극한 인장 강도

1. 개요

극한 인장 강도는 재료가 파단되기 전까지 견딜 수 있는 최대 인장 응력을 의미하며, 재료의 강도를 나타내는 중요한 지표 중 하나이다. 재료의 종류, 시험편의 준비 상태, 시험 환경 등에 따라 달라질 수 있으며, 금속, 비금속, 첨단 신소재 등 다양한 재료에서 측정된다. 인장 강도는 재료의 항복 강도, 연성, 파괴 에너지, 굽힘 강도, 경도 등과 함께 재료의 기계적 특성을 평가하는 데 사용되며, 인장 시험을 통해 측정된다.

2. 강도의 정의 및 측정

재료의 강도는 시험편의 크기와는 상관없는 세기 특성이지만, 시험편 준비, 표면 결함 유무, 시험 환경 및 온도 등에 따라 달라질 수 있다.

일부 재료는 소성 변형 없이 급격하게 파괴되는 취성 파괴를 보인다. 반면, 대부분의 금속을 포함한 연성 재료는 파괴 전에 어느 정도의 소성 변형과 네킹이 발생한다.

인장 강도는 단위 면적당 힘으로 측정되는 응력으로 정의된다. 비균질 재료나 조립 부품의 경우 힘 또는 단위 폭당 힘으로만 보고될 수 있다. 국제단위계(SI)에서 단위는 파스칼(Pa) (또는 메가파스칼(MPa)) 또는 제곱미터당 뉴턴(N/m²)이다. 미국 관습 단위는 제곱인치당 파운드(lb/in² 또는 psi)이며, 제곱인치당 킬로파운드(ksi 또는 kpsi)는 1000 psi와 같다.

레오나르도 다 빈치가 재료 강도 개념을 최초로 정량화하려 했으나, 그의 노트에만 기록되었다. 1638년 갈릴레오 갈릴레이의 『새로운 과학에 대한 대화』가 일반에 공개된 최초 기록이다. 18세기 이후 인장 시험 등 다양한 강도 시험 방법이 확립되었고, 스테판 티모센코가 확립한 재료역학 개념과 함께 건축, 기계 설계 분야의 기초를 이루고 있다. 파괴역학(인성)적 개념도 중요하며, 강도와 인성의 균형이 중요하다고 인식된다.

강도를 나타내는 주요 지표는 다음과 같다.

* 항복 강도: 변형률과 응력의 관계가 비례하지 않게 되고, 응력을 제거해도 변형률이 남는 현상(항복)이 시작되는 응력.
* 인장 강도: 재료가 파단되기 전 나타나는 최대 인장 응력, 또는 재료가 견딜 수 있는 최대 인장 응력.
* 연성: 재료가 파단되기 직전의 최대 변형률.
* 파괴 에너지(인성): 파괴될 때까지 재료에 가해지는 총 에너지.
* 굽힘 강도(항절력): 굽힘 모드의 하중으로 파손되는 경우에 사용되는 지표.
* 경도: 흠집이 잘 생기지 않는 정도. 모스 경도, 비커스 경도 등의 지표가 있다.

2.1. 항복 강도 (Yield Strength)

# 항복 강도
# 극한 인장 강도
# 비례 한계 응력
# 파괴
# 오프셋 변형률 (일반적으로 0.2%)

많은 재료는 그림 1의 3번 지점까지 선형 탄성 거동을 보인다. 이는 선형 응력-변형률 관계로 정의된다. 재료의 탄성 거동은 그림 1의 2번 지점(항복 강도)까지 비선형 영역으로 확장되는 경우가 많은데, 이 지점까지의 변형은 하중 제거 시 완전히 회복된다. 즉, 장력 하에서 탄성적으로 하중을 받은 시험편은 늘어나지만, 하중을 제거하면 원래 모양과 크기로 돌아간다.

연성 재료(예: 강철)의 경우 이 탄성 영역을 넘어서면 변형은 소성이 된다. 소성 변형된 시험편은 하중을 제거해도 원래 크기와 모양으로 완전히 돌아가지 않는다. 많은 응용 분야에서 소성 변형은 허용되지 않으며 설계 제한으로 사용된다.

항복점 이후, 연성 금속은 변형률 경화 과정을 거치는데, 이 과정에서 응력은 변형률이 증가함에 따라 다시 증가하고, 소성 흐름으로 인해 시험편의 단면적이 감소하면서 네킹이 시작된다.

변형률이 커지면 변형률과 응력의 관계가 비례하지 않게 되고, 응력을 제거해도 변형률이 남는 경우가 있다. 이 현상을 항복이라고 하며, 이 현상이 시작되는 응력을 항복 강도라고 한다. 재료에 따라서는 항복 현상이 명확하게 나타나지 않는 경우도 있다.

