항복강도 (Yield Strength)

한 줄 정의: 재료가 힘을 받았을 때 원래 모양으로 되돌아오지 못하고 영구적으로 변형되기 시작하는 경계 응력값입니다.

쉽게 풀면

철사 옷걸이를 살짝 구부렸다가 놓으면 다시 펴지지만, 세게 구부리면 손을 놓아도 구부러진 채로 남습니다. 항복강도는 바로 그 "돌아올 수 있는 한계"를 숫자로 나타낸 것입니다.

이 한계보다 작은 힘을 받으면 재료는 고무줄처럼 힘을 없애면 원래 모양으로 되돌아가는 탄성(elastic) 상태에 머물지만, 이 한계를 넘으면 원자 배열 자체가 밀려나서 힘을 없애도 변형이 남는 소성(plastic) 상태로 넘어갑니다.

다리, 건물, 자동차 부품을 설계할 때는 실제 사용 하중이 이 항복강도를 절대 넘지 않도록 여유를 두는 것이 기본 원칙입니다.

왜 중요한가

구조물이나 부품이 실제 사용 중 영구 변형을 일으키면 안전과 기능에 직결된 문제가 생기기 때문에, 항복강도는 재료 설계와 안전율 산정의 출발점이 됩니다. 신소재 개발이나 공정 개선 논문에서는 강도를 얼마나 높이면서도 연성을 유지할 수 있는지가 핵심 주제이기 때문에 항복강도 값이 빠짐없이 보고됩니다.

계산과 범위

단위는 응력과 같은 MPa(= N/mm²)입니다. 공칭응력은 하중 F를 시험 전 단면적 A₀로 나눈 값(σ = F/A₀)입니다.
연강처럼 항복점이 뚜렷한 재료는 응력-변형률 곡선에서 하중이 갑자기 떨어지는 지점(상항복점·하항복점)을 읽습니다.
알루미늄 합금이나 고강도강처럼 항복점이 뚜렷하지 않은 재료는 오프셋법을 씁니다. 변형률 0.2% 지점에서 탄성 구간과 평행한 직선을 긋고, 이 직선이 곡선과 만나는 응력을 0.2% 내력(R_p0.2, 또는 σ_0.2)으로 정합니다. 0.2%는 널리 쓰이는 관행이며 규격에 따라 다른 값을 쓸 수도 있습니다.
범위는 재료마다 크게 다릅니다. 같은 철강이라도 연강은 수백 MPa 안팎, 고강도강은 1,000 MPa를 넘는 것도 있습니다. 같은 합금도 열처리와 가공 정도에 따라 달라집니다.

해석 기준

인장강도와 짝으로 읽습니다. 항복강도는 “영구변형이 시작되는 응력”, 인장강도는 “끊어지기 전 견디는 최대 응력”입니다. 인장강도가 항복강도보다 같거나 큽니다.

설계에서는 항복강도에 안전율을 적용해 허용응력을 정하는 방식이 흔합니다(허용응력 = 항복강도 ÷ 안전율).
항복강도 대 인장강도의 비(항복비)가 1에 가까우면 항복한 뒤 하중을 더 버틸 여유가 작다는 뜻이어서, 구조용 강재 규정에서 항복비 상한을 두는 경우가 있습니다.
결정립이 작을수록 항복강도가 높아지는 경향은 홀-페치 관계(σ_y = σ₀ + k·d^−1/2)로 정리됩니다. d는 평균 결정립 지름입니다.

보고 방법

가상의 예입니다. 지름 10 mm 봉에 23.6 kN 하중에서 항복이 시작되었다면 A₀ = π·5² = 78.54 mm²이므로 σ_y = 23,600 ÷ 78.54 ≈ 300.5 MPa입니다.

오프셋법의 직선은 σ = E(ε − 0.002)입니다. E = 200 GPa(= 200,000 MPa)인 재료에서 ε = 0.0035일 때 직선의 응력은 200,000 × 0.0015 = 300 MPa이므로, 곡선이 이 점에서 직선과 만났다면 0.2% 내력은 약 300 MPa입니다.

