재료는 왜 단단할수록 잘 깨지는 경향이 있나요?

Question

경도가 높은 재료가 충격에 약하고 인성이 높은 재료는 부드럽다고 배우는데, 두 성질이 서로 반대로 움직이는 이유가 궁금합니다..

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

경도는 재료가 영구 변형에 버티는 정도이고, 금속에서 영구 변형은 결정 속 선결함인 전위가 미끄러지며 일어나요. 그래서 재료를 단단하게 만드는 방법은 대부분 전위의 움직임을 막는 쪽이에요. 합금 원소를 녹여 넣고, 미세한 석출물을 박아 넣고, 담금질로 마르텐사이트를 만드는 게 모두 그래요.

인성은 깨질 때까지 흡수하는 에너지예요. 재료에 미세한 균열이 있으면 끝에 응력이 몰리는데, 무른 재료는 균열 끝 주변이 소성 변형하며 끝이 뭉툭해지고 그 과정에서 많은 에너지를 열로 써버려요. 이 소성 영역의 크기는 항복강도의 제곱에 반비례해서, 단단할수록 균열 끝에서 변형할 여유가 줄고 응력이 그대로 집중돼 균열이 적은 에너지로도 뻗어나가요. 경도를 올린 바로 그 메커니즘이 인성을 깎아먹으니 두 성질이 반대로 움직여요.

세라믹은 이온·공유결합이라 전위가 거의 움직이지 못해 매우 단단하지만, 파괴인성이 3~5MPa√m 정도로 강철의 수십분의 1이에요. 그래서 공구강은 담금질로 경도를 최대로 올린 뒤 뜨임으로 경도를 조금 내주고 인성을 되찾는 식으로 균형을 맞춰요.

그런데 결정립을 미세하게 만들면 입계가 전위와 균열을 함께 막아 강도와 인성이 같이 올라가고, 지르코니아는 균열 끝에서 상변태로 부피가 늘며 균열을 조여 세라믹치고 인성이 높아요 :)

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

재료가 단단하다는 것은 눌리거나 긁혀도 쉽게 변형되지 않는 다는 뜻인데, 그만큼 내부에서 원자층이 움직이기도 어렵다는 뜻입니다.

충격을 받았을 때 조금 휘거나 늘어나면 힘을 분산할 수 있지만, 너무 단단한 재료는 변형이 적어 힘이 한곳에 몰리기 쉽상입니다. 그래서 작은 균열이 생기면 그 주변이 버티며 늘어나기보다는 균열이 빠르게 퍼져 갑자기 깨져버리는 것입니다.

반대로 인성이 높은 재료는 어느 정도 변형되면서 충격 에너지를 흡수하기 때문에 쉽게 깨지지 않습니다. 경도는 변형에 버티는 성질이고 인성은 깨지기 전까지 에너지를 얼마나 견디느냐의 성질이라 서로 반대로 보이는 경우가 많을 것입니다.

Answer 3

안녕하세요.

단단하다는 것은 표면이 눌리거나 긁히는 데 잘 버틴다는 뜻이고, 인성이 높다는 것은 충격을 받아도 쉽게 깨지지 않는다는 뜻이에요.

세라믹처럼 단단한 재료는 내부에 미세한 균열이 생겼을 때 균열이 잘 퍼져 갑자기 깨질 수 있어요. 반면 일부 금속은 힘을 받으면 내부 구조가 변형되면서 충격 에너지를 흡수해 쉽게 부서지지 않죠. 다만 단단하다고 반드시 잘 깨지는 것은 아니며, 재료의 결합 구조와 미세조직, 온도에 따라서도 달라져요. 그래서 실제 재료를 선택할 때는 경도뿐 아니라 인성과 강도도 함께 고려해요.

감사합니다.

Answer 4

단단함과 질김은 서로 다른 성질이기 때문에, 단단한 재료라고해서 반드시 충격에도 강한 것은 아닙니다.

경도는 표면이 긁히거나 눌리는 것에 얼마나 잘 버티는지를 뜻하고, 인성은 충격을 받아도 깨지지 않고 에너지를 흡수하는 능력을 의미합니다. 유리를 생각해보면 쉬울 것 같은데, 단단하지만 금이 생기면 균열이 빠르게 퍼져 깨지기가 쉬워집니다. 고무는 부드럽지만 큰 변형으로 충격을 흡수할 수 있죠.

일부 단단한 재료는 내부에서 균열이 생겼을 때 변형으로 에너지를 흡수하는 능력이 작아 쉽게 파손되기도 합니다.

Answer 5

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

재료의 경도가 높다는 것은 원자 결합이 단단히 고정되어 변형에 저항하는 힘이 크다는 뜻이지만 이로 인해 외부 충격이 가해질 때 에너지를 흡수할 소성 변형의 여유가 사라집니다. 반대로 인성이 높은 재료는 내부 구조가 비교적 유연하게 움직이며 충격 에너지를 분산 흡수하기 때문에 상대적으로 부드러운 성질을 띠게 됩니다. 즉 변형을 억제하여 단단함을 얻는 과정 자체가 충격을 받을 때 응력을 완화하지 못하고 균열로 직결되게 만드는 원인이 됩니다. 이처럼 결정 구조 속 전위의 이동을 막아 변형에 버티려는 성질과 변형을 허용해 충격 에너지를 견디려는 성질은 근본적으로 상충하는 메커니즘을 가집니다. 결과적으로 단단한 재료는 충격을 에너지로 분산하지 못해 쉽게 깨지는 반면 부드러운 재료는 변형을 통해 에너지를 흡수하므로 쉽게 파괴되지 않는 트레이드오프 관계를 형성합니다