[인장시험] 인장시험 - 공학적응력과 공학적 변형률, 탄성 계수와 탄성에너지율, 실험결과, 결과분석

소개글

[인장시험] 인장시험 - 공학적응력과 공학적 변형률, 탄성 계수와 탄성에너지율, 실험결과, 결과분석에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 인장시험기

2. 철

3. 공학적응력과 공학적 변형률

4. 탄성 계수와 탄성에너지율

5. 실험 결과

6. 실험 결과분석

7. 실험에 대한 고찰

본문내용

차는 규격(ASTM, KS)에 맞는 시편을 준비하여 인장시험기로 시험한다. 인장시험을 할 수 있는 시험기는 현재 다양한 종류가 개발되어 있다.
인장시편은 판재나 관재의 형상도 있지만 대부분의 경우는 원형 단면을 가진 봉재 형상으로 제작된다. 원래 길이가 l0이며 단면적이 A0인 시편을 생각하자. 여기서 원래길이란 시편에 표시한 표점사이의 거리, 즉 표점거리를 의미하며, 표점거리는 50mm(혹은 2in.)가 일반적이다. 구조물의 부재와 같은 큰 시편의 경우에는 표점거리를 더 크게 해도 된다. 공학적 응력(engineering stress)혹은 공칭 응력(nomina stress)은 원래 단면적에 대한 작용하중의 비로 정의 되며 다음과 같다.
공학적 변형률은 다음과 같이 계산되어 진다.
4. 탄성 계수와 탄성에너지율
인장 시험시 시편은 비례한도(Proportional limit)에 도달하기 까지 작용하중에 비례하여 늘어난다. 따라서 이 구간에서의 재료의 거동을 선형 탄성거동(linear elastic behavior)이라고 한다. 비례한도 점부터 항복점(yield point)Y까지는 엄격히 선형거동은 아니지만 소재는 여전히 탄성변형을 한다. 따라서 항복점에 도달하기 전에 하중을 제거하면 시편은 원래 형상으로 되돌아 온다. 탄성계수(elastic modulus 혹은 Young's modulus)의 정의는 다음과 같다.
이와 같은 선형적인 응력-변형률 관계식을 Hooke의 법칙이라고 하며 로 나타낼 수도 있다.
시편이 길이 방향으로 늘어나면 횡방향(즉, 단면방향)으로는 줄어든다. 길이 방향에 대한 횡방향 변혈률 비의 절대값을 포아송비(Poisson's ratio) ν라고 한다. 여러 가지 재료들에 모두 존재하는 값이다.
응력- 변형률 곡선 아랫부분에서 재료의 항복점 Y까지의 면적을 이 재료의 탄성 에너지율(modulus of resilience)라고 한다.
이 면적은 단위 체적당 에너지의 단위를 가지며 재료가 탄성적으로 저장 할 수 있는 비에너지(specific energy)를 나타낸다.
하중이 증가되면 재료는 항복하기 시작한다. 즉 소재가 소성변형 혹은 영구변형이 되기 시작하며 응력과 변형률 사이의 관계도 더 이상 선형적이지 않다. 대부분의 재료에서는 항복점 전후로 응력-변형률 곡선의 기울기 변화가 작기 때문에 항복점을 구하기 쉽지 않다. 하중의 증가와 더불어 시편의 길이는 계속 늘어나고 단면적은 길이 방향에 대해 균일하게 줄어 든다. 그러다가 마침내 하중(혹윽 공학적 응력)은 어떤 최대점에 도달한 후 감소하기 시작한다. 이 최대 응력을 재료의 인장강도(tensile strength) 혹은 극한인장강도(ultimate tensile strength, UTS)라고 한다.
연성(ductility)
