권*표 교수님

안녕하세요. 글로는 답변하기 어려울 정도로 재료에 대한 많은 이해를 필요로 하는 질문입니다. 간단하게 말씀드리자면, 모든 재료는 탄성과 소성을 지니고 있죠. 이 세상에 완전 탄성체란 존재하기 매우 어려울 겁니다. 

 

지금 질문에 소개된 물성치의 개념이 탄성(Elasticity)과 연성(Ductility)인데요. 먼저 재료의 성질은 탄성과 소성(Plasticity)로 나누고 들어가겠습니다. 탄성은 말 그대로 힘을 가하면 변위가 생기고 힘을 빼면 변위가 0이 되어 완벽하게 원래의 상태가 되는 성질을 말하고, 소성은 힘을 빼면 변위가 0이 되지 않고, 변형이 영구적으로 발생하는 성질을 말합니다.

 

일단 학생분께서 탄성체라는 개념을 마치 탱탱볼처럼 탱탱거리는 느낌이나 용수철처럼 늘어났다 줄어들었다 하는 개념으로 생각하실 수도 있을 것 같은데요. 질문에 대한 직접적인 답변을 드리자면, 세상에 존재하는 대부분의 물질은 탄성의 성질을 지닌다고 볼 수 있습니다. 극단적으로 쉽게 쪼개지는 도자기와 같은 세라믹 또한 원자끼리 공유결합으로 결합되어 있고, 아주 적지만 약간의 탄성변형을 할 수 있어 탄성체라고 볼 수 있습니다. 물론 제대로 이해하기 위해서는 Fracture Toughness라는 파괴역학에서 나오는 개념 또한 아셔야 합니다.

 

원자간의 결합은 여러가지 힘으로 되어 있는데, 예를 들어 van der Waals, electrostatic 등과 같은 힘이 있습니다. 이 힘에 의한 결합이 끊어지지 않는 힘의 한도 내에서 힘이 가해질 때 각 원자간의 간격이 늘어나면서 물체는 변형하고, 힘이 사라지면 다시 에너지가 최소가 되는 지점으로 돌아가 원상태가 될 겁니다. 이를 우리가 탄성변형이라고 하죠.

 

소성변형의 경우, 엿가락이나 찰흙처럼 힘을 가하고 힘을 뺐다 하더라도, 그 형태가 원상태로 돌아오지 않는 경우를 말합니다. 플라스틱의 경우, 원자간의 결합으로 물체가 구성되어 있다기 보다는 원자간의 결합으로 구성된 수많은 고분자들로 구성되어 있는 라면?과 같은 물체입니다. 때문에 이 라면과 같은 고분자 가닥들이 힘을 가했을 때 변형되고, 힘을 뺐다 하더라도 엔트로피 등의 여러가지 제약에 의해 원상태로 돌아오지 못하고 영구적인 변형을 가지게 되죠. 이를 우리는 소성변형이라고 합니다.

 

재료에 대해 유튜브나 위키피디아로 공부하시면 제가 설명한 내용보다 더 자세하고 쉽게 설명되어 있을 거라고 생각합니다. 관심을 갖고 꾸준히 공부하다 보면, 재료의 여러 성질에 대한 감이 잡힐 겁니다. 질문에 대한 답이 되었기를 바랍니다.

• 2019-10-21
• 2024-12-12 수정