학문
재료의 탄성은 어떤 요인에 의해서 결정될까요?
외부의 힘을 받았던 재료가 다시 원래 형태로 돌아가려는 성질은 어떤 물리적 특성과 관련이 있으며, 재료의 종류에 따라 왜 이렇게 차이가 심한지 의견 부탁드립니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
재료의 탄성은 변형에 저항하는 물리적 특성인 영률과 관련이 있으며 이는 원자나 분자들이 결합하여 평형 상태를 유지하려는 미시적인 결합력과 내부 구족적 결합 방식에 의해 결정됩니다 재료의 종류에 따라 차이가 심한 이유는 강한 공유 이온 결합을 가진 재료는 원 자 거기를 넓히기 어려워 탄성 계수가 높은 반면 고무 같은 고분자 재료응 엉켜 있던 사슬 구조가 쉽게 펴졌다 돌아오기 때문입니다 즉 외력이 가해졌을 때 원자가 본래의 안정적인 배열을 유지하려는 복원력의 격자 구조의 유연성 차이가 각 재료 고유의 탄성 한계와 성질을 만드는 결정적 요인이 됩니다
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
재료의 탄성은 힘을 받았을 때 내부 원자나 분자들이 얼마나 잘 제자리로 돌아오느냐에 따라 결정되는 것입니다.
재료마다 고유한 탄성계수를 가지고 있고, 금속이나 세라믹의 경우는 원자 사이 결함이 단단하기 때문에 변형이 적지만, 그럼에도 일정 범위 안에서는 다시 돌아가려는 힘이 큽니다. 고무와 같은 고분자 물질의 경우는 분자 사슬이 길고 유연한 재료라 많이 늘어났다가도 다시 줄어드는 탄성이 잘 나타나는 특징이 있습니다.
그리고 온도도 영향을 미칠 수 있습니다. 뜨거워지면 아무래도 재료가 부드러워지고 탄성의 특성이 달라질 수 있게됩니다. 또 결정 구조나 재료 내에 들어간 불순물, 열처리, 내부 결함 등 다양한 요소들이 재료의 탄성을 결정하게 됩니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
탄성의 근본은 원자들 사이의 결합에 있어요. 모든 고체는 원자들이 서로 끌어당기는 힘과 너무 가까워지면 밀어내는 힘 사이에서 균형을 이루며 자리를 잡고 있거든요. 외부에서 힘을 가하면 원자 간 거리가 이 균형점에서 벗어나는데, 힘을 빼면 마치 용수철처럼 원래 위치로 되돌아가려는 복원력이 작용해요. 이 복원력이 우리가 느끼는 탄성이에요.
재료마다 탄성이 크게 다른 이유는 결합의 종류와 구조가 다르기 때문이에요. 다이아몬드나 세라믹처럼 공유결합이나 이온결합으로 원자가 강하게 묶여 있는 재료는 조금만 변형시켜도 복원력이 매우 세요. 그래서 탄성계수가 높고 뻣뻣하게 느껴지거든요. 금속은 금속결합으로 이루어져 있는데, 자유전자가 원자들 사이를 접착제처럼 이어주는 구조라 어느 정도 유연하면서도 탄성 범위 안에서는 확실히 되돌아와요. 강철이 단단하면서도 약간의 휨은 허용하는 게 이 특성 덕분이에요.
고무 같은 고분자 재료는 작동 방식이 아예 달라요. 원자 결합 자체가 늘어나는 게 아니라 길고 구불구불한 분자 사슬이 잡아당기면 쭉 펴졌다가 놓으면 다시 구불구불하게 말리는 거예요. 엉킨 전화기 줄을 당기면 늘어났다가 놓으면 다시 꼬이는 모습과 비슷해요. 이건 엔트로피 탄성이라고 부르는데, 분자가 무질서한 상태로 돌아가려는 열역학적 경향이 복원력을 만들어내는 거예요. 그래서 고무는 금속과 비교할 수 없이 많이 늘어나면서도 원래로 돌아올 수 있는 거랍니다.
결정 구조도 탄성에 영향을 줘요. 같은 금속이라도 원자가 빈틈없이 촘촘하게 배열된 구조는 탄성계수가 높고, 느슨하게 배열된 구조는 낮아요. 합금을 만들 때 다른 원소를 섞어 넣으면 결정 격자 안에 크기가 다른 원자가 끼어들면서 원자 간 결합 환경이 바뀌고, 이에 따라 탄성도 달라지거든요.
온도도 무시 못 해요. 온도가 올라가면 원자 진동이 활발해지면서 결합의 실질적인 강도가 약해져요. 상온에서 탄탄하던 금속도 고온에서는 탄성이 눈에 띄게 떨어지는 이유가 여기에 있어요. 반대로 고무는 온도가 내려가면 분자 사슬의 움직임이 얼어붙어서 딱딱해지고 탄성을 잃거든요.
결국 탄성이라는 성질은 원자 결합의 세기, 결합의 종류, 결정 구조의 배열, 분자 사슬의 자유도, 그리고 온도가 복합적으로 작용한 결과예요. 같은 힘을 받아도 어떤 재료는 거의 안 변하고 어떤 재료는 몇 배로 늘어났다 돌아오는 극단적인 차이가 이 요인들의 조합에서 나오는 거랍니다 :)
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
결론부터 말씀딀면 재료의 탄성의 재료의 결합력과 결정구조에 의해 결정됩니다.
재료의 결합력의 경우 복합제는 내부의 원자간 분자간 결합력이 다양하지만 결합력이 상대적으로 강할 수록 외부힘에 잘 버티고 변형이 적습니다.
그리고 결정구조가 얼마나 촘촘하게 배열되어 있는지 그리고 사슬구조가 탄탄한지 등이 외부의 힘으로 부터 저항하고 이를 분산시키는지 결정하게 됩니다.
재료의 탄성을 정량적으로 표현하는 것은 탄성계수 인데 재료에 스트레스를 강해 얼마나 변형되는지를 나타내는 비율 입니다. 가장 강한 다이아몬드의 경우 외부 응력에 의해 변형률이 거의 없지만 고무의 경우는 외부의 힘에 변형이 크기 때문에 탄성계수가 큽니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)