재료와 공정의 선택과 특성

1. 재료와 공정의 선택

 

공학자는 어떤 것들을 만든다. 그들은 재료를 이용하여 그것들을 만들어 낸다. 재료는 하중을 견디고, 열과 전자를 전도나 절연시키며, 자기장을 막거나 받아들이고, 빛을 통과하거나 반사시키고, 열악한 환경에서 견디어야만 한다.

그리고 환경에 피해가 없거나 비용이 많이 들지 않아야 한다.

 

그리고 이 모든 것들에는 동반자가 있다. 어떤 것을 만들어 내기 위해서 또한 공정이 필요하다.

단지 공정 뿐만 아니라, 사용을 계획한 재료와 선택한 공정이 적합해야만 한다. 때때로 공정이 중요한 부분을 차지하고, 그에 적합한 재료를 찾아야 할 때도 있다.

 

이런 과정은 결혼과도 같다. 많은 결혼이 실패를 하듯이 적합성도 쉽게 찾을 수 없다. 잘못된 재료의 선택은 책임과 배상을 지는 비극을 만든다. 이것은 변호사를 위한 음식과도 같다. 몇몇 변호사는 실패한 재료를 포함한 법정 판례에서 전문적인 증인으로 그들의 삶을 꾸려간다. 하지만 우리의 목적은 말다툼이 아니라, 여러분들에게 재료와 공정의 무한한 우주의 미래를 보여주는 것이다. 그리고 행복을 지키는 재료 선택의 도구와 방법을 제공하는 것이다.

 

하지만, 누군가가 말하듯이, Isambard Kingdom Brunel, Thomas Telford, Gustave Eiffel, Henry Ford, Karl Benz, Gottleb Daimler, Wright  형제와 같은 공학자는 수백 년 동안 성공적으로 재료를 만들어 왔다.

 

왜 우리들은 그것들을 선택하는 새로운 방법이 필요한가? 짧은 역사가 도와줄 것이다.

1875년에서 1890년까지 Cambridge 대학의 첫 교수로 재직한  James Stuart가 연구하던 시대에는 공학적으로 이용할 수 있는 재료의 수가 최대한 수백여 개정도로 적었다. 지금처럼 45000여 가지가 넘는 고분자 합성법도 없었다.

또한 수천 개나 되는 경합금도 없었다.(알루미늄은 겨우 20세기 처음으로 공학 재료로 발표되었다). 그리고 수백 개인 고성능 복합체도 없었다. 역사가 길어질수록, 시간축의 시간간격이 길어진다. 이것은 재료의 분류별로 발달을 보여 주는 그림이다. 시간의 눈금자는 일정하지 않고, 대부분의 재료들이 최근 100년간 발견 또는 개발되었다.

 

오늘날 재료의 수는 무수히 많으며 공학자가 이용가능한 재료의 수가 16000개가 넘는다. 지금은 숨낞은 재료들 중에서 적절한 선택이라는 Stuart 교수가 가지지 못했던 문제를 가지고 환경적으로 피해를 주지 않으며, 경제적이고 효율적인 기계의 수요가 증가함에 따라 적절한 재료선택을 하는 것이 매우 중요하게 되었다. 혁신적인 설계는 재료의 특성의 상상적인 개혁을 말한다.

 

오늘날 재료의 특성은 널리 알려져 있고 'ASM Materials Handbook' 이라는 22권의 방대한 양의 책으로 출판되었다.

이것 또한 많은 책들 중의 일부분이다. 우리들이 어떻게 이같이 방대한 양의 정보를 다룰 수 있을까? 다행히도 오늘날은  Stuart 교수가 연구하던 시대와는 다르게 디지털 정보로 저장이 되어 왔다. 오늘날 컴퓨터 지원 설계는 공학자의 공부에서 일반적인 것이 되었고 고체 모델링, 유한 요소분석, 최적한 프로그램등이 재료와 공정 사이의 상호 호환성을 바탕으로 특성의 데이터베이스를 작성하고 설계가 요구하는 가장 좋은 선택을 검색하거나 볼 수 있게 해 준다. 

 

도보, 자전거 또는 자동차를 이용하여 여행을 한다면, 지도를 가져갈 것이다. 지구와 같이 재료의 세계의 복잡하고 혼란스럽다. 여기서 지도는 좋은 소지품이다. 이 교재는 재료와 공정의 세계로 쉽게 접근할 수 있게 뛰어난 그래픽으로 나타내어 재료와 공정 설계에 사용되는 지도를 설계지도 방법으로 사용하였다. 그리고 재료의 특성과 가능한 선택 사이의 관계를 거시적으로 알려주어 재료의 특성을 설명하였다.

 

2. 재료의 특성

재료의 특성에는 어떤 것들이 있는가? 밀도(단위 부피당 질량)와 가격(단위 부피나 무게당 비용)은 친근하지만, 다른 것들은 익숙하지 않으므로 우선 익숙해지는 것이 필요하다. 먼저 하중에 안전하게 견디는 데 사용되는 기계적 특성에 대해서 알아보자.

 

• 기계적 특성

철로 만들어진 자는 탄성적으로 쉽게 구부러진다(여기서 탄성이란 말은 힘을 제거하였을 때 되돌아오는 것을 말한다). 탄성률 E라고 정해진 탄성적 강성률은 얇은 부분은 쉽게 구부러지듯이 모양과 재료의 특성에 따라 달라진다. 철과 같은 높은 탄성률을 가진 재료는 본질적으로 단단하고, 폴리에틸렌과 같은 낮은 탄성률을 가진 재료는 그렇지 못하다. 

 

철로 만들어진 자는 탄성적으로 구부러지지만, 그것이 좋은 제품이라면, 그것을 영구적으로 구부리기는 어렵다. 영구적인 변형은 강성이 아닌 강도라는 힘이 필요하다. 자가 영구적인 변형을 일으키는 것은 재료의 모양과 항복강도라는 재료의 특성에 의존한다. 티타늄 합금과 같이 높은 항복강도를 가진 재료는 비록 높은 탄성률을 가지지 못하더라도 영구적인 변형이 어렵다. 납과 같은 낮은 항복강도를 가진 재료는 쉽게 변형된다. 금속이 변형될 때, 일반적으로 더 단단해진다.(이를 가공경화라 한다). 하지만 이것은 인장강도라는 한계가 있고 재료의 파괴를 가져온다(파괴가 일어나기 전에 금속을 잡아당기는 정도를 연성이라고 한다). 

 

자를 철뿐만 아니라 유리나 PMMA(플렉시 유리,투명 아크릴 유리)로 만들었다면, 그것은 투명한 자가 되겠지만, 영구적인 변형은 전혀 줄 수 없다. 자는 영구적인 변형이 일어나기 전에 갑자기 파괴된다. 우리들은 재료가 깨지기 쉬워서라고 생각을 한다. 이번에는 영구적인 변형이 없으므로, 이 현상을 설명하는 데 있어서 인장강도는 적절하지 않은 특성이다. 재료가 크래킹과 파괴에 견디는 저항력은 파괴인성으로 측정된다. 물론 철도 쉽게 깨지게 할 수 있지만, 대부분의 철은 튼튼하여 파괴인성이 크다. 깨지기 쉬운 유리는 낮은 파괴인성을 가진다.