재질 인성 (toughness) 및 파괴인성 (fracture toughness)

재질 인성 (toughness) 및 파괴인성 (fracture toughness)

인성은 충격이 발생되는 경우에 중요한 물성이 된다. 

교과서적으로 인성과 파괴인성은 이미 존재하는 날카로운 크랙에 의해 정의가 된다 (실제 재질은 모두 크랙이 존재한다). 따라서 정확한 인성시험은 매우 복잡하게 된다.

실제 설계에서는 충격에의한 파단 저항성을 나타내는 간단한 충격 시험 (샤르피(charpy)나 Izod 충격 시험) 결과를 이용한다. 

이러한 시험 결과는 인성이나 파괴인성에 대한 물성치를 제공해주지 않지만 표준화된 형상으로 시험하여 충격 하중에 대한 재질 비교 자료로 좋은 기초자료가 된다.   

인성 (toughness)

정의 

하중에 의해 작은 소성변형상태에서 파괴에 이르기까지의 저항성.

재질내에서 크랙이 전파될때, 단위 면적의 크랙당 소산되는 에너지의 양.

인성은 파단전에 재질이 소성 변형해서 에너지를 흡수하는 정도를 나타낸다. 파단전에 재질의 단위 부피당 에너지로 정의되기도 한다. 

수학적인 정의는 응력 변형율 선도에서 파단전의 아래 면적으로 정의되기도 하며 파손전에 흡수하는 에너지로 정의되기도 한다. 인성의 단위는 J/m-2 으로 나타낸다. 

* 인성과 강도의 차이

일반적으로 강도는 재질이 얼마만큼 강한 힘을 견디는가를 나타내며 인성은 재질이 파단전에 얼마나 많은 에너지를 흡수하는가를 나타낸다.

파괴 인성 (fracture toughness)

파괴인성 (MPa m^0.5) 의 정의

탄성 응력 상태에서 불안정한 크랙이 전파될때까지의 재질의 저항성

stress intensity factor가 특정값에 이를 때 크랙이 전파된다. 

*예를 들면 금속(파괴전에 항복)에 비해 세라믹(항복전에 파괴)이 파괴인성이 작다.