3. 재료의 선택 및 기계적 성질[1]

1. 재료의 선택

기계에 사용되는 재료에는 철, 강, 주철, 합금강, 비철금속, 비철금속합금(동합금, 알미늄합금 등) 및 비금속재료로서 플라스틱, 세라믹, 섬유, 특수유리, 고무 등 그 종류가 대단히 많으나, 최근에는 절단재료로서 신소재가 개발되어 나옴으로써 재료의 특성이 인간이 바라는 우수한 기능을 갖게되어 활용과 응용이 장차 많이 기대된다. 신소재의 예를 들면 섬유강화금속, 유리섬유, 탄소섬유, 진동감세쇠강판, 기능성막재료, 강화복합재, 전자기판, 초전도재, 아몰퍼스금속, 도전성플라스틱, 엔지니어링플라스틱, 내열성플라스틱, 고분자막재료, 엔지니어링세라믹, 뉴세라믹, 세라믹센서, 섬유세라믹스, 고강력강 및 고장력판,기타 여러 종류가 있겠으나 아직은 특수분야의 기계에만 채용되고 있다. 기계재료의 선택은 대단히 중요하며 현존하는 재료의 기재적 성질, 물리·화학적 성질, 가공법, 내식성, 열처리법, 가공성 및 경제성에 대하여 충분한 지식을 갖출 필요가 있고, 사용 목적에 따른 선택이 정확해야 한다. 또 고온, 저온에서 사용되는 것은 각각의 온도에 있어서의 성질을 알아 두어야 하며, 특히 최근에는 신소재 개발이 활발하므로 이 경향에서도 항상 주의하고 있어야 한다. 설계에 즈음하여 먼저 각 부의 요구하는 성질을 만족하는 재료를 결정하여야 한다. 맨 먼저 재료의 파괴강도에 관하여 고려하기 쉬우나 실제로는 이것과 동시에 강성, 즉 강성계수가 큰 것을 고려하지 않으면 안 된다. 또 이외에 진동에 대한 급진성, 방청성, 단위중량당의 강도, 전자기성질, 미관, 각종의 특수성질 등도 필요에 따라서 고려해야 한다. 다음에 플라스틱과 복합재료에 대하여 생각하면 플라스틱은 금속재료에 비하여 강도는 훨씬 낮으나, 경량으로 내식성이 풍부하고, 사출성형이 쉬우므로 양산성이 높다. 또 윤활성, 차음성도 있으므로 강도가 문제되지 않은 기어장치에서는 플라스틱으로 제작하으로써 극히 정숙한 운전이 가능하고, 싸이렌트 기어로서 사용된다. 그러나 플라스틱은 일반적으로 열에는 강하므로 용도가 제한되고 소량품의 제작에는 적합하지 않다.무기재료, 고분자재료, 금속재료 등 2 종류 이상의 재료를 조합성형함으로써 주재료의 특색을 살리면서 단점을 보강시키는 것으로 생각된다. 이와 같은 재료를 복합재료(composite material)라고 부르며 예로서 섬유강화재료(FRP), 섬유강화금속 등이 있다.특히 섬유강화복합재료에서는 유리섬유나 탄소섬유의 높은 인장강도와 플라스틱의 인성과를 조합함으로써 경량, 고인성, 고강도의 재료를 얻을 수 있다. FRP는 섬유재료와 모재와 고분자 재료의 조합에 의하여 여러 가지 성질을 갖는 것을 만들어 낼 수 있으므로 그 특징을 살려서 각종 구조물이나 기계요소, 케이스 등에 사용되고 있다. 최근에는 금속-플라스틱의 복합재료, 금속대 금속의 복합재, 세라믹의 복합재료도 사용되기 시작하였으며, 단순히 기존재료에만 의존하는 소극성에서 벗어나서 목적에 합치되는 복합재료를 설계하고, 제조하여 사용하는 적극적 재료선택도 가능하게 되어간다. 기타, 재료의 선택을 구조와 관련시켜서 목적에 맞는 것을 만드는 예를 들면 샌드위치 구조 등과 같다. 이 경우 얇고 강한 표면재(강, 알미늄합금, FRP 등)과 두껍고 가벼운심재(플라스틱 등)을 접합함으로써 가볍고도 굽힘강도 및 강성이 큰 판넬을 얻을 수 있다. 또 고가의 재료의 사용을 필요한 부분에만 제한할 수 있으므로 경제적 선택도 된다.