강도, 강성, 경도의 개념과 차이점
강도, 강성, 경도는 일상생활에서 혼용되서 쓰곤 한다. 하지만 세 단어는 기계공학적으로 엄연히 다른 단어로 오늘은 이 세단어의 개념에 대해 정확하게 알아보도록 하자.
강도 (Strength) : 파괴와 항복에 저항하는 능력
강도는 재료가 ‘영구적으로 변형되거나 부러지기 전까지 얼마나 큰 스트레스(응력)를 견딜 수 있는가‘를 나타내는 절대적인 힘의 크기이다.
물리적 메커니즘 : 재료 내부의 원자 결합이 끊어지거나, 원자 배열이 뒤틀려 밀려나가는 현상(슬립 현상)에 저항하는 힘
공학적 주요 지표
항복강도 (Yield Strength) : 재료가 힘을 받았다가 놓았을 때, 원래 상태로 돌아갈 수 있는 한계점(탄성 변형의 한계)의 응력. 이 지점을 넘으면 재료는 영구적으로 변형(소성 변형)된다. 엔지니어링 설계 시 부품이 찌그러지면 안 되므로 보통 이 항복강도를 기준으로 안전율을 계산한다.
인장강도 (Ultimate Tensile Strength, UTS) : 재료가 파괴되기 직전까지 버틸 수 있는 최대 응력.
실무적 관점에서의 강도 : 구조물이나 고하중을 받는 볼트, 축 등을 설계할 때 가장 먼저 고려하는 수치이다. 티타늄 합금, 그래핀 같은 고강도 물체와 분필, 납 같은 저강도 물체를 잘 혼용하여 써야한다. 일상에서 자주 쓰이는 콘크리트 같은 경우 인장강도에는 매우 약하나 압축 강도에는 매우 강하여(인장 강도의 10배 수준) 인장 강도가 높은 철근과 같이 쓰인다.
강성 (Stiffness) : 탄성 변형에 저항하는 능력
강성은 재료가 힘을 받았을 때 ‘얼마나 뻣뻣하게 버티며 모양을 유지하는가(변형량이 얼마나 적은가)’를 나타낸다. 강도는 ‘파괴’가 기준이지만, 강성은 ‘미세한 움직임(휨, 늘어남)’이 기준이다.
물리적 메커니즘 : 원자 간의 결합 자체 속성인 탄성계수(Young’s Modulus, E)와 밀접하다.
훅의 법칙에 따르면, 탄성계수가 높을수록 강성이 좋다. (탄성계수와 변형률은 반비례하기 때문)
결정 요인 (매우 중요): 강성은 재료 고유의 성질인 ‘탄성계수’뿐만 아니라, 물체의 ‘형상(두께, 길이, 단면 구조)’에 의해서도 결정된다.
예를 들어, 같은 강철이라도 얇은 판재는 잘 휘지만이를 H형강 구조로 만들면 훨씬 안 휘게 만들 수 있다.
실무적 관점 : 공작기계의 베드나 정밀 로봇 공학에서 극도로 중요하다. 아무리 강도가 높아 부러지지 않는 기계라도, 가공 중에 미세하게 휘어지면(강성이 낮으면) 치수 정밀도가 무너져 불량품이 나오기 때문. 흔히 말하는 “기계의 강성이 좋다”는 가공 부하를 받아도 미세한 떨림이나 뒤틀림이 없다는 뜻이다.
경도 (Hardness) : 표면의 국부적 변형에 저항하는 능력
경도는 재료의 덩어리가 아니라, 오직 “표면(Surface)이 외부의 압력이나 긁힘에 얼마나 단단하게 버티는가”를 뜻한다.
물리적 메커니즘 : 다른 단단한 물체(압입자)가 표면을 파고들려고 할 때, 표면 층의 미세 구조가 밀려나지 않고 버티는 저항력. 타 재료와의 ‘상대적인 단단함’을 비교.
측정 및 시험법 : 브리넬(HB), 로크웰(HRC), 비커스(HV) 측정법 처럼 매우 단단한 강구(쇠구슬)나 다이아몬드 피라미드로 재료 표면을 꾹 눌렀다 뗐을 때, 표면에 남은 자국의 크기나 깊이를 측정하여 숫자로 나타낸다. 가장 많이 쓰는 경도는 로크웰 경도로 보통 HRC 46 – 55 정도부터 높은 경도(내마모성)를 가졌다고 표현한다.
실무적 관점 : 마찰과 마모가 일어나는 부품에서 핵심 지표입니다. 경도가 낮으면 부품끼리 쓸리면서 표면이 갉아 먹히게 된다. 그래서 보통 내부는 인성을 갖추게 하고, 표면만 열처리를 통해 경도를 극대화하는 설계를 주로 사용한다.