2.2. 인장 강도 (Tensile Strength)

응력-변형률 관계에서 재료가 파괴되기 직전까지 견딜 수 있는 최대 인장 응력의 크기를 인장 강도라고 한다. 재료의 강도를 나타내는 가장 대표적인 지표 중 하나이다.

인장 강도는 단위 면적당 힘으로 측정되는 응력으로 정의된다. 국제단위계(SI)에서 단위는 파스칼(Pa) 또는 메가파스칼(MPa)이다. 미국 관습 단위는 제곱인치당 파운드(lb/in² 또는 psi)이며, 제곱인치당 킬로파운드(ksi 또는 kpsi)는 1000 psi와 같다.

대부분의 금속을 포함한 연성 재료는 파괴 전에 어느 정도의 소성 변형과 네킹이 발생할 수 있다. 충분히 연성이 있는 재료의 경우, 네킹이 상당해지면 공학적 응력-변형률 곡선의 역전이 발생한다. 역전점은 공학적 응력-변형률 곡선에서 최대 응력이며, 이 점의 공학적 응력 좌표는 위 그림의 1번 지점에 해당하며, 이 값이 극한 인장 강도이다.

극한 인장 강도는 항복점이 없는 취성 재료로 만들어진 부재를 설계하는 데 일반적인 공학적 매개변수이다.

일반적으로 인장 시험은 고정된 단면적을 가진 작은 시편을 만능재료시험기를 이용하여 시편이 파손될 때까지 잡아당기는 방식으로 진행된다.

일부 금속을 시험할 때 압입 경도는 인장 강도와 선형적으로 상관관계가 있다. 이 관계는 휴대용 록웰 경도계와 같은 경량 장비를 사용하여 대량 금속 납품의 비파괴 시험을 가능하게 한다.

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📌 열 고정 해제

일부 재료의 전형적인 인장 강도

재료	항복 강도 (MPa)	극한 인장 강도 (MPa)	밀도 (g/cm3)
구조용 강재 ASTM A36	250	400–550	7.8
1090 강	247	841	7.58
크롬-바나듐 강 AISI 6150	620	940	7.8
2800 마르에이징 강 (마르에이징 강)	2,617	2,693	8.00
에어멧(AerMet) 340 강	2,160	2,430	7.86
산빅(Sandvik) 사니크로(Sanicro) 36Mo 로깅 케이블 정밀 와이어 강	1,758	2,070	8.00
AISI 4130 강, 855 °C 수냉, 480 °C 템퍼링	951	1,110	7.85
API 5L X65 강	448	531	7.8
고강도 합금강 ASTM A514	690	760	7.8
아크릴(PMMA), 투명 주조 시트	72	87	1.16
ABS 수지	43	43	0.9–1.53
고밀도 폴리에틸렌 (HDPE)	26–33	37	0.85
폴리프로필렌	12–43	19.7–80	0.91
스테인리스강 AISI 302	275	620	7.86
4.5% C 주철, ASTM A-48	130	200	7.3
"리퀴드메탈" 합금	1,723	550–1,600	6.1
베릴륨 99.9% Be	345	448	1.84
알루미늄 합금 2014-T6	414	483	2.8
폴리에스터 수지 (무보강)	55	55
폴리에스터 및 단섬유 매트 적층재 30% E-유리	100	100
S-유리 에폭시 복합재	2,358	2,358
알루미늄 합금 6061-T6	241	300	2.7
구리 99.9% Cu	70	220	8.92
쿠프로니켈 10% Ni, 1.6% Fe, 1% Mn, 나머지 Cu	130	350	8.94
황동	200 이상	500	8.73
텅스텐	941	1,510	19.25
유리, 어닐링		41	2.53
E-유리		적층재의 경우 1,500, 섬유 단독의 경우 3,450	2.57
S-유리		4,710	2.48
현무암 섬유		4,840	2.7
대리석		15	2.6
콘크리트		2–5	2.7
탄소섬유		적층재의 경우 1,600, 섬유 단독의 경우 4,137	1.75
탄소섬유 (Toray T1100G) (가장 강한 인공 섬유)		섬유 단독의 경우 7,000	1.79
머리카락	140–160	200–250	1.32
대나무 섬유		350–500	0.4–0.8
거미줄 (아래 주석 참조)		1,000	1.3
거미줄, 다윈의 나무껍질 거미	1,652
누에 고치 실	500		1.3
아라미드 (케블라 또는 트와론)	3,620	3,757	1.44
초고분자량 폴리에틸렌	24	52	0.97
초고분자량 폴리에틸렌 섬유 (다이니마 또는 스펙트라)		2,300–3,500	0.97
벡트란		2,850–3,340	1.4
폴리벤족사졸 (자일론)	2,700	5,800	1.56
목재, 소나무 (나무결 방향)		40
뼈 (사지)	104–121	130	1.6
나일론, 몰딩, 6PLA/6M		75-85	1.15
나일론 섬유, 인발		900	1.13
에폭시 접착제		12–30
고무		16
붕소		3,100	2.46
실리콘, 단결정 (m-Si)		7,000	2.33
초순수 실리카 유리 광섬유 가닥		4,100
사파이어 (Al2O3)	25 °C에서 400, 500 °C에서 275, 1,000 °C에서 345	1,900	3.9–4.1
붕 질화물 나노튜브		33,000	2.62
다이아몬드	1,600	2,800 마이크로 스케일에서 ~80,000–90,000	3.5
그래핀		고유값 130,000; 공학적 값 50,000–60,000	1.0
최초의 탄소 나노튜브 로프	?	3,600	1.3
탄소 나노튜브 (아래 주석 참조)		11,000–63,000	0.037–1.34
탄소 나노튜브 복합재		1,200
고강도 탄소 나노튜브 필름		9,600
따개비 Patella vulgata 이빨 (침철석 위스커 나노복합재)		4,900 3,000–6,500

