탄소강 합금강 물성치 보는 법｜S45C·SCM435 인장강도·항복강도·전단·비틀림 설계 기준

기계설계에서 재질을 고를 때 가장 위험한 접근 중 하나가 “철이니까 이 정도는 버티겠지”라고 생각하는 것입니다.

프레임, 브라켓, 샤프트, 핀, 지그, 금형 부품을 설계해 보면 같은 철강 계열이라도 탄소강인지 합금강인지, 열처리를 했는지, 어떤 방향으로 하중을 받는지에 따라 실제 설계 기준이 상당히 달라집니다.

저도 설계할 때 재료표에서 인장강도 숫자 하나만 보고 바로 재질을 결정하지는 않습니다.

먼저 부품에 걸리는 하중을 인장·압축·굽힘·전단·비틀림으로 나누고, 그다음 항복강도 → 반복하중 → 응력집중 → 열처리 → 가공성 → 수급성 순으로 보는 편입니다.

인장·압축·굽힘·전단·비틀림은 어떻게 다른가?

물성치를 보기 전에 부품이 실제로 어떤 힘을 받는지를 먼저 구분하면 표를 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다.

인장강도보다 항복강도를 먼저 보는 이유

항복강도 Yield Strength는 하중을 제거해도 원래 형상으로 완전히 돌아오지 않는 영구변형이 시작되는 기준입니다.

인장강도 Tensile Strength는 인장시험에서 재료가 견디는 최대 인장응력에 해당합니다.

기계부품에서는 실제 파단보다 먼저 발생하는 작은 영구변형 때문에 조립공차가 틀어지거나 베어링 정렬이 무너지고, 기어 물림이나 실링 성능이 나빠지는 경우가 있습니다.

그래서 제가 일반적인 연성 금속 부품을 검토할 때는 “끊어지는가?”보다 “먼저 변형되는가?”를 우선 확인합니다.

탄소강·합금강 물성치에서 실제로 확인하는 값

탄소강 SAE 1010·1020·1045·1050 물성치 비교

탄소강은 단순히 번호가 커질수록 무조건 좋은 재질이라고 보면 안 됩니다.

탄소 함량이 증가하면 일반적으로 강도와 경도를 확보하기 유리해지지만 가공성, 용접성, 연성, 열처리 조건 등 다른 변수도 같이 달라집니다.

더 중요한 부분은 같은 1045라도 열간압연과 냉간가공, 노멀라이징, 담금질·뜨임 상태의 물성값이 서로 다르다는 점입니다.

S45C·SCM435·SCM440는 어떻게 구분해서 볼까?

국내 기계설계에서는 S45C와 SCM 계열을 비교하는 경우가 많습니다.

S45C처럼 기계구조용 탄소강을 사용할지, 크롬과 몰리브데넘을 포함하는 SCM 계열 합금강을 사용할지는 단순한 강도 숫자만으로 결정하기 어렵습니다.

저라면 하중이 크지 않고 가공성과 비용이 중요한 일반 치공구 부품이라면 먼저 탄소강 계열을 검토합니다.

반대로 작은 단면에서 높은 강도가 필요하거나 반복 토크와 충격을 받는 축·기어·고강도 볼트라면 SCM 계열과 열처리 조건까지 함께 검토할 것 같습니다.

압축강도는 인장강도처럼 숫자 하나로 보면 안 됩니다

기존 기계설계 자료를 보면 철강의 인장·압축·굽힘강도가 한 표에 나란히 적혀 있는 경우가 많습니다.

하지만 연성 강재의 압축 설계에서는 재료 자체의 파괴강도만큼 좌굴 Buckling이 중요한 경우가 많습니다.

길고 가는 기둥이나 프레임은 재료가 압축 항복강도에 도달하기 전에 옆으로 휘면서 불안정해질 수 있습니다.

프레임·기둥 설계

압축하중을 받는 프레임은 단면적만 키우기보다 길이, 단면2차모멘트, 지지조건, 세장비를 같이 봐야 합니다.

주철처럼 취성재료를 보는 경우

주철처럼 인장과 압축 거동 차이가 큰 재료는 강재와 같은 방식으로 판단하면 안 됩니다.

특히 인장·충격·교번하중이 예상되는 구조라면 재료 특성에 맞는 별도 파손 기준을 적용하는 것이 좋습니다.

굽힘강도도 재료표 숫자만 보는 것은 부족합니다

브라켓이나 레버가 휘어질 때는 부품 외측에서 높은 인장·압축응력이 발생합니다.

