재료가 탄성한계를 넘으면 왜 원래 모양으로 되돌아가지 못하나요?

Question

재료역학에서 응력-변형률 곡선을 배우는데, 탄성영역에서는 힘을 빼면 원래대로 돌아가는데 탄성한계를 넘으면 영구변형이 남는다고 해요. 왜 이 지점을 기준으로 재료의 반응이 이렇게 달라지는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

재료에 힘을 가하면 처음에는 원자 사이의 결합이 고무줄처럼 늘어났다 줄어드는 탄성 변형을 일으키지만 탄성한계를 넘어서는 순간 원자층이 슬립 현상에 의해 미끄러지며 이전과 전혀 다른 위치의 새로운 원자와 결합을 형성하는 소성 변형이 일어납니다. 힘을 제거하면 늘어났던 원자 간 거리는 복원되지만 이미 원자 배치가 영구적으로 어긋나 버린 위치 자체는 되돌아오지 못하므로 영구 변형이 남게 됩니다 결국 탄성한계는 원자들의 단순 결합 길이 변화 영역에서 원자층 자체의 영구적인 위치 이동 영역으로 넘어가는 상전이점 역할을 하기 때문에 재료의 반응이 완전히 달라집니다

Answer 2

탄성한계를 넘으면 재료 내부의 우너자 배열이 원래 자리에서 조금씩 영구적으로 이동합니다. 그래서 원래 모양으로 돌아가지 못하게 되죠.

탄성영역에서는 힘을 받아도 원자 사이의 거리가 잠시 변했다가 힘을 제거하게 되면 다시 원래 위치로 돌아옵니다. 그러나 탄성한계를 넘으면 금속내부의 결정 결함인 전위라는 것이 움직이기 시작하면서 원자층이 서로 미끄러지게 됩니다.

이 움직임은 힘을 없애도 그대로 남기 때문에 재료에 영구적인 변형이 생깁니다. 이를 소성변형이라고 하죠.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

늘리는 것과 미끄러 뜨리는건 다르기 때문인데, 탄성한계 안쪽에서 힘을 주면 원자와 원자를 잇는 결합이 스프링처럼 살짝 늘어나요. 원자 자리는 그대로고 간격만 벌어진 상태라 힘을 빼면 스프링이 되돌아가듯 원래 간격으로 돌아오죠. 그런데 탄성한계를 넘으면 원자층 하나가 통째로 옆으로 한 칸 미끄러져요. 옆자리에서도 원자는 똑같이 안정적으로 결합하니까 굳이 돌아갈 이유가 없고 그게 영구변형으로 남는 거예요.

책장을 밀어보면 살짝 힘줄 땐 기울었다 제자리로 오지만 세게 밀면 바닥에서 미끄러져 그 자리에 그대로 서 있잖아요. 보통은 이 그림 하나로 탄성과 소성이 갈리는 지점이 잡혀요 :)