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재료 물성은 여러 가지 참고문헌에 확인할 수 있지만, 정확성은 조금씩 다르다. 이것은 출판사가 소홀하거나 오해를 불러일으킨 것은 그리 큰 문제가 아니다. 사실, 문제는 대부분 재료가 온도나 변형률 속도, 가공 조건 등에 따라 재료가 다른 조건으로 물성이 달라지기 때문이다. 가장 예측이 쉬운 재료 중 하나인 합금강은 합금 조성이나 열처리, 냉간 작업, 제조 방법에 따라 파괴 물성이 다르다. 재료 물성에 대한 출처나 시험 방법을 잘 모르거나 의심스럽다면, 그 재료 물성에 근거한 해석 결과도 의심해야 한다. 파괴나 피로 계산을 위하여 정확한 응력 데이터가 필요하면, 해석할 부품과 유사한 형상을 가진 실제 부품에 예상 하중 조건을 적용하여 재료 시험을 해야 한다.

1) 재료의 유형

● 등방성(isotropy): 재료의 성질이 어떤 방향이나 어떤 단면에서도 같다.

● 이방성(anisotropy): 재료의 성질은 두 개 이상의 방향으로 다르다.

● 직교 이방성(orthotropy): 이방성의 특별한 형태로 극단적인 값을 가지는 평면이 서로 직교한다.

대부분 등방성이나 균질(homogeneous) 재료 물성을 가정하여 해석한다. 균질 재료는 재료 전체에 걸쳐 그 성질이 일정하다. 이것은 예측 공학에서 이해해야 할 중요한 가정이다. 파괴 검증을 수행할 때 매우 중요하다. 많은 부품은 가공이나 열처리, 내부 기공으로 생긴 불일치로 재료의 강성을 국부적으로 감소시킨다.
 
대부분의 FEA 시스템은 복합 재료와 같은 직교성 재료도 지원한다. 복합 재료 물성의 정의가 매우 복잡하므로 처음에는 전문가의 도움을 받아 해석해야 한다.

2) 공통 재료 물성

앞에서는 탄성계수($E$)와 전단 탄성계수($G$), 푸아송비($\nu$)와 같은 3가지 재료 물성을 설명하였다. 이 성질은 같은 유형의 모든 재료에서 일정하게 유지된다. 여기서 소개된 특성은 제조 공정에 더 의존적이며, 다르게 제조된 같은 재료 유형의 두 물체 사이에 크게 달라질 수 있다.
 
논쟁의 여지 없이, 모든 재료 물성 가운데 가장 유용한 것은 재료의 강도(strength)이다. 강도의 단위는 응력의 단위와 같다는 점에 유의해야 한다. 그러나 물체의 응력은 항상 작용 하중과 단면적의 함수이지만, 강도는 물체의 재료와 제조 공정에서 결정되는 고유 특성이며, 설계 전반에 걸쳐 중요하다.
 
강도와 다른 일반적인 재료 물성은 단축 응력을 받는 표준 인장시험에서 작용 하중에 대한 변위 데이터를 추출하여 얻는다. 이 시험 결과는 관심이 있는 다양한 변수 사이의 관계를 설명하려고 응력-변형률 선도로 표시된다. 높은 정확성이 요구되면, 구조해석에 사용되는 재료 물성은 부품이나 시스템의 실제 사용 조건과 비슷한 조건에서 시험으로 얻어야 한다. 높은 수준의 정확성이 필요하지 않더라도 데이터를 조정하려면 재료의 사용 환경을 알아야 한다. 이때 고려해야 할 조건은 하중에 대한 사용 온도, 변형률 속도, 재료의 결정, 유동 방향, 토크, 인장 또는 휨 등이 있다.

 
그림과 같은 일반적인 응력-변형률 선도는 공칭 응력(engineering stress)을 사용한다. 이것은 작용 하중($F$)을 초기 단면적($A$)으로 나누어 계산한 것으로 약간 부정확한 값이다. 왜냐하면, 인장시험에서 국부적이고 비가역적으로 단면적이 감소하는 네킹 현상(necking phenomenon)이 발생하기 때문이다. 이러한 현상은 변형률의 증가와 함께 응력이 감소하는 것처럼 보이는 지점이 공칭 응력-변형률 선도에 나타난다. 실제로 단면적이 감소하면 응력이 변형률의 함수로 계속 증가하게 된다. 시편의 네킹을 설명하는 진응력-변형률 선도(true stress-strain curve)는 일반적으로 공칭 응력보다 더 큰 응력을 나타낸다. 그러나 시편의 단면적 변화를 추적하기 어려우므로 대부분 공칭 응력-변형률 선도를 사용한다.
 
그림과 같이, 응력-변형률 관계는 초기에 비례 한도(proportional limit)라고 하며, 선형이다. 선도의 이 부분은 훅의 법칙이 적용된다. 그러면 더 이상 비례하지는 않지만 재료는 탄성 한계(elastic limit)까지 계속 탄성 변형이 발생한다. 하지만 이 지점을 넘어서면 하중을 제거해도 영구 변형이 발생한다.
 
재료의 항복 강도(yield strength)에 해당하는 점이 항복점(yield point)이다. 철과 같은 일부 금속 재료는 응력-변형률 선도에 뚜렷한 항복점 또는 굴곡부(knee)가 관찰된다. 이러한 재료는 탄성 한계와 항복점이 일치한다. 그러나 다른 많은 재료는 항복점이 분명하지 않아서 보통 오프셋 방법(offset method)으로 결정한다. 이 방법에서 항복점은 일반적으로 0.002의 축방향 변형률에서 응력-변형률 선도의 선형 부분과 평행하며, 선도의 소성 부분(plastic portion)과 만나는 교차점에 해당된다.
 