* 많은 값은 제조 공정과 순도 또는 조성에 따라 달라집니다.
* 다중벽 탄소 나노튜브는 측정된 모든 재료 중 가장 높은 인장 강도를 가지며, 63 GPa의 한 측정값은 여전히 300 GPa의 한 이론적 값보다 훨씬 낮습니다. 2000년에 인장 강도가 발표된 최초의 나노튜브 로프(길이 20mm)는 3.6 GPa의 강도를 가졌습니다. 밀도는 제조 방법에 따라 달라지며, 가장 낮은 값은 0.037 또는 0.55(고체)입니다.
* 거미줄의 강도는 종류에 따라 크게 다릅니다. 거미줄의 종류, 종, 거미줄의 나이, 온도, 습도, 시험 중에 응력이 가해지는 속도 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 표에 표시된 값 1,000 MPa는 여러 다른 종의 거미를 포함하는 몇 가지 연구 결과를 대략적으로 나타내는 것입니다.
* 머리카락의 강도는 민족과 화학적 처리에 따라 다릅니다.

2.3. 연성 (Ductility)

연성(Ductility)은 재료가 파괴되기 전까지 얼마나 늘어날 수 있는지를 나타내는 지표이다. 연성 재료(예: 강철)는 탄성 영역을 넘어서면 변형은 소성이 된다. 소성 변형된 시험편은 하중을 제거해도 원래의 크기와 모양으로 완전히 돌아가지 않는다.

항복점 이후, 연성 금속은 변형률 경화 과정을 거치는데, 이 과정에서 응력은 변형률이 증가함에 따라 다시 증가하고, 소성 흐름으로 인해 시험편의 단면적이 감소하면서 네킹이 시작된다. 충분히 연성이 있는 재료의 경우, 네킹이 상당해지면 공학적 응력-변형률 곡선의 역전이 발생한다. 이는 네킹이 발생하기 전의 원래 단면적을 가정하여 공학적 응력을 계산하기 때문이다. 역전점은 공학적 응력-변형률 곡선에서 최대 응력이며, 이 점의 공학적 응력 좌표는 극한 인장 강도이다.

재료가 파단되기 직전의 최대 변형량(변형률)을 연성이라고 하며, 원래 길이에 대한 비율로 나타낸다. 연성의 지표로는 신율과 단면 수축률이 대표적이다. 연성이 큰 재료는 파괴 전에 큰 변형을 보이므로, 충격 흡수 등에 유리하다.

2.4. 파괴 에너지 (Toughness)

파괴될 때까지 재료에 가해지는 총 에너지를 파괴 에너지라고 한다. 파괴 에너지가 큰 재료는 "인성이 크다(tough)"라고 표현된다. 이 에너지론을 응력과 관련지어 설명하는 것이 파괴역학이다.

2.5. 굽힘 강도 (Flexural Strength)

굽힘 강도는 부재가 굽힘 하중에 의해 파손될 때의 강도를 나타내는 지표로, 인장보다 굽힘 모드로 파손되는 경우가 많아 자주 사용된다. 굽힘 강도는 연성이 낮은 재료에서 주로 사용되며, 그 경향은 대략 인성과 일치한다.

