크리프 곡선과 크리프 한도 LVDT(Linear Voltage Differential Transformer)

목차

▲ 크리프율
1. 크리프 곡선
2. 크리프 한도

▲ LVDT(Linear Voltage Differential Transformer)
1. 변위센서의 개요
2. 변위센서의 원리
3. 변위센서의 용어설명
4. 변위센서의 적용

▲ 실험 결과
1.DATA sheet
2. 그래프

▲ 고 찰

본문내용

리프 변형도, A : 재료상수, t : 시간)
이 실험에서는 최초 하중에 따른 탄성변형도는 지름 1.2mm에서만 해도 0.005와 0.0129가 나왔는데 같은 1.5kg이라는 하중에서 큰 차이를 보이는 것은 실험기구 조작의 미숙과 완전히 곧은 재료가 아니라 순간적으로 재료가 펴지면서 더 큰 충격이 가미되었기 때문이다. 변형률은 시간이 지남에 따라 감소하는 추세로 되어야 하나 실제 그래프에서는 3kg과 4.5kg만을 제외하고 약간의 그런 현상을 보이고 있으나 뚜렷하지는 않다.
크리프 곡선의 Ⅰ단계가 끝나면 어느 순간에 가해준 하중과 재료의 미세조직 사이에 동적 평형이 이룩되어 최소의 크리프 속도가 얻어진다. 이 구역에서는 크리프 변형도와 시간 사이에 다음과 같은 선형적인 관계가 성립된다.
여기서 특히 β는 크리프 율(로서 재료의 또 다른 물성치가 된다. 이 구역은 Ⅱ단계 혹은 2차 크리프로 부른다. 공업적인 응용에서 전형적으로 겪게 되는 온도와 하중조건에서 Ⅱ단계는 다른 단계들보다 훨씬 오랫동안 지속되며 응력-변형도-시간 곡선의 가장 중요한 영역이다. 이 영역에서의 변형도는 최소 크리프 속도(Minimum Creep rate) β로 정의되며 구조요소의 실용수명을 계산하는 데 사용된다.
이 실험결과 그래프에서 Ⅱ단계를 살펴보면 1.6mm에서의 3.0kg하중을 제외하면 비슷한 기울기로 선형적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있어 재료의 일치성을 예상할 수 있다. 이 재료의 대략적인 크리프율을 계산하면 대략 정도가 나온다.
마지막으로 길이가 매우 많이 늘어나면 재료 내부에 큰 결함들이 나타나기 시작하면서 연신율이 급격히 증가하게 된다. 이를 Ⅲ단계 또는 3차 크리프로 부르며 이 영역에서는 변형도가 시간의 지수함수적으로 증가한다. Ⅲ단계에서 일정한 응력에 대한 변형도-시간 관계는 다음과 같이 정의 할 수 있다.
(B,C,γ : 재료 상수들)
비록 대부분의 변형이 Ⅲ단계에서 일어나기는 하지만 너무 짧은 시간에 일어나기 때문에 이 변형도는 공학적으로 쓸모가 없다. 위 그래프에서도 모두 변형률이 짧은 시간에 모두 크게 변화하였고 결국 파절에 이르게 되었다.
이 실험은 6번에 걸쳐 하였는데 모두 같은 재료인 땜납을 사용하였다. 같은 재료인 만큼 그 크리프 거동 또한 같은 양상을 띠어야 하나 위 결과를 보면 그렇지 않다. 그 이유는 다음과 같다.
먼저 실험기구 및 재료의 취약성이다. 디지털로 변위가 측정되는 LVDT의 측정 범위를 넘어서서 재료가 늘어났기에 실험 도중 눈으로 직접 눈금을 읽어야 해서 정확하지 않은 변위량이 나왔을 것이다. 또 추를 놓고 하중이 가해지기 직전에 고정시켜줄 기구가 없어 시작과 동시에 손을 천천히 놓아야 하는 상황이라 당연히 정확한 탄성변형도를 구할 수 없었다. 재료로 사용한 땜납과 같은 경우 300mm로 잘라내야 하나 구부러진 부분이 많아 오차가 커질 수밖에 없었고 균질한 재질이 아니라는 것, 눈에는 보이지 않았지만 노치가 생긴 부위도 있을 가능성을 무시할 수 없었다.