논문에는 값과 함께 정의 방식(상·하항복점인지, 0.2% 오프셋인지), 시험 규격, 시편 형상, 변형 속도를 적습니다.
예: “항복강도(0.2% 오프셋) 300 MPa” 처럼 단위와 정의를 함께 씁니다. 반복 시험 평균이면 표준편차나 시편 수도 적습니다.
단순히 “강도”라고만 쓰면 항복강도인지 인장강도인지 알 수 없으므로 구분해서 적습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

국내 학술지 논문에서 이 용어가 쓰인 문장을 그대로 옮겼습니다. 제목·학술지·연도와 원문 링크를 함께 적었습니다.

“산포해석 결과 산포에 유의한 영향을 미치는 인자는 항복강도와 인장강도 순으로 나타났으며, 소재의 인장강도가 클수록 스프링백 양은 증가하는 반면 스프링백의 산포량이 감소하는 것을 확인하였다.”
판재성형공정에서의 소재 강도에 따른 스프링백 산포의 통계분석, 한국융합학회논문지, 2022 · KCI 한국학술지인용색인 · 원문 보기 ↗
“성형공정의 유한요소해석 및 신뢰성 기반 최적화 기법을 적용하여 인장강도, 항복강도, 소재 두께 등 재질 산포와 마찰계수와 패딩력 등의 공정 산포를 고려하여 산포해석을 실시하였다.”
판재성형공정에서의 소재 강도에 따른 스프링백 산포의 통계분석, 한국융합학회논문지, 2022 · KCI 한국학술지인용색인 · 원문 보기 ↗

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

"본 합금의 항복강도(yield strength)는 열처리 전 320MPa에서 열처리 후 450MPa로 약 40% 증가하였다."

이 문장은 "열처리라는 공정을 거치면 재료가 영구 변형되기 시작하는 힘의 크기가 더 커진다", 즉 더 단단하고 잘 안 휘어지는 재료가 된다는 뜻입니다. 신소재나 새로운 열처리 공법의 성능을 비교할 때 항복강도는 가장 먼저 확인하는 지표 중 하나입니다.

"결정립 미세화를 통해 항복강도가 향상되었으나, 연신율은 다소 감소하는 강도-연성 트레이드오프가 관찰되었다."

금속재료공학에서 미세조직 제어가 강도와 연성에 동시에 미치는 영향을 논의할 때 자주 등장하는 표현이다.

"3D 프린팅으로 제작된 시편의 항복강도는 적층 방향에 따라 뚜렷한 차이를 보였다."

적층제조(3D 프린팅) 분야에서 제작 공정 조건이 기계적 물성의 이방성에 미치는 영향을 다룰 때 사용된다.

조금 더 깊게 보면

많은 재료는 응력-변형률 곡선에서 항복점이 뚜렷하게 꺾이지 않고 완만하게 이어지기 때문에, 이런 경우 영구 변형률이 0.2%가 되는 지점의 응력을 항복강도로 정의하는 오프셋(offset) 방법이 일반적으로 쓰입니다. 또한 항복강도는 재료 조성뿐 아니라 결정립 크기, 열처리 이력, 시험 온도와 변형 속도 등에 따라 달라질 수 있어, 논문에서는 이런 시험 조건을 함께 명시하는 경우가 많습니다.

주의할 점

항복강도는 재료가 견디는 최대 응력인 인장강도(ultimate tensile strength)와 다릅니다. 항복강도는 "영구 변형이 시작되는 지점"이고, 인장강도는 "견디는 최대 응력에 이르는 지점"이므로 연성 재료에서는 둘 사이에 여유 구간이 존재하며, 이 관계는 응력-변형률 곡선에서 명확히 확인할 수 있습니다.

헷갈리기 쉬운 용어

강도 용어는 서로 다른 지점을 가리킵니다.

용어	뜻	곡선에서의 위치
항복강도	영구변형이 시작되는 응력	탄성 구간이 끝나는 지점
인장강도	시험 중 도달한 최대 공칭응력	곡선의 정점
탄성계수	탄성 구간의 기울기(강성)	곡선 초기의 기울기

참고 문헌

Hall, E. O. (1951). The deformation and ageing of mild steel: III Discussion of results. Proceedings of the Physical Society, Section B, 64, 747–753.
Petch, N. J. (1953). The cleavage strength of polycrystals. Journal of the Iron and Steel Institute, 174, 25–28.
Dieter, G. E. (1986). Mechanical Metallurgy (3rd ed.). McGraw-Hill.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.