2.6. 경도 (Hardness)

흠집이 잘 생기지 않는 재료는 "단단하다(hard)"라고 표현되며, 표준 물질과 문질러 흠집의 유무로 판정하는 모스 경도나 다이아몬드 침을 누른 흠집의 크기로 판정하는 비커스 경도 등의 지표가 있다. 대략 변형 저항과 일치한다.

3. 인장 시험 (Tensile Testing)

인장 시험은 재료의 극한 인장 강도, 항복 강도, 연성 등을 측정하기 위한 가장 일반적인 시험 방법이다. 재료에 따라 시험편 준비, 표면 결함 유무, 시험 환경 및 재료의 온도와 같은 요인에 따라 결과가 달라질 수 있다.

일부 재료는 소성 변형 없이 급격하게 파괴되는 취성 파괴를 보이는 반면, 대부분의 금속을 포함한 연성 재료는 파괴 전에 어느 정도의 소성 변형과 네킹을 보인다.

인장 강도는 단위 면적당 힘으로 측정되는 응력으로 정의된다. 국제단위계(SI)에서는 파스칼(Pa) 또는 메가파스칼(MPa)을 사용하며, 미국 관습 단위에서는 제곱인치당 파운드(psi) 또는 제곱인치당 킬로파운드(ksi)를 사용한다.

많은 재료는 그림 1의 3번 지점까지 선형 탄성 거동을 보이며, 이는 선형 응력-변형률 관계로 정의된다. 그림 1의 2번 지점("항복 강도")까지는 비선형 영역으로 확장될 수 있지만, 이 지점까지의 변형은 하중 제거 시 완전히 회복된다. 그러나 연성 재료는 탄성 영역을 넘어서면 소성 변형이 발생하여 하중을 제거해도 원래 형태로 돌아가지 않는다.

항복점 이후 연성 금속은 변형률 경화 과정을 거쳐 응력이 다시 증가하고, 네킹이 시작된다. 충분히 연성이 있는 재료의 경우, 네킹이 심해지면 공학적 응력-변형률 곡선이 역전되는데, 이는 공학적 응력이 네킹 발생 전의 원래 단면적을 기준으로 계산되기 때문이다. 역전점은 공학적 응력-변형률 곡선에서 최대 응력이며, 이 점의 공학적 응력 좌표가 극한 인장 강도이다.

극한 인장 강도는 항복점이 없는 취성 재료로 만들어진 부재 설계에 사용되는 일반적인 공학적 매개변수이다.

3.1. 시험 방법

일반적으로 극한 인장 강도 시험은 표준화된 규격에 따라 제작된 시편을 사용한다. 만능재료시험기를 이용하여 시편이 파손될 때까지 일정한 변형률 속도로 잡아당기는 방식으로 시험이 진행된다. 이 과정에서 변형과 응력을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 응력-변형률 곡선을 그린다. 이 곡선을 통해 항복 강도, 극한 인장 강도 등 강도 관련 물성치를 계산한다.

일부 금속의 경우, 압입 경도와 인장 강도 사이에 선형적인 상관관계가 있다. 이 관계를 활용하면 휴대용 로크웰 경도계와 같은 장비로 비파괴 시험을 수행할 수 있어, 금속 가공 산업의 품질 보증에 유용하게 활용된다.

레오나르도 다 빈치는 재료 강도 개념을 최초로 정량화하려 시도했으나, 그의 연구는 개인 노트에만 기록되었다. 갈릴레오 갈릴레이의 『새로운 과학에 대한 대화』(1638년)에 관련 기록이 처음으로 공개되었다. 18세기에는 인장 시험과 굽힘 시험 등 다양한 강도 시험 방법이 확립되었고, 스테판 티모센코가 확립한 재료역학 개념과 함께 건축 및 기계 설계 분야의 기초를 이루었다.

3.2. 압입 경도 시험 (Indentation Hardness Test)

일부 금속의 경우 압입 경도는 인장 강도와 선형적인 상관관계가 있다. 이 관계를 이용하면 휴대용 로크웰 경도계와 같은 경량 장비로 대량 금속 납품에 대해 경제적이고 중요한 비파괴 시험을 할 수 있다. 이는 금속 가공 산업에서 품질 보증 범위를 실험실과 만능 재료 시험기를 넘어 확장하는 데 기여한다.

4. 다양한 재료의 인장 강도

재료의 종류에 따라 인장 강도는 크게 달라진다. 금속, 비금속, 첨단 신소재 등 다양한 재료들의 인장 강도 특성은 아래 표와 같이 정리할 수 있다.

