기계 설계: 재료(1)

기계요소나 구조물의 크기를 경 절하기에 앞서 그 표를 선정하는 것이 설계항목의 하나이다. 설계자가 사용할 재료와 가공 방법을 결정하기 위해서는 재료의 기계적 성질과 파손 형태를 잘 알아야 한다. 재료의 기계적 성질과 파손 형태는 재료에 작용하는 하중과 온도에 따라 달라진다. 재료에 작용하는 하중은 정하중과 동 하중으로 나누어지는데, 정하중은 시간에 따라 크기와 방향이 변하지 않는 하중이고 동 하중은 시간에 따라 크기와 방향이 변하는 하중이다. 또한 동 하중은 하중이 짧은 시간 동안에 작용하는 충격하중과 긴 시간 동안에 되풀이해서 작용하는 반복하중이 있다. 한편 재료의 사용온도는 대체로 상온과 고온으로 나눌 수 있다. 재료의 사용 조건에 따른 기계적 특성을 파악하기 위해 규정된 시험을 하게 된다. 정하중을 받는 재료는 주로 상온에서 인장시험을 하게 되고, 필요에 따라 압축시험도 한다. 동 하중을 받는 재료는 충격하중의 경우에는 충격시험을, 반복하중의 경우에는 피로시험을 하게 된다. 한편 고온에서 정하중을 받는 경우에는 크리프시험을 하게 된다. 이하에서는 앞에서 언급된 시험에 따른 재료의 기계적 성질과 파손을 성명하고자 한다. 재료의 성질 중 기계적 성질은 기계 부품에 작용하는 힘에 관련된 것으로 재료가 힘에 저항할 수 있는 능력을 의하는 강도(strength)와 강상(rigidity)이 대표적이다. 그 밖에 경도(hardness), 연성(ductility), 탄성계수(elastic modulus), 프와송비(Poisson's ratio) 등이 있다. 

구조물이나 기계 부품의 최저 고유진동 주기의 1/3보다 짧은 시간에 외력이 작용할 때, 이를 충격하중이라 하며 그 밖의 경우는 단순히 정하중이라고 한다. 재료에 충격하중이 작용할 경우의 재료 하중 부담 능력을 결정하기 위하여 샤르피와 아이모드 충격시험을 수행한다. 이 시험에서는 일정한 높이에서 진자를 떨어뜨려 시편을 타격시킨 후, 진자의 상승 높이를 측정하여 충격치로 시편에 흡수된 에너지를 계산한다. 충격치가 급격히 변화하는 좁은 영역의 위험 온도를 주의해야 한다. 저온 영역에서는 재료가 취약해져서 잘 부서지므로 충격치가 작고, 위험 온도 이상의 영역에서는 질겨서 충격치가 높아진다. 이런 위험 오는 재료와 요철부의 형상에 따라 달라지므로 제품을 설계할 때는 실제 조건에 맞는 충격시험을 해야 한다.

기계를 구성하는 재료가 어느 정도 이상의 고온에서 일정 하중을 걸어서 오랜 시간 놓아두면, 재료 내의 응력을 일정함에도 그 변형률은 시간이 지남에 따라 증가하는 크리프 현상이 발생한다. 여기서 고움이라 하는 것은 재료의 융점 절대온도의 1/3 이상의 온도를 의미한다. 최근 제트 엔진, 가스터빈 및 로켓, 고압방전 보일러 등과 같이 고온에서 작동하는 재료에서는 크리프 현상이 중요한 문제로 부각되고 있다. 크리프 현상은 온도가 재료의 융점에 가까울수록 뚜렷하며, 융점이 327도인 납(Pb)과 같은 저융점 금속에서는 상온에서도 크리프 현상이 크게 나타나지만, 융점이 높은 탄소강에서는 대체로 250도 이상에서 크리프 현상이 나타나기 시작하여, 350~400도 이상에서 극에 달하게 된다. 크리프시험은 온도를 일정하게 유지하고, 일정한 응력에서 변형률과 시간과의 관계를 구하는 방법을 채용하고 있다. 

파손은 부품이 두 개 또는 그 이상으로 분리되거나 모양이 비틀려서 그 기능을 제대로 할 수 없게 된 상태를 말한다. 성계 자사 기계 부품을 제대로 설계하기 위해서는 파손의 형태와 그 가능성을 잘 알 수 있어야 한다. 파손은 정하중 상태에서 발생하는 정적 파손과 동 하중 상태에서 발생하는 피로 파손으로 나누어진다. 

기계 부품에 정하중이 하나만 작용할 경우에는 직접 그 시험을 통하여 파손을 예측할 수 있다. 그러나 기계요소에 인정, 압축, 비틀림, 굽힘응력 등의 정하중이 복합적으로 작용할 경우, 파손을 예측하는 것은 비용이 많이 들기 때문에 실험이 어렵다. 따라서 파손이론을 이용하여 기계 부품의 파손을 예측하여야 한다. 정하중 상태에서 금속재료의 파손이론은 재료의 변형 거동이 연성인가 메짐성인가에 따라 적용이 달라진다. 연성재료는 인장 시편의 단면감소율이 5% 이상인 것으로 인장강도와 압축강도가 동일하지만, 취성재료는 인장 시편의 단면감소율이 5% 미만인 것으로 압축강도가 인장 간도보다 훨씬 큰 값을 가진다. 일반적으로 잘 쓰이는 파손이론은 다음과 같다. 

최대 전단응력 이론은 기계 부품의 최대 전단응력이 단순 인장 시편에서 항복이 일어날 때의 최대 전단응력과 같을 경우, 항복이 일어난다는 이론이다. 이 이론은 연성재료의 미끄럼 파손에 적용되는 것이므로 기계요소의 강도 설계에 가장 많이 사용된다. 

전단변형 에너지 이론은 기계 부품의 변형에너지는 체적의 변형에너지와 전단변형 에너지로 구성된다. 이 중 기계 부품의 전반 변형에너지가 단순 인장 시편에서 항복이 일어날 때의 전단변형 에너지와 같을 경우, 항복이 일어난다는 이론이다. 이 이론은 연성재료의 미끄럼 파손에 가장 잘 일치한다.

최대 주응력 이론은 기계 부품의 최대 주응력이 단순 인장 혹은 압축 시편의 최대 주응력과 같을 경우 파단이 일어난다는 이론이다. 그런데 단순 인장 혹은 압축시험의 최대 주응력은 그 극한강도인 인장강도나 압축강도와 같다. 

기계과 구조물에서는 반복하중을 받는 곳이 아주 많으며, 그 반복 회수가 많아지면 극한강도보다 작고, 경우에는 따라서는 항복강도보다도 작은 값에서 파단이 일어나는 모습을 피로 파손 또는 피로파괴라고 한다. 이 피로 파손의 과정을 살펴보면 반복하중이 작용할 때 한점에서 아주 미세한 균열 발생과 함께 응력집중이 일어나고, 균열이 아주 빠르게 전파되어 재료가 갑자기 끊어지게 된다. 이와 같은 피로 파단에서는 연성재료도 취성재료와 같이 거의 소성변형이 없이 끊기는 특징을 지니고 있다. 특히 정 적하 중에 의한 연성재료의 파손은 파단이 발생하기 전에 큰 변형이 수반되므로 부품을 교환할 수 있으나, 피로 파손은 경고 없이 갑자기 한꺼번에 생기므로 위험하다.