재료의 히스테리시스(Hysteresis)와 에너지 손실의 메커니즘

히스테리시스는 재료가 ‘과거를 기억한다’는 신호다

재료에 하중을 가했다가 다시 제거하면, 우리는 흔히 재료가 원래 상태로 정확히 돌아올 것이라 기대한다. 그러나 실제로 많은 재료는 하중을 제거해도 처음과 동일한 경로로 되돌아오지 않는다. 응력–변형률 관계를 그려 보면, 하중을 증가시킬 때의 경로와 감소시킬 때의 경로가 서로 다른 곡선을 이루며 하나의 닫힌 고리를 형성한다. 이 현상이 바로 히스테리시스다. 히스테리시스는 재료가 단순히 현재 하중에만 반응하는 것이 아니라, 이전에 어떤 변형을 겪었는지를 내부에 흔적으로 남기고 있음을 보여준다.

 

 

히스테리시스 루프는 에너지가 사라진 흔적이다

히스테리시스 곡선이 만들어내는 닫힌 면적은 단순한 그래프의 모양이 아니라, 실제 물리적 의미를 가진다. 이 면적은 한 번의 하중 주기 동안 외부에서 가해진 에너지 중 재료 내부에서 열이나 미세 손상으로 소모된 에너지의 크기를 나타낸다. 즉, 재료는 받은 에너지를 전부 저장했다가 다시 돌려주는 것이 아니라, 일부를 내부 마찰과 미세 구조 변화에 사용해 소모한다. 히스테리시스는 에너지가 ‘사라진 것처럼 보이는’ 현상이 아니라, 다른 형태로 전환되었음을 보여주는 기록이다.

 

에너지 손실은 미세한 내부 운동에서 시작된다

히스테리시스의 근본 원인은 재료 내부의 미시적인 거동에 있다. 결정 구조를 가진 재료에서는 전위의 이동과 재배열이 반복 하중 중에 발생하고, 고분자나 고무 재료에서는 분자 사슬의 늘어남과 풀림이 완전히 되돌아가지 않는다. 이 과정에서 내부 마찰이 발생하며, 외부에서 가해진 에너지는 열로 변환되거나 미세 손상에 소비된다. 중요한 점은 이러한 과정이 겉보기에는 거의 변형이 없는 탄성 범위에서도 발생할 수 있다는 사실이다. 히스테리시스는 반드시 큰 소성 변형이 있어야만 나타나는 현상은 아니다.

 

히스테리시스는 구조물에 ‘감쇠 능력’을 부여한다

히스테리시스는 에너지 손실이라는 측면에서 보면 부정적으로 보일 수 있지만, 구조물 관점에서는 매우 중요한 긍정적 역할을 하기도 한다. 반복 하중이나 진동이 작용할 때, 히스테리시스를 가진 재료는 에너지를 내부에서 소모함으로써 진동을 줄이고 응답을 완화한다. 이 때문에 지진 에너지를 흡수하는 구조 요소나 진동 감쇠 장치에서는 의도적으로 히스테리시스 거동이 큰 재료나 구조 형상이 사용된다. 히스테리시스는 단순한 손실이 아니라, 에너지를 안전하게 없애는 메커니즘이 될 수 있다.

 

히스테리시스를 이해하지 못하면 반복 하중을 과소평가한다

반복 하중이 작용하는 구조물에서 히스테리시스를 고려하지 않으면 두 가지 위험이 동시에 발생한다. 하나는 에너지 손실을 무시해 구조물의 응답을 과대평가하는 것이고, 다른 하나는 내부 손상의 누적을 간과하는 것이다. 히스테리시스는 구조물이 매 주기마다 조금씩 다른 상태로 변하고 있음을 의미하며, 이는 피로 파괴와 직접적으로 연결된다. 결국 히스테리시스를 이해한다는 것은 재료가 하중을 ‘어떻게 기억하고, 어떻게 잊는지’를 이해하는 것이며, 이는 비선형 거동과 에너지 기반 설계를 이해하기 위한 핵심 열쇠다. 재료의 히스테리시스는 구조물이 살아 움직이며 에너지를 소화하는 방식 그 자체라고 볼 수 있다.