* 많은 값은 제조 공정과 순도 또는 조성에 따라 달라진다.
* 다중벽 탄소 나노튜브는 측정된 모든 재료 중 가장 높은 인장 강도를 가지며, 63 GPa로 측정된 값은 300 GPa의 이론적 값보다 훨씬 낮다. 2000년에 인장 강도가 발표된 최초의 나노튜브 로프(길이 20mm)는 3.6 GPa의 강도를 가졌다. 밀도는 제조 방법에 따라 달라지며, 가장 낮은 값은 0.037 또는 0.55(고체)이다.
* 거미줄의 강도는 종류에 따라 크게 다르다. 거미줄의 종류(모든 거미는 여러 목적으로 여러 종류의 거미줄을 생산할 수 있음), 종, 거미줄의 나이, 온도, 습도, 시험 중 응력이 가해지는 속도, 응력이 가해지는 시간, 거미줄을 수집하는 방법(강제 실뽑기 또는 자연 방사) 등 많은 요인에 따라 달라진다. 표에 표시된 값(1,000 MPa)은 여러 종의 거미를 포함하는 몇 가지 연구 결과를 대략적으로 나타낸 것이지만, 구체적인 결과는 크게 달랐다.
* 머리카락의 강도는 민족과 화학적 처리에 따라 다르다.

금속 재료는 일반적으로 높은 인장 강도를 가지지만, 탄소섬유와 같은 비금속 재료도 높은 값을 가질 수 있다. 그래핀, 탄소 나노튜브 등 첨단 신소재는 기존 재료의 한계를 뛰어넘는 인장 강도를 보여준다.

4.1. 금속 재료

금속 재료는 높은 인장 강도를 가지는 대표적인 재료군이다. 강철, 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등이 널리 사용되며, 합금 조성 및 열처리 방법을 통해 강도를 조절할 수 있다.

예를 들어, 구조용 강재(ASTM A36)는 250MPa의 항복 강도와 400MPa에서 550MPa 사이의 인장 강도를 가진다. 고강도 합금강(ASTM A514)은 690MPa의 항복 강도와 760MPa의 인장 강도를 보인다.

4.2. 비금속 재료

폴리머, 세라믹, 복합재료 등도 다양한 인장 강도를 나타낸다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)과 같이 섬유로 강화된 복합재료는 매우 높은 인장 강도를 얻을 수 있다. 아크릴(PMMA)은 72 MPa, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 37 MPa, 폴리프로필렌은 19.7-80 MPa의 인장 강도를 가진다.

: 많은 값은 제조 공정과 순도 또는 조성에 따라 달라진다.
: 다중벽 탄소 나노튜브는 측정된 모든 재료 중 가장 높은 인장 강도를 가지며, 63 GPa의 한 측정값은 여전히 300 GPa의 한 이론적 값보다 훨씬 낮다. 2000년에 인장 강도가 발표된 최초의 나노튜브 로프(길이 20mm)는 3.6 GPa의 강도를 가졌다. 밀도는 제조 방법에 따라 달라지며, 가장 낮은 값은 0.037 또는 0.55(고체)이다.
: 거미줄의 강도는 종류에 따라 크게 다르다. 거미줄의 종류(모든 거미는 여러 목적으로 여러 종류의 거미줄을 생산할 수 있음), 종, 거미줄의 나이, 온도, 습도, 시험 중에 응력이 가해지는 속도, 응력이 가해지는 시간, 거미줄을 수집하는 방법(강제 실뽑기 또는 자연 방사)을 포함한 많은 요인에 따라 달라진다. 표에 표시된 값 1,000 MPa는 여러 다른 종의 거미를 포함하는 몇 가지 연구 결과를 대략적으로 나타내는 것이지만, 구체적인 결과는 크게 달랐다.
: 머리카락의 강도는 민족과 화학적 처리에 따라 다르다.

4.3. 첨단 신소재

그래핀과 탄소 나노튜브를 비롯한 여러 나노 물질은 매우 높은 인장 강도를 가지고 있어 미래 첨단 산업 분야에서 활용 가능성이 주목받고 있다. 연구 결과에 따르면, 그래핀은 130 GPa, 탄소 나노튜브는 11-63 GPa의 인장 강도를 갖는 것으로 보고되고 있다.

5. 한국의 재료 강도 연구 및 산업 동향

한국은 건설, 조선, 자동차, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 재료 강도 연구가 활발하게 진행되고 있다.

6. 빛의 강도(광학)

일반적으로 "빛의 세기"라고 불리는 것으로는 광도와 방사조도가 있다. 어느 의미로 사용되고 있는지는 상황에 따라 다르다.