재료의 가공특성 (9) - 액상재료의 유동특성

액상재료의 거동은 고상재료의 거동과 매우 다르다. 액상재료는 담겨 있는 용기의 모양대로 형상을 갖거나 흐르는 반면, 고상재료는 흐르지 않고 주변상황에 무관하게 자체 형상을 유지한다. 즉, 액상재료는 쉽게 모양을 바꿀 수 있다는 가공상 이점이 있으므로, 고상재료를 가열하여 액상으로 만든 뒤 원하는 형상으로 만드는 가공공정이 많이 있다. 금속은 용탕의 상태에서 주조되며, 유리나 폴리머도 가열하여 액상으로 만든 뒤 가공된다.

 

[점도]

 

흐르는 성질, 즉 유동하는 것이 액상재료의 특성이지만, 유동의 용이성은 재료별로 다르다. 점도(viscosity)는 유동에 대한 저항이라고 볼 수 있으며, 재료상수에 속한다. 보다 구체적으로는 액체에 속도구배가 있을 때 발생하는 내부마찰에 대한 척도이며, 점도가 높은 재료일수록 내부마찰이 크므로 유동에 대한 저항도 커지게 된다. 점도의 역수를 유동성(fluidity)이라고 하며, 이는 유동의 용이성을 나타내는 척도이다.

 

다음 그림을 참조하여 점도를 정의해 보자.

유체유동시의 속도구배

그림은 거리 d 만큼 떨어진 2개의 평판을 나타내고 있다. 고정된 평판에 대하여 속도 v로 이동하는 평판 사이에 액체가 채워져 있다. 액체의 유동에 대한 저항으로 인하여 이동하는 평판에 하중 F가 작용한다고 하자. 하중 F를 평판의 면적 A 로 나누면 전단응력을 구할 수 있다.

 

τ = F / A

 

전단응력은 보통 다음과 같이 정의되는 속도구배, 즉 전단변형률속도의 영향을 받는다.

이때 다음과 같이 전단응력과 전단변형률속도를 관계 지어주는 비례상수 η 를 점도라고 한다.

점도가 상수인 액체를 뉴턴유체(Newtonian fluid)라고 한다. 이는 전단응력이 전단변형률속도에 따라 선형적으로 변하는 경우이다. 뉴턴유체는 변형률속도 민감지수 m값이 1에 해당하는 유동력을 나타낸다고 할 수 있다. 몇 가지 액상재료의 점도를 다음 표에 요약하였다.

각종 액체의 점도계수

 

[유동성]

 

순금속은 일정한 온도에서 고상으로부터 액상으로 용융되지만 합금은 조성에 따라서 특정한 온도범위에서 용융되며, 이 온도범위에서는 고상과 액상의 혼합상태가 유지된다. 금속의 용탕은 상온에서의 물의 점도와 곧잘 비교되는데, 주조나 용접에서는 용탕이 낮은 점도를 유지하면서 주형공동부나 용접부를 원활하게 채운 후에 응고되는 것이 바람직하다. 소성가공이나 기계가공에서도 액상의 윤활제나 냉각제가 종종 사용되며, 이때에도 액체의 점도에 따라서 공정의 성패가 좌우될 수 있다.

 

유리는 금속처럼 일순간에 용융하지 않고 온도가 상승함에 따라 고상에서 액상으로 점진적으로 변화한다. 상온에서의 유리는 취성을 나타내는 고체이므로 무한히 큰 점도를 갖는다고 할 수 있다. 유리를 가열하면, 점차 부드러워지면서 점도가 낮아져서 액체와 같은 거동을 보인다. 이러한 성질을 이용하여 약 1100℃ 근처에서 유리를 불거나 주조하여 원하는 형상으로 가공할 수 있다(상기 표 참조).

 

대부분의 폴리머가공은 재료를 가열하여 액상 또는 준액상상태인 소성상태로 만들어서 수행한다. 열가소성 폴리머는 가장 일반적인 재료인데, 유리와 마찬가지로 낮은 온도에서는 고상이지만, 가열하면 처음에는 부드러운 고무상으로 되었다가 결국에는 점도가 높은 액상으로 된다. 온도가 높아지면 점도가 낮아지지만, 폴리머의 점도는 온도 이외에 유동속도의 영향을 받는 등 그 거동이 복잡한 편이다. 폴리머의 점도는 온도에 따라 일정한 상수가 아니므로, 뉴턴액체의 거동을 보이지 않는다. 즉, 다음 그림에 나타낸 것처럼 전단변형률속도가 증가할수록 점도가 감소하는 경향을 보이며, 이로 인해 폴리머가공의 해석에어려움을 겪기도 한다.

전단변형률속도에 따른전단응력