응력-변형률 선도를 더 살펴보면 극한강도(ultimate strength)는 재료가 도달할 수 있는 최대 응력을 의미한다. 이 점이 재료의 극한강도($S_u$)와 인장강도($S_{ut}$)에 해당된다. 이 점을 지나면 앞에서 언급한 것처럼 파괴점(fracture point)까지 네킹이 발생하며, 재료의 파단강도(Frature strength, $S_F$)라고 한다.
 
일반적으로 기록되고, 기술자에게 유용한 추가 재료 물성은 퍼센트 신장(percent elongation)이다. 이것은 재료가 파괴되기 전까지 인장 시료의 변형률을 백분율로 나타내며, 아래에 설명하는 재료의 연성(ductility)을 나타낸다.
 
여기서 설명한 모든 값은 인장시험으로부터 구한 것이지만, 비록 실험으로 구하기는 힘들어도 유용한 압축강도(compressive strength)가 존재한다. 또한, 봉의 비틀림 시험으로 토크-비틀림 선도(torque-twist diagram)를 구할 수 있으며, 비틀림 항복 강도($ S_{sy} $)와 파열계수(modulus of rupture, $S_{su}$)에 대한 값을 구할 수 있다. 파열계수는 다음 식으로 표현할 수 있다.

여기서 $ T_u $는 토크-비틀림 선도의 최댓점 $U$이고, $r$은 봉의 반경, $J$는 단면의 2차 면적 모멘트이다. 

3) 연성 재료와 취성 재료의 특징

앞 절에서 설명한 내용에 따르면 하중을 제거할 때 물체의 원래 형상이 회복하지 못하면, 그 물체는 항복 또는 소성 변형되었다고 한다. 이러한 변형을 영구 변형(permanent set)이라고 한다. 영구 변형이 발생하면 그 재료는 연성(ductility)을 나타낸다고 한다. 연성의 측정은 인장시험 시편의 퍼센트 신장이나 파괴 시의 변형률로 측정할 수 있다. 취성 재료(brittle material)는 연성 재료보다 연신율과 단면적 감소가 훨씬 적다. 따라서 네킹의 양과 이에 상응하는 공칭 응력-변형률 선도에 해당하는 순간적인 응력 감소량은 재료의 연성을 나타낸다.

연성 재료에서 극한 인장강도와 압축강도는 거의 같은 절댓값을 갖는다. 반면에 취성 재료는 인장강도보다 압축강도가 더 크다.
 
취성 재료는 다음과 같은 거동을 보인다. 

● 응력-변형률 선도는 파괴가 나타날 때까지 매끄러운 탄성 곡선이다. 이런 방식으로 작용하는 재료는 항복 강도를 가지지 않는다. 

● 압축강도는 보통 인장강도보다 몇 배 더 크다. 

● 파열 계수는 인장강도와 거의 같다. 

● 쪼개진 면(cleavage plane)을 따라 빠른 균열의 성장은 뚜렷한 소성 변형 없이 발생한다.

구조해석 기술자는 관심이 있는 재료가 예상한 온도 및 변형률에서 재료가 연성이나 취성 으로 동작할 것인지 예측할 수 있어야 한다. 대부분 재료는 변형률이 높아지고 온도가 낮을수록 부서지기 쉽다. 결과를 평가하는 방법과 파손량은 이 특성에 따라 다르다.
취성 또는 연성을 예상하는 경험 법칙은 다음과 같다.

● 퍼센트 신장이 5% 이하이면 취성으로 작동한다고 가정한다. 

● 공개된 극한 압축강도가 극한 인장강도보다 크면 취성으로 작동한다고 가정한다. 

● 항복 강도가 문헌에 없으면 취성으로 작동하는지 확인해야 한다. 

4) 안전계수

지금까지 응력과 강도를 모두 설명한 시점이 설계 과정의 두 가지 요소인 응력과 강도와 관련된 안전계수(safety factor)를 설명하기 좋은 시점이다. 이 숫자는 재료의 강도를 최대 응력으로 나눈 비율로 정의되며, 사용된 입력 데이터의 정확성과 해석에 사용된 입력 데이터의 표현에 대한 신뢰도뿐만 아니라 해석 도구 자체의 정확성에 대한 신뢰도 수준을 나타낸다.

예를 들어, (a) 부품의 모든 작동 상태를 100% 나타내는 것으로 알려진 재료 물성과 형상, 경계조건을 얻어야 하며, (b) 해석 모델에서 이런 특성의 표현은 100% 정확하다고 알려져 있고, (c) 해석에 사용하는 도구인 FEA 또는 다른 도구가 100% 정확하다고 알려져 있으므로, 해석의 최대 응력을 재료 강도와 같도록 해당 부품을 설계할 수 있다. 하지만 위 질문의 정확성은 예측한 차이와 그렇지 못한 차이를 반영하려면 안전계수를 1보다 크게 설정해야 한다. 안전계수가 클수록 설계의 효율성은 감소한다. 따라서, 각 설계에서 선택한 안전계수는 설계팀 전체의 공학적 판단을 활용하여 적절하게 선정해야 한다. 
 
가장 엄격한 의미에서 이러한 논의는 해석에서 가장 관심이 있는 설계 변수가 최대 응력이라고 가정한 것이다. 하지만 이 값이 최대 변위 또는 최대 온도 등의 성질이 다른 변수도 같은 개념이 적용된다. 특정 변수에 대한 안전계수를 구하려면, 위 식의 분수에서 분자를 재료의 극한값으로 대체하고 분모를 해석으로 구한 최댓값으로 대체하면 된다.