안녕하세요? 여러분 @smartcucum입니다.

오늘은 생활속에서도 찾을 수 있는 소성 이야기를 들고 왔어요. 소성공학은 기계과에서 보통 3학년 이상이 배우는 것으로 상당히 고급역학에 속해요. 수식을 분석하고 모델링하는 것은 어렵지만 소성의 기본 이론은 그렇게 어려운 것이 아니랍니다.

이 글을 읽으시고 소성이란게 참 별거 아니구나? 공학이란 우리 삶에서도 쉽게 찾아볼 수 있는 것들이구나! 라는 사실을 알고 가시면 여한이 없겠습니다.

인간과 재료의 관계

위의 그림을 보시면 어떤 사람이 스트레스를 받고 있습니다.
우리 인간은 stress를 발생시키는 원인들을 지속적으로 받는 공간에 노출되게 되면 이를 대항하기 위해(원래의 상태로 돌아가기 위해) 스트레스 작용을 일으킵니다.
아래의 선행학습을 시작으로 소성에 대해서 이야기해보고자 합니다.

선행 학습

외부의 스트레스 요인이 인간에게 가해지면 인체 내부에서 스트레스(stress) 작용이 일어나는 것입니다!

자 그러면 철, 알루미늄, 합금같은 금속 재료는 어떨까요?
물질들이 힘을 받으면 물질 내부에서도 뭔가 저항하려는, 변화하기 싫어하는 어떠한 작용이 생깁니다. 기계공학(혹은 재료과학 및 공학)에서도 이것을 의학과 마찬가지로 스트레스(stress)라고 합니다.

인간은 뭔가 몸 속에 스트레스가 생기면 심적으로 그리고 육체적으로 그에 대응하는 반응을 보여요. 아프다던지 집중이 잘안된다던지 괜시리 허리가 아프다던지 말이죠.
제가 시험기간에 항상 허리가 아픈데 시험이 끝나면 이상할만큼 싹 낫습니다.

재료는 어떨까요? 인간은 스트레스 받을 때마다 해부해볼 수 없지만 재료는 그렇지 않습니다. 왜냐하면 무생물이기 때문이죠. 무생물은 생명윤리에 저촉되지 않습니다. 😊
그래서 재료들마다 공학자들은 실험을 해봤어요. 주구장창 땡겨보는 겁니다.
초기 재료의 길이를 측정후 재료의 길이의 변화에 따라서 재료의 스트레스를 측정하는 것입니다. (1cm 당기고 스트레스가 생겼구나. 2cm 당기고 스트레스가 또 생겼구나~)

아래의 그림을 보시지요. 재료를 당긴 후 스트레스 측정 결과 데이터입니다.

그래프 읽는 법

x축만큼 땡겼더니 y축만큼의 stress가 재료 내부에 발생하였다. 초기상태(원점)는 x축과 y축이 만나는 지점입니다.

탄성 영역

실험 결과를 하다보니 엔지니어들은 위의 그래프에서 신기한 사실을 발생하였어요. 바로 직선인 부분에서는 재료를 당겨도 원점(Origin)으로 돌아간다는 사실을 알아냈죠. 우리 엔지니어들은 이 직선부분을 탄성영역이라고 부릅니다. 네, 고무줄이 탄력있다고 하죠? 그것입니다. 실제로 용수철 상수가 이 기울기랑 밀접한 관계가 있어요.

소성 영역

저기 Yield라고 보이시나요? 뭔가 특별하니까 네이밍했겠죠?
Yield점 이상을 넘어가면 재료는 더 이상 원점으로 돌아가지 못해요.
대신 탄성영역의 기울기를 만들면서 내려오죠. 즉, 원점에 도달하지 못합니다.
이를 영구 변형이라 합니다.
바로 저 Yield라는 부분이 소성이 발생했느냐 발생하지 않았느냐를 결정하는 핵심 부분입니다.
한국말로는 항복이라고 합니다. 항복점을 넘어간다면 우리는 이것을 소성 영역이라고 부릅니다.

탄성 영역이란 재료에 힘을 가하고 놓았을 때 다시 원래대로 돌아가는 것!
소성 영역이란 재료에 힘을 가하고 놓았을 때 다시 원래대로 돌아가지 못하는 것!
그래서 영구변형!

재료를 자꾸 땡기고 괴롭히다 보니 재료가 “항복”한거라고 생각하시면 되요.

아이고오오 부장님~~

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머리카락을 이용한 소성 쉽게 이해하기

자 제가 머리카락을 뽑아보았습니다. 오늘의 관찰 대상은 머리카락에요. 사실 머리카락이 소성을 일으킨다는
자료는 본적도 없고 들어본적도 없습니다. (하지만 고분자들 역시 소성과 탄성 성질이 존재한다고 들어서 이 또한 가능성이있지 않을까 생각합니다.)제가 그동안 학부에서 배워온 것은 금속에 대해서만 배웠으니까요. 하지만 머리카락을 가지고 소성을 이해하는 것은 굉장히 쉽답니다.

머리카락을 뽑아보면 좌측 모양처럼 제대로 뽑힐 때가 있고 우측 모양처럼 꾸불꾸불 뽑힐때가 있어요. 머리카락으로 소성이 어떤건지 금속을 직접 관찰해 보지 않아도 느껴볼 수 있어요.