인장 강도가 재요의 강도를 전반적으로 대표하는 실용적인 척도라면 파단시의 변형률은 연성, 즉 재료가 파단될 때까지 얼마나 많은 변형을 견딜 수 있는지를 나타내는 척도이다. UTS 점까지의 변형률을 균일 변형률(uniform strain)이라고 하며, 파단시의 변형률 연신률(elongation)이라고 하다. 연신율은 파단된 시편을 다시 맞춘 후 표점 사이의 거리를 측정한 값, 즉 총 연신량으로부터 구해진다.
인장시험에서 연성을 나타내기 위해 보편적으로 사용되는 양은 연신율과 단면 감소율의 두 가지이다. 연신율은,
여기서 lf는 파단시의 길이이다.
연성을 나타내는 두 번째 척도는 단면 감소율로
여기서 Af는 파단면의 단면적이다.
진응력(true stress) 과 진변형률(true strain)
원래 응력이란 단위면적당 작용하는 하중을 의미하므로 다음과 같이 정의되는 진응력을 사용하는 것이 타당하다.
여기서 A는 하중이 작용되는 순간의 실제 단면적이다. 마찬가지 이유로 전체 인장시험을 일련의 증분형태의 인장시험들의 연속으로 보면, 각 증분단계에서는 바로 직전에 변형된 길이를 시편의 원래길이라고 생각할 수 있다. 이러한 측면에서 다음과 같이 정의되는 진변형률 혹은 대수변형률(natural 혹인 logarithmic strain) ε이 사용된다.
5. 실험 결과
최초의 길이 l0 = 54.50mm
최초의 직경 D0 = 9.60mm
파단시의 길이 l = 59.40mm
파단시의 직경 D = 7.45mm
항복점 응력
극한 응력
파단점 응력
6. 실험 결과분석
공학적 변형률(공칭 변형률)
공칭 응력
진 응력, 진 변형률
탄성계수
탄성에너지율
연신율
단면감소율
진변형률
7. 실험에 대한 고찰
실험결과를 기초로 하여 이와 비슷한 재료를 찾아보니 이러한 특성을 가지는 금속 재료는 순철 또는 연강임을 알수 있었다. 실험에서 사용된 재료는 실험결과로 분석해 본다면 연성 재료였고 실제 파괴 단면형상도 연성재료의 성질인 컵앤콘 모양이었고 단면 역시 섬유질이 찢긴 형태로 나타났다. 실험 결과는 어느정도 실제와 비슷하게 나왔고 응력 변형률 선도 역시 결과값이 많지 않아서 정확하게 그려낼수 없었지만 연성재료의 응력-변형률 선도를 참고로 추정해 보면 전형적인 연성 재료의 응력-변형률 선도와 비슷하게 그려졌다.
고체역학과 제작공정 시간에 이론상으로만 배운 것들에 대해 직접 실험을 통하여 직접 경험을 할 수 있었다. 우리조의 경우 철의 인장시험을 하였는데, 시편에 가한 하중이 너무 적어서 인지 2번이나 실패를 하였고, 시편을 바꾸어서 다시 실험을 하여서 성공을 하였다. 하중을 가할 때 다이얼을 돌려 하중을 조정하는데 실제로 원하는 만큼 하중을 가하는 속도를 일정하게 할 수 없어서 실험이 어려웠다. 또 인장시험기에 시편을 물리는데 있어서도 정확한 위치의 선정이 어려웠고 또한 제대로 물렸는지 검사해볼 수 있는 방법이 없이 직접 실험에 임해야 했기 때문에 실험이 까다로웠던 것 같다. 또한 그래프도 원통에 종이를 붙여서 그래프를 그리는 방식이었다. 인장시험을 하는 원리를 알기에는 충분한 장치였지만 하중과 그래프는 디지털화된 실험기였으면 좀더 훌륭한 실험이 되지 않았을까 하는 생각이 든다.
참고자료
김 낙수 외 공역/ 공업재료가공학 / 피어슨 에듀케이션 코리아
김성도, 정진화, 구조공학실험, 새길

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