따라서 실제 설계에서는 하중으로 발생하는 굽힘모멘트와 단면계수를 이용해 굽힘응력을 계산하고, 이것을 재료의 항복 기준 또는 피로 기준과 비교합니다.

이 부분 때문에 재질만 바꿔 해결하려 하기보다 단면 형상을 먼저 수정하는 것이 더 효율적인 경우도 많습니다.

예를 들어 얇은 평판 브라켓이 계속 휘어진다면 고강도강으로 교체하기 전에 리브 추가, 절곡 형상 변경, 하중점 이동, 판두께 조정으로 단면 강성을 높이는 방법도 같이 검토합니다.

전단강도는 핀·볼트·키 설계에서 중요합니다

핀과 볼트는 외관상 멀쩡해 보여도 체결부 경계에서 서로 반대 방향으로 힘을 받으면 전단응력이 발생합니다.

단전단인지 복전단인지에 따라 실제 전단면 수도 달라집니다.

볼트를 볼 때는 전단응력 하나만 계산하지 않고 볼트 인장, 체결력, 접촉압력, 나사부 유효단면, 반복하중까지 같이 보는 편이 안전합니다.

비틀림강도는 샤프트 설계에서 특히 중요합니다

모터와 감속기 사이의 샤프트는 회전하면서 토크를 전달하기 때문에 비틀림을 받습니다.

원형축에서는 지름이 조금만 달라져도 비틀림응력이 크게 변하기 때문에 재질을 한 단계 올리는 것보다 축경을 조정하는 것이 훨씬 효과적인 상황도 있습니다.

키홈이 있는 샤프트는 더 조심합니다

계산상 축경이 충분해도 키홈, 스냅링 홈, 단차, 나사산처럼 형상이 급격히 변하는 부분에서는 응력집중이 발생합니다.

특히 회전축은 같은 위치에 인장과 압축 상태가 반복될 수 있어 정적 강도보다 피로 검토가 더 중요해질 수 있습니다.

정하중·동하중·교번하중 차이

응력과 안전율을 빠르게 확인하는 방법

초기 설계에서 단면이 터무니없이 작은지 빠르게 확인할 때는 복잡한 해석에 들어가기 전에 기본 응력부터 계산해보면 도움이 됩니다.

아래에서는 입력값을 바꾸면 결과가 바로 갱신됩니다.

안전율은 무조건 2나 3을 넣는 값이 아닙니다

안전율은 불확실성을 반영하기 위한 값이지만 모든 부품에 같은 숫자를 적용하는 것은 좋은 방법이 아닙니다.

하중을 정확히 알고 있고 재료 편차가 작으며 파손 시 위험이 낮은 경우와, 충격하중이 있고 사람이 가까이 있으며 재질 편차와 사용조건이 큰 경우는 요구되는 판단 수준이 다릅니다.

특히 안전규격이 적용되는 제품은 임의의 경험값보다 해당 산업 규격과 회사 설계기준을 우선해야 합니다.

열처리를 빼놓고 물성치를 보면 안 되는 이유

같은 재질명인데 협력사가 보내온 성적서와 CAD 라이브러리의 항복강도가 다른 경우가 있습니다.

이럴 때 가장 먼저 확인할 것이 공급상태와 열처리 상태입니다.

도면에는 재질명만 적으면 충분할까?

실무에서 저는 재질명이 같다는 이유만으로 같은 부품이라고 보지 않습니다.

강도와 마모가 중요한 부품이라면 도면과 발주조건에서 최소한 아래 항목을 확인하는 편이 좋습니다.

• 적용 재료 규격 : KS·JIS·ASTM·SAE 또는 사내규격
• 정확한 강종 : S45C·SCM435 등
• 열처리 : Q&T·침탄·고주파 등
• 목표 경도 : HB·HV·HRC와 측정 위치
• 표면처리 : 도금·질화·흑착색 등
• 검사 성적서 : 필요 시 Chemical·Mechanical Property 확인

KS·SAE·ASTM 규격은 재질표와 함께 확인합니다

인터넷에 올라온 물성치표는 빠른 비교에는 편하지만 최종 발주와 안전설계 기준으로는 부족할 수 있습니다.

국내 기계구조용 탄소강과 합금강은 관련 KS 규격을 확인하고, 해외 재료를 사용할 때는 실제 구매사양에 맞는 ASTM·SAE 규격을 확인하는 편이 좋습니다.

NX에서 물성값을 입력할 때 제가 먼저 확인하는 부분

3D CAD에 재질 이름을 Steel로 지정했다고 해서 구조해석에 필요한 물성값까지 자동으로 정확해지는 것은 아닙니다.