사실 머리카락을 뽑았을 때는 평상시 머리카락과 다를 바가 없었습니다.
이때는 살짝살짝 당기면 원래대로 돌아가요.
그런데 머리카락을 쎄게 당겨버렷더니 꾸불꾸불해져버렷네요?
네, 머리카락이라는 재료가 갑작스런 힘을 너무 받다 보니 ‘항복’한것입니다.
다시 돌아갈 수 있을까요? 없습니다!!

이제 여러분들은 소성학의 핵심을 다 배우신것이에요. 이론도 배우시고 관찰도 하셨으니까요.

정리하면요

금속 재료에 힘을 줬는데 원래대로 돌아간다. -> 탄성
그런데 특정 점이상에서 힘을 줬는데 원래대로 돌아가지도 못한다.
-> 소성
하지만 소성상태가 발생되면 원래의 상태로 돌아가지 못합니다!
<영구변형>
특정한 그 점을 뭐라고 한다구요? <항복점> 재료가 두손 두발 다 들어버린겁니다!

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소성의 장점

그렇다면 도대체 왜!!? 엔지니어들은 재료를 항복점을 넘겨서 영구변형을 일으켜 소성이 발생하도록 하는거죠? 왜 이러한 학문이 발달하게 되었을까요? 분명히 자연 그대로인 상태가 좋을 것같은데 말이죠.
기본적으로 어떠한 금속 재료가 고체라면 이전의 액체의 상태가 굳어서 만들어진 것일 겁니다.

액체가 고체로 상변화를 겪으면서 위와 같은 결정들을 만들어내요. 이러한 결정 내에는 '전위'라는 것이 존재합니다. 이러한 전위는 쉽게 말해서 결함을 의미해요. 친구들끼리는 결함이 와닿지 않아 구멍,왜곡, 상처 뭐 이런 이야기를 나눈 기억이 있네요. 얼음을 얼려보면 모든 곳들이 완벽하게 어는 것이 아니죠? 안에 공기도 들어가있고 때론 크랙도 존재하구요. 이러한 결함들이 재료 내에서 존재해야만 소성이 쉽게 발생됩니다. 결함을 기준으로 미끌어지거든요.

재료에 강력한(항복점을 넘어가는) 힘이 가해지게 되면 위의 결정입들 안에 있는 전위(결함)들이 계속 생겨나게 됩니다. 이러한 상처들이 얽히고설키게 되요. 그러다 어느 순간에는 상처들 서로가 서로를 지지하게 되는 순간이 옵니다.

<전위(결함) 방향을 ㅗ로 표시합니다. 점선의 수평방향으로 미끄럼이 일어나요.>

즉, 전위(결함)의 미끄러지는 운동이 제한되게 됩니다.
(복잡하게 얽힌 철사를 생각하시면 되겠습니다. 하나 있을 땐 움직이기 쉬웠지만 다른 철사와 계속 얽히고설키다가 복잡하게 꼬여버리면 오도가도 못하죠)
정리해보면 항복점 이상의 힘이 재료에 가해지면(소성 영역에 도달하면)

재료가 더 변형하기 위해서는 스트레스가 더 많이 필요하다는 뜻입니다.
미시적으로 해석하면 전위(결함)가 미끌어지기 위해서는 더 큰 힘이 외부에서 작용해야합니다.

자 이게 무슨 말일까요? 네 맞습니다. 소성이 발생되면 재료는 더 단단해진다는 말이죠? 기존의 힘으로는 변형시킬 수 없으니까요! 즉, 재료가 강화됩겁니다. 띠링 +1강 성공하셨습니다.

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“나도 이제 소성을 배웠다 이거야!? 근데 이게 도대체 어디 쓰이는데?”

소성은 지금 여러분 주변에 있는 모든 공산품에서 쓰입니다.
기존에 있던 재료는 그 성질의 한계가 존재합니다. 하지만 엔지니어들은 우리 인간들을 위해 더욱더 유용한 재료를 만들고 싶었던거에요. 강철이 있는데 이 강철을 더욱 더 강하게 더욱 더 질기게 더욱 더 유연하게 만들고 싶었던 거죠.

그래서 선대 공학자들은 재료에 일정한 힘을 주거나 때리거나 뜨겁게하거나 차갑게하거나 하면서 재료의 성질을 변화시켰습니다. 모두들 드라마 '주몽'의 모팔모 기억하시죠?
바로 그거에요. 모팔모가 하려던게 바로 소성입니다. 재료를 때리고 지지고 볶고하다보니 한나라의 강철검에 맞설수 있게 된거죠.

고구려의 위대한 엔지니어 모팔모(가상캐릭터)를 보시겠습니다. 2분 50초부터 보시면됩니다!

"초강법이란 결국 철강석을 어떻게 녹여내느냐에 따라 다를 것입니다."
제 귀에는 이렇게 해석되네요.
<강력한 철을 만드는 비법이란 재료를 어떻게 지지고 볶냐에 따라서 다를 것입니다. 그것이 소성이니까요!!>

오늘 하루 힘드셨나요?? 그렇다면 소성을 생각하셔요! 재료가 스트레스를 받으면 점점 더 강해지면서 많은 이들에게 필요해지듯이 사람도 마찬가지라고 생각합니다. :)

읽어주셔서 너무나도 감사드립니다.

<저번 진동 이야기보다는 살짝 이해하기가 힘드실 수가 있다고 생각해요. 이번에 포스팅한건 약간의 전공지식이 가미되었습니다. 혹시 이해하기 어려우셨다면 더 쉽게 준비하도록 하겠습니다. 많은 피드백 부탁드려요.>