인성 (물질)

재료과학 및 금속공학에서 인성(toughness)은 재료가 파괴되지 않고 에너지를 흡수하고 소성 변형하는 능력이다."Toughness", NDT Education Resource Center, Brian Larson, editor, 2001–2011, The Collaboration for NDT Education, 아이오와 주립 대학교 인성은 재료가 파괴에 저항하는 강도이다. 재료 인성의 한 가지 정의는 재료가 파괴되기 전에 흡수할 수 있는 단위 부피당 에너지의 양이다. 이 인성 측정은 재료의 파괴 저항 능력을 설명하는 파괴 인성에 사용되는 것과는 다르다.
인성은 강도와 연성의 균형을 필요로 한다.

 인성과 강도 
인성은 변형력-변형 곡선 아래 면적과 관련이 있다. 인성을 가지려면 재료는 강하고 연성이 있어야 한다. 예를 들어, 강하지만 연성이 제한적인 취성 재료(세라믹과 같은)는 인성이 없다. 반대로, 강도가 낮은 매우 연성 재료도 인성이 없다. 인성을 가지려면 재료는 높은 응력과 높은 변형률을 모두 견뎌야 한다. 일반적으로 강도는 재료가 얼마나 많은 힘을 지탱할 수 있는지를 나타내고, 인성은 재료가 파괴되기 전에 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지를 나타낸다.

 수학적 정의 
인성은 변형력-변형 곡선을 적분하여 결정할 수 있다. 이는 파괴 전 단위 부피당 기계적 변형 에너지이다. 명시적인 수학적 설명은 다음과 같다.

여기서
 는 변형률
 는 파괴 시 변형률
 는 응력

항복점까지의 적분 상한이 제한되면 단위 부피당 흡수된 에너지는 회복 탄성 계수로 알려져 있다. 수학적으로 회복 탄성 계수는 항복 응력의 제곱을 영률의 두 배로 나눈 값의 곱으로 표현할 수 있다. 즉,

 인성 시험 
재료의 인성은 그 재료의 작은 시편을 사용하여 측정할 수 있다. 일반적인 시험기는 진자를 사용하여 정의된 단면적의 노치 시편을 변형시킨다. 진자가 떨어진 높이에서 시편을 변형시킨 후 올라간 높이를 뺀 값에 진자의 무게를 곱한 값은 진자와의 충격 중에 시편이 변형될 때 흡수된 에너지의 척도이다. 샤르피 및 아이조드 노치 충격 강도 시험은 인성을 결정하는 데 사용되는 일반적인 ASTM 시험이다.

 인성 단위 
인장 인성(또는 변형 에너지, UT)은 SI 시스템에서 세제곱미터당 줄 (J·m−3) 또는 등가적으로 세제곱미터당 뉴턴 미터 (N·m·m−3)로 측정되며, 미국 관습 단위에서는 세제곱인치당 인치-파운드힘 (in·lbf·in−3)로 측정된다.
1.00 N·m·m−3 ≃  in·lbf·in−3
 1.00 in·lbf·in−3 ≃ 6.89 kN·m·m−3.

SI 시스템에서 인장 인성 단위는 아래에 주어진 바와 같이 변형력-변형률(σ–ε) 곡선 아래 면적을 사용하여 쉽게 계산할 수 있다.

UT = 변형력-변형률(σ–ε) 곡선 아래 면적 = σ × ε
UT [=] F/A × ΔL/L = (N·m−2)·(단위 없음)
UT [=] N·m·m−3
UT [=] J·m−3

 가장 강인한 재료 
거의 동일한 양의 크로뮴, 코발트, 니켈 (CrCoNi)로 만들어진 합금은 지금까지 발견된 가장 강인한 재료이다. 이 재료는 절대 영도에 가까운 극저온에서도 파괴에 저항한다. 우주선 제작에 사용되는 재료로 고려되고 있다.

 같이 보기 
 굳기
 고무 강화
 충격 (역학)
 알약 경도 시험

 각주 

분류:연속체역학
분류:재료과학