두 번째, 환경의 영향이다. 날씨에 따라서 변형률이 달라지며 이 실험과 같은 경우는 날씨가 어떠냐에 따라 변위가 100mm를 훌쩍 뛰어 넘는 경우도 있다. 크리프 파단 시험에 이상적인 조건은 시험편이 가하여진 응력과 온도에만 영향을 받는 상황이다. 이러한 경우는 실제 거의 일어나지 않고 특히 고온에서는 더욱 일어나지 않는다. 또한 이러한 조건은 크리프 조건하에서 사용되는 실제 재료에 대해서도 거의 일어나지 않는 상황이다. 예를 들어 터빈 블레이드는 계속적으로 고온의 반응성이 있는 기체에 노출되어 부식과 산화가 일어난다.
시험환경과 재료사이의 반응은 눈으로 감지할 수 없는 작은 효과로부타 ms 규모의 효과에 이르기까지 매우 다양하다. 예를 들어 알루미늄, 철-크롬-알루미늄, 니켈-크롬과 니켈을 주로한 초합금은 고온의 공기중에서도 별로 문제가 되지 않는다. 이것은 이러한 재료가 얇은 안정된 보호 산화막을 생성하기 때문이다. 한편 이러한 상황과 판이하게 다른 것이 몰리브데늄, 니오비윰과 같은 내화금속과 그들의 합금인데 이들은 산소와 반응하여 다공질이며 어떤 경우는 휘발성이 있는 산화물을 형성하기 때문이다. 산화나 부식과 같은 환경요인은 실제 하중을 받는 단면적으로 감소시키고 또한 균열의 생성과 성장을 촉진할 수 있다. 심지어 진공과 같은 반응이 없는 환경이나 환원 분위기에서도 반응이 일어날 수 있다. 진공에서의 고온 시험은 합금 원소 중 휘발성이 있는 원소의 손실을 초래하여 강도가 낮아진다. 환원 분위기에 노출되면 침입형 고용체 원자(탄소, 수소, 질소)가 흡수되어 강도는 증가 할망정 취성이 증가한다.
따라서 모든 크리프 시험에 대하여 완전한 환경조건은 존재하지 않는다. 재료나 사용 목적 등을 고려하여 환경효과를 최소화할 수 있도록 적절히 선택하여야 한다. 만일 크리프기구를 규명하고자 한다면 분위기는 될 수 있는 대로 반응이 없는 것이어야 하고 어떤 재료가 반응이 있는 분위기에 실제로 사용된다고 하면 크리프 파단시험에서 그러한 분위기 효과를 반영하여야 할 것이다.
마지막으로 실험을 진행하는 사람의 실수와 주관적인 관점이다. 정확한 치수의 재료준비, 실험 중 작아지는 단면적으로 인해 파단되기 전에 미끄러지는 현상으로 변위의 변화, 측정 시 실험자 주관적인 시각으로 판단한 측정치 등이 그러한 것들이다. 게다가 추를 너무 급하게 놓을 시 재료에 노치가 생겨 변형에 의한 순수한 파단이 될 수 없고, 파단 직전 옆 테이블의 추의 하락으로 생긴 충격으로 좀 더 일찍 재료가 파절 될 가능성도 있을 것이다.
이번 실험을 통해서 크리프라는 것이 무엇인지, 뿐만 아니라 크리프율과 크리프 한도의 중요성을 실감할 수 있었고 재료역학적인 이론을 실제 실험을 통해 부합되는 것에 기쁨을 금치 못하겠다. 그리고 공학도로서 어떤 시스템을 설계 시 재료 특성을 잘 알고 해당되는 적절한 것을 사용해야겠다는 것을 다시금 느낄 수 있었고 크리프 거동은 재료의 미세조직 이전의 공정과 역학적 이력 조성에 매우 민감하므로 조성과 공정이력을 현명하게 선택함으로써 공학적으로 유리한 방향으로 조절이 가능하게 하는 척도가 될 수 있겠다.

키워드

크리프,   기계실험,   예비보고서