기계공학을 전공한 학부생들이라면 이 주제에 대해 한 번쯤은 토론하거나 고민해 본 적이 있을 것이다. 실제로 현업에서 초심자나 비 전공자들이 가장 많이 헷갈려하는 부분 중 하나이니 짚고 넘어가자는 의미에서 본 주제로 글을 작성해 본다. 또 필자의 경험상 기업에서 기계공학 관련 직무에 지원했을 때, 자주 받았던 질문 중 하나이니 기업에 취업하거나 관련 일을 하고 싶은 인원들은 확실하게 알고 넘어가길 바란다.
강도 (Strength)
재료가 파괴되기 전에 견딜 수 있는 최대 하중.
- 재료의 최대 응력과 변형률에 기반하고 재료가 얼마나 큰 힘에 견딜 수 있는지를 나타내는 지표임.
- 재료의 기계적 한계를 나타내는 속성으로 설계의 안전성을 평가하는 중요한 지표임.
- 강도는 재료의 원자 결합상태와 구조적 특성에 영향을 받음.
- 고강도 재료는 높은 하중을 견디는 재료로 항공, 차량, 조선 등의 분야에서 중량을 저감하는 중요한 역할을 함.
종류
- 인장강도 (Tensile Strength) : 재료가 당겨지는 힘을 견디는 능력
일반적으로 항복강도(yielding)에 해당하는 종류이다.
- 압축강도 (Compressive Strength) : 재료가 눌리는 힘을 견디는 능력
재료는 일반적으로 인장보다 압축에 저항하는 강도가 작다. 좌굴 (buckling)이 압축 강도와 관련된 항복의 형태이며 일반적으로는 인장에 의한 항복 해석을 수행하나 압축 응력에 의한 해석도 별도로 수행하여 두 조건을 모두 만족시켜야 한다.
- 전단강도 (Shear Strength) : 재료의 단면이 잘리거나 미끄러짐에 저항하는 능력
길이방향이 아닌 높이나 너비 방향의 힘의 작용을 고려하는 경우이다. Tresca나 Von-Mises 이론에 따르면 전단강도는 인장강도의 절반정도 혹은 그와 비슷한 값을 가진다.
강성 (Stiffness)
재료나 구조가 변형에 저항하는 능력.
- 재료의 탄성 계수와 단면 모멘트에 의해 결정되며, 변형의 정도를 줄이는 데 중요한 역할을 함.
- 주로 변형량과 하중의 비율로 정의(Hooke's Law)되며 재료의 탄성계수(E)와 구조 형상에 의해 결정됨.
- 변형이 중요한 설계 요소일 때 우선적으로 고려됨.
- 차량 산업에서 KMVSS는 설계 요건을 변형량으로 제한해두는 경우가 많기 때문에 국부적인 강도도 평가되지만 강성 확보를 설계 기저에 깔고 가야 함.
- 아래 세 종류 모두 재료의 고유 물성치인 탄성계수뿐만 아니라 단면 계수 혹은 단면 모멘트를 잘 컨트롤하면 확보할 수 있는 요소임.
종류
- 축 방향 강성 (Axial Stiffness) : 축방향 하중에 저항하는 능력
- 굽힘 강성 (Bending Stiffness) : 휨 모멘트에 저항하는 능력
- 비틀림 강성 (Torsional Stiffness) : 비틀림 모멘트에 저항하는 능력
차이점
강도는 '재료의 파괴 한계'를 다루고 '얼마나 큰 힘에 견딜 수 있는가'에 중점은 두는 반면, 강성은 '재료의 변형에 저항하는 능력'을 다루고 '얼마나 덜 변형되는가'에 중점을 두는 성질이다.
물리적으로는 강도는 재료의 파괴 응력에 기반하고, 강성은 탄성계수와 구조적인 형상에 의해 결정된다. 강도는 안전성과 수명을 보장하기 위한 요소이고 강성은 안정성, 진동 특성, 정밀도를 확보하기 위한 요소이다.
예시
강도 주안의 설계
: 차량의 B-필러와 같은 충격을 흡수하는 부재들은 충돌 시 높은 하중을 견뎌야 하기 때문에 고강도 재료가 사용되어야 함.
강성 주안의 설계
: 스포츠카의 새시는 높은 강성을 지녀야 핸들링 성능을 유지하고, 차량의 비틀림을 최소화할 수 있음.
