이 있다는 점에 유의해야 합니다.
2. 항복 강도란?
항복강도는 항복점 이전의 재료의 강도로써 재료가 탄성으로 변형되기 전의 응력-변형률 곡선 상의 지점입니다.
즉, 응력을 제거하면 원래의 모양을 회복하게 됩니다. 하지만, 이 지점 이상으로 응력이 가해지면 재료는 영구적인 소성 변형을 겪게 되며, 이는 하중이 제거되더라도 사라지지 않습니다.
당연히 항복 강도는 설계 엔지니어에게 가장 관련성이 높은 속성인데 이런 소성 변형은 대부분의 제품에 불리하기 때문입니다.
3. 최대 인장 강도란?
최대 인장 강도(UTS)는 재료가 달성할 수 있는 최대 인장 응력을 정의하는 응력-변형 곡선의 또 다른 지점입니다.
이는 소성 변형 영역에서 발생하며 이후 재료가 파손 방향으로 움직이기 시작하는 지점을 나타냅니다.
설계 관점에서 부품이 소성 변형될 것으로 예상되는 경우 이는 응력을 측정하는 중요한 척도입니다.
일반적으로 과도한 변형과 파손을 방지하려면 응력이 최대 인장 강도보다 훨씬 낮은 수준으로 유지되어야 합니다.
4. 파괴강도란?
파괴 강도는 재료가 완전히 파손되어 부서지기 시작하는 응력 값입니다. 이는 극심한 스트레스 지점이기 때문에 설계 단계에서는 반드시 피해야 합니다.
가공에서 파괴강도를 나타내는 좋은 예로 공구 파손을 들 수 있으며 절삭 공구에 과도한 응력이 가해지면 절삭 날이 떨어져 나가 쓸모없게 됩니다.
5. 압축강도란?
위에서 설명한 것처럼 부품에 응력을 가하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
위에서 설명한 것은 오로지 인장 응력에만 기반을 두고 있었으나 대부분의 재료는 다른 종류의 응력 하에서도 유사하게 작용합니다.
압축 강도는 압축력을 받는 재료의 강도입니다. 동작은 동일하며 재료는 압축 하중 하에서 변형되고 마지막으로 특정 응력 값에서 분해되기 시작합니다.
일반적으로 압축 강도는 인장 강도보다 높습니다. 재료를 늘리는 것보다 압축하는 것이 더 어렵기 때문인데요.
엔지니어링 설계에서는 부품에 압축력이 가해지는 것이 중요한 특징입니다. 그 예로는 유압 프레스, 기둥, 자동차 서스펜션 시스템 등이 있습니다.
재료 강성이란 무엇일까?
강성은 엔지니어링 설계 및 제조와 매우 관련이 있는 또 다른 재료 특성입니다.
기본적으로 이는 힘의 작용에 따른 재료 변형 속도를 측정한 것이기 때문에 강성이 높은 재료는 덜 단단한 재료보다 변형이 적습니다.
응력-변형률 곡선을 참조하면 강성은 응력(힘) 변화와 변형률(변형) 사이의 비율입니다.
탄성영역의 강성만을 고려하면 ‘탄성계수’라고도 합니다. 이는 탄성 변형 영역의 모든 지점에 적용되는 상수 값입니다.
여러분들에게 강성의 개념을 더 쉽게 이해할 수 있도록 Hooke의 법칙을 살펴보겠습니다.
강성은 스프링에 가해지는 힘과 그 힘에 반응하는 스프링의 신장 사이의 비율로 정의되기 때문에 위 그림에서 k는 강성이라고 할 수 있습니다.
알 수 있듯이 스프링의 확장이 높을수록 강성이 약해집니다. 이는 ‘강성’이라는 용어에 대한 일반적인 이해와도 일치한다고 할 수 있습니다.
1. 가공 강성 – 절삭 공구 휘어짐
강성에 대한 논의를 가공 세계의 실제 사례로 알아보겠습니다.
절삭 공구는 절삭 공정에서 발생하는 절삭력을 사용하며 변형되지 않을 만큼 견고해야 하는데 작은 변형은 괜찮지만 큰 변형은 부품의 공차를 저하시키고 공구를 파손시킬 수도 있습니다.
결과적으로 엔지니어는 도구를 선택하기 전에 자신의 지식을 적용하여 도구가 허용 가능한 한도 내에서 편향되는지 여부를 확인합니다.
재료 경도란 무엇일까?
경도는 국부적인 영구 변형에 대한 재료의 저항성을 측정한 것으로 일반인의 관점에서 이는 압입, 긁힘, 마모와 같은 표면 변형에 대한 재료의 저항입니다.
재질이 단단할수록 긁힘이 더 어렵다는 것은 알고 계시죠? 그래서 경도가 높고 가공 엔지니어들이 사용하고 싶어 하면서 또 널리 사용되는 소재는 다이아몬드라고 할 수 있습니다.
경도는 엔지니어링 결정을 내릴 때 고려해야 할 핵심 재료 특성입니다.
예를 들어 기계 가공에서는 초경이나 PCN과 같은 경질 절삭 공구 소재만이 티타늄과 같은 절삭이 어려운 소재와 호환됩니다.
또한, 고속도강과 같은 부드러운 재료는 단단한 금속에서는 바로 파손될 수 있습니다.
강도, 강성, 경도: 차이점은 무엇일까?
강도, 강성 및 경도는 대부분 엔지니어링 응용 분야에 대한 재료의 적합성에 충분합니다.
이것은 다른 물질적 소유자가 어떤 식으로든 불필요하다는 것을 의미하는 것이 아니라 특정한 경우에만 관련성이 있다는 것입니다.
이 세 가지 속성 사이에는 특정한 관계도 있습니다.
예를 들어, 인장 강도와 경도는 직접적인 관련이 있는 것으로 입증되는 경우가 많고 경도가 높다는 것은 일반적으로 강도가 높다는 것을 의미합니다.
강도와 강성 관계에도 비슷하게 적용되며 강한 재료는 대부분 더 단단하기 때문에 위의 절삭 공구 편향 예의 경우처럼 변형을 낮추고 싶을 때 강한 재료를 선택하는 것입니다.
하지만 이것은 그렇게 힘든 선택이 아닙니다. 예를 들어, 유리와 같은 부서지기 쉬운 재료는 단단하지만 강하지는 않죠.
즉, 하중이 가해지면 그다지 변형은 안 되지만 매우 빠르게 소성 변형 영역에 들어가 파손이 됩니다.
이러한 재료 특성은 별도로 평가하는 것이 가장 좋습니다.
일반적으로 논의된 것과 같은 기본 관계는 직접 추론할 수 있지만, 그렇게 할 때 엔지니어는 주의를 기울여야 하며 특정 재료 선택에 대한 가정의 정확성을 항상 다시 확인해야 합니다.
마무리
기계 가공 및 설계 엔지니어링에서 재료 특성의 기본 원리는 다양한 제품 및 구조의 성능, 신뢰성 및 안전성을 형성하는 데 중요한 역할을 합니다.
강도, 강성 및 경도는 하중을 지탱하는 부품을 설계하고 재료를 선택할 때 고려해야 할 주요 특성이라고 할 수 있습니다.
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