NX에서 회사 재질 라이브러리를 만들거나 외부 데이터를 받아 해석할 때는 재질명보다 실제 Property 값을 확인하는 습관이 중요합니다.

중량만 볼 때

질량과 무게중심만 확인하는 목적이라면 먼저 밀도와 모델 단위가 맞는지 확인합니다.

선형 구조해석을 할 때

최소한 탄성계수, 포아송비, 항복강도와 필요한 강도 기준을 실제 재질 데이터에 맞춰 확인하는 편이 좋습니다.

양산품을 검증할 때

라이브러리에 저장된 일반값보다 실제 공급사 성적서와 도면 재질 규격을 우선하고, 해석 모델에 사용한 값이 무엇인지 기록해두는 편이 나중에 설계변경 이력을 추적하기 쉽습니다.

MPa·N/mm²·kgf/cm² 단위가 섞여 있다면

오래된 기계설계 자료에는 kgf/mm² 또는 kgf/cm²가 남아 있고 최근 CAD·CAE와 재료성적서에서는 MPa를 사용하는 경우가 많습니다.

특히 1 N/mm² = 1 MPa이므로 mm-N 단위계로 설계하면 응력을 읽기가 비교적 편합니다.

단위를 바꿀 때 숫자만 옮기지 말고 NX 모델 단위, 밀도 단위, 하중 단위까지 같이 확인하는 것이 좋습니다.

NX UNIT NX CAD PRT mm·cm·inch 단위변경 모델 단위와 표시 단위를 혼동했을 때 확인할 내용을 함께 정리했습니다. NX 단위 확인 →

재질을 선택할 때 강도가 가장 높은 것을 고르면 될까?

저라면 그렇게 고르지 않을 것 같습니다.

고강도 재질은 작은 단면에서 강도를 확보하기 좋지만 가공비와 원소재 가격이 올라갈 수 있고, 열처리 변형과 용접성, 납기까지 문제가 될 수 있습니다.

반대로 강도가 낮더라도 구조 형상을 조금 바꾸면 훨씬 저렴하고 안정적으로 문제를 해결할 수 있습니다.

기계설계에서 물성치표를 사용할 때 자주 하는 실수

재료 이름만 같으면 같은 물성이라고 생각한다

같은 강종이라도 압연상태와 열처리, 경도, 단면 크기가 다르면 실제 물성이 달라질 수 있습니다.

최대 인장강도를 허용응력으로 사용한다

인장강도는 재료의 최대 인장응력을 나타내는 값이지 설계자가 그대로 허용해도 되는 응력이라는 뜻은 아닙니다.

정하중 계산으로 회전축을 끝낸다

회전·진동·왕복작동 부품은 반복하중과 응력집중을 추가로 검토해야 합니다.

키홈과 단차를 무시한다

샤프트의 지름이 충분해 보여도 키홈과 스냅링 홈, 작은 필렛에서 피로 균열이 시작될 수 있습니다.

CAD 재질 라이브러리 값을 무조건 믿는다

프로그램에 들어 있는 Steel이라는 이름이 실제 구매한 S45C Q&T 재료를 의미하지는 않습니다.

최종 검토에서는 도면과 소재 규격, 공급사 성적서의 값이 일치하는지 확인하는 것이 좋습니다.

탄소강 합금강 물성치 자주 묻는 질문

탄소강·합금강 물성치 최종 정리

탄소강과 합금강을 비교할 때 인장강도 하나만 높은 재료를 찾는 방식으로 접근하면 실제 설계에서 중요한 부분을 놓치기 쉽습니다.

먼저 하중이 인장인지, 압축인지, 굽힘인지, 전단인지, 비틀림인지 구분합니다.

그다음 항복강도와 변형량을 확인하고, 회전이나 진동이 있다면 피로와 응력집중을 추가로 봅니다.

마지막으로 열처리, 가공성, 용접성, 가격, 소재 수급과 실제 밀시트까지 연결해야 재질 선정이 완성됩니다.

제 생각에는 재질표는 “정답표”라기보다 설계를 시작하기 위한 비교표로 사용하는 것이 가장 적절합니다.

최종 제품의 안전을 결정하는 것은 재료 이름 하나가 아니라 하중·형상·재료상태·제조조건·안전율을 함께 맞추는 과정입니다.

공식 참고자료

• 한국표준정보망 KS D 3752 기계 구조용 탄소 강재
• 한국표준정보망 KS D 3867 기계구조용 합금강 강재
• ISO 6892-1 Metallic materials — Tensile testing
• ASTM A29/A29M Steel Bars, Carbon and Alloy
• SAE J403 Chemical Compositions of SAE Carbon Steels
• 현대제철 고탄소·합금강 제품 규격