탄성변형이란? 소성변형이란?
"탄성 변형"은 재료가 외부 힘에 의해 변형되었다가, 힘이 제거되면 원래의 형태로 돌아가는 변형을 말합니다. 이것은 재료 내부의 원자들 사이의 복원력에 의해 일어나는 현상입니다.
탄성 변형의 예로는 고무 밴드를 생각하면 좋습니다. 고무 밴드를 당기면 길이가 늘어나지만, 당기는 힘을 그만두면 고무 밴드는 원래의 형태로 돌아갑니다. 이는 외부에서 가해진 힘이 제거되면 재료가 원래의 상태로 복원되는 탄성 변형의 특성을 보여줍니다.
탄성변형과 관련된 ‘훅의 법칙’ 이해하기
한편, "소성 변형"은 재료가 외부 힘에 의해 영구적으로 변형되는 것을 의미합니다. 이 변형은 재료 내부의 원자 구조가 영구적으로 변경되어, 힘이 제거되어도 원래의 형태로 돌아가지 않습니다. 일반적으로, 재료가 특정 임계치를 넘어서 부하를 받으면 소성 변형이 일어납니다.
소성 변형의 예로는 점토를 생각하면 좋습니다. 점토는 특정 형태로 눌리거나 모양을 바꾸면 그 형태를 유지합니다. 이는 외부 힘이 제거된 후에도 원래의 상태로 돌아가지 않는 소성 변형의 특성을 보여줍니다.
응력-변형률 곡선(선도)
"응력-변형률 곡선"은 재료가 받는 응력(단위 면적당 힘)과 그에 따른 변형률(원래 길이에 대한 변형된 길이의 비율) 사이의 관계를 그래프로 나타낸 것입니다. 이 곡선은 재료의 탄성 및 소성 특성을 파악하는데 매우 유용합니다.
탄성 변형 영역에서는 응력과 변형률이 선형적인 관계를 가집니다. 즉, 응력이 증가하면 변형률도 비례적으로 증가하고, 응력이 제거되면 재료는 원래의 형태로 돌아갑니다. 이 영역의 기울기는 재료의 "탄성계수"를 나타냅니다.
소성 변형 영역에서는 응력이 증가하더라도 재료가 더 이상 원래의 형태로 돌아가지 않습니다. 이 영역은 특정 "항복점"을 넘어서면 시작되며, 이점 이후에는 응력을 제거해도 재료는 원래의 상태로 복원되지 않습니다.
따라서, 응력-변형 곡선은 재료의 탄성 변형과 소성 변형의 특성을 이해하고, 그 임계점을 파악하는데 도움을 줍니다.
실생활에서 찾아보는 사례: ‘버스전용차선이 ‘소성 변형’을 일으켜 문제!?’
소성변형에 대해 검색해보다가 아래와 같은 기사를 보게 되었습니다.
[단독] 국토부 “소성 변형” 경고 무시…지반도 육안검사
- 2004년 도입 서울시 문제 발견 - ‘10㎝ 이상’ 포장 지침 유지 - 최근 철근 콘크리트 도입도 - 시, 설계 단계서 외면 자초 - 지역별 지반..
www.kookje.co.kr
이 기사에서는 부산 버스중앙차로(BRT)의 도로가 하중에 의해 소성 변형이 일어났다는 것을 보여주고 있습니다. 부산시는 예산 절감을 이유로 국토교통부가 제시한 도로 포장 두께 10cm를 무시하고, 기존 도로와 같은 5cm의 두께로 시공하였습니다. 그 결과, 시내버스 정류장 앞 도로가 소성 변형 때문에 움푹 패여있는 상황이 발생하였습니다.
이 사례에서 볼 수 있듯이, 소성 변형은 재료(여기서는 도로의 아스팔트)가 받는 하중에 따라 영구적으로 변형되는 현상을 의미합니다. 부산시가 적용한 도로 포장 두께 5cm는 버스의 무거운 하중에 견디지 못하고, 소성 변형을 일으켰습니다. 이는 소성 변형의 특성에 따라, 한번 변형된 형태는 원래 상태로 돌아가지 않습니다.
반면, 만약 도로가 '탄성 변형'을 일으켰다면, 버스의 하중이 제거된 후 원래 상태로 복귀하였을 것입니다. 하지만, 실제로는 도로 재료의 임계점을 넘어서 소성 변형이 발생하였고, 이는 도로의 생명 주기를 단축시키고 운전에 문제를 일으키는 등의 부정적인 결과를 초래하였습니다.
이처럼 탄성 및 소성 변형에 대한 이해는 공학, 특히 재료 공학과 건축 공학에서 매우 중요한 개념입니다. 이를 이해하고 적절히 관리하는 것은 구조물의 안전성, 내구성, 그리고 장기적인 성능에 중요한 영향을 미칩니다.
과학 비전공자로서 이공학적인 개념을 하나씩 익혀가고 있습니다. 오늘 다루어본 탄성변형과 소성변형은 재료의 성능을 이해하고 예측하는데 필요하며, 이를 통해 더 안전하고 효율적인 제품과 구조물을 설계하고 유지할 수 있겠습니다. (왜 공대생들의 일자리가 많은지 이해하게 됩니다..)
유튜브에서 찾은 영상(이해하기 쉬운 설명)
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