강도(압축강도, 인장강도, 휨강도)

압축강도(Compressive strength)

어떠한 물질 또는 재료가 단일 방향으로 압축하는 힘(크기를 줄이기 위해 받는 힘)을 받았을 때 파괴가 되기 전까지의 최대한의 응력을 의미하며, 보통 단위면적당 힘(N/m2 혹은 MPa)으로 표시된다. 압축 강도는 인장 강도와 반대로 크기를 줄이기 위해 가해지는 하중을 견딜 수 있는 재료 또는 구조물의 용량이다. 즉, 압축 강도는 압축(함께 밀리는 것)에 저항하는 반면, 인장 강도는 장력에 저항(분리되는 것)한다. 재료 강도의 연구에서는 인장 강도, 압축 강도 및 전단 강도를 독립적으로 분석할 수 있다. 일반적으로 압축강도는 구조물 설계의 핵심값이다.

그림 1. 압축강도 측정기, 압축강도 시료(공시체) 제작을 위한 형틀(mold)

 

압축강도는 그림 1과 같은 형태의 측정기로 측정하며, 그림 1과 같이 지름 10cm 길이 20 cm, 혹은 5×5×5 cm 정육면체 형태의 시료(공시체)를 이용하여 측정한다. 일반적으로 콘크리트나 세라믹 재료는 압축강도가 인장강도보다 크다. 세라믹-고분자 복합재료 등은 인장강도가 압축강도보다 크다. 금속의 경우 압축강도를 측정하기 매우 어렵다. 일반적인 소재의 압축강도로 porcelain은 500 MPa, 뼈는 150 MPa, 콘크리트는 20~80 MPa(경량기포 콘크리트같이 더 낮은 콘크리트 소재도 존재), 얼음은 3 MPa이다.

그림 2. 압축강도, 인장강도

 

인장강도(Tensile Strength)

인장강도란 물체가 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한의 응력(저항력)으로 재료의 기계적 강도를 표시하는 값의 하나임. 긴 막대 모양의 시편을 잡아당겨 거기에 가해지는 하중과 시험편에 변형의 모양에서 인장강도를 계산할 수 있다.

단위 면적당 힘의 단위로 측정된다(N/㎡, 혹은 MPa). 물질에 작용하는 힘(변형력)이 인장강도보다 작을 경우, 이 힘이 제거되면 물체는 원래의 형태와 크기로 완전히 또는 부분적으로 복구된다(탄성변형). 그러나 힘(응력)의 크기가 인장강도에 접근하면 연성이 있는 물질일 경우 이미 소성변형을 시작한다. 이 때 넥(neck)이라고 하는 수축영역이 형성되는데, 이곳에서 파괴가 시작된다.

위의 현상은 그림 2과 같이 표현되는데, 힘이 제거되면 원상태로 돌아갈 수 있는 최대 인장강도가 항복강도, 물질을 파괴(파열, rupture)할 수 있는 강도를 파괴강도라 한다. 참고로 세라믹 재료에서 인장강도는 압축강도보다 매우 작으며, 크게 중요하지 않은 경우가 많은 편이다. 또한 세라믹 재료는 연성과 전성이 거의 없기 때문에 그림 2의 곡선이 의미가 없는 경우가 많다.

 

휨강도(flexural strength)

휨강도는 재료를 굽히는 힘에 대해 파괴되기 전의 최대 응력이다.

단일 물질로 형성된 물체가 휘어졌을 때, 그 깊이에 걸쳐 다양한 스트레스를 경험한다. 굽힘면의 안쪽에 있는 물체의 가장자리에서 응력은 최대 압축 응력 값이 된다. 굽힘면의 바깥쪽에서 응력은 최대 인장값이 된다.일반적인 빔 혹은 막대의 고장나기 전에 유지할 수 있는 최대 인장응력 값은 휨강도로 한다.

휨강도는 그림 3과 같이 3점법, 혹은 4점법에 의해 측정한다.

그림 3. 휨강도 측정 및 계산식

여기서 F : 가해지는 힘, L : 경간의 길이, b : 시료의 폭, d : 시료의 두께, Li : 지간의 길이, σ : 휨강도