[기계 공학 응용 실험] 5. 인장 실험 (A+자료)

소개글

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목차

1. 서론
1-1. 실험 목적
1-2. 이론적 배경

2. 본론
2-1 실험장치의 구성 및 방법
2-2 실험 결과
2-3 고찰

3. 결론

4. 참고 문헌

본문내용

구하기 위해서는 위의 정의에 따라서 비례한도내의 직선 구간의 기울기를 구해야 한다. 하지만 실험결과가 정확히 직선으로 나타나지 않았기 때문에 위에서 두 가지 방법으로 측정을 하였다. 첫 번째는 가장 비례 구간으로 보여지는 곳에서의 기울기를 구하는 것이고 두 번째는 비례한도 내에서 1차 선형 보간을 하여서 기울기를 구하는 것이다. 위의 첫 번째 방법으로 E=을 구했고, 이 시편의 종탄성계수인 와 차이가 크기 때문에 두 번째 방법인 직선 보간을 해보았지만 오히려 밖에 나오지 않았다. 이는 하중을 가한 초반에 너무 직선과 다른 모양이 영향을 주는 것이라 생각되고, 실제 정확한 E값을 구하는데는 어려움이 있을 것이라 생각 된다.
항복점 설명
결과 및 고찰
탄성한도를 지나 약간 하중을 증가시키면 재료가 파손이 일어나고 영구 변형이 발생 하게 된다. 이를 항복점이라 하고 일반적으로 항복점은 하항복점을 이야기 한다. 응력이 항복점에 도달하면 하중을 증가시키지 않아도 시편은 계속 늘어난다.
왼쪽의 그래프는 항복점 구간을 확대하여 상항복점과 하항복점을 나타낸 것으로 마지막 상승부분과 마지막 하강부분을 각각 상항복점과 하항복점으로 결정한다. 첨부한 그래프에서는 0.2%오프셋을 이용하여 자동적으로 항복점을 측정하였는데, 연성에서는 이와 같은 방법으로 항복점을 구하면 된다.
즉, 이 시편의 항복강도=이다.
상항복점() :
하항복점() :
인장 강도 ()
결과 및 고찰
시편에 가해지는 최대 하중이 지나면 Necking이 시편 내부의 슬립 변형에 의해 발생하고, 이때 시편에 가할 수 있는 최대 하중을 시편의 원단면적으로 나눈 값을 인장강도라고 한다. 이는 취성재료의 기준강도로 쓰여지므로 취성재료에서 중요하게 사용 되어진다.
인장 강도 =
파단 강도 ()
결과 및 고찰
파단이 발생할 때 시편에 가해진 하중을 시편의 초기 원단면적으로 나눈 값을 파단 강도라고 한다. 이 실험은 파단이 일어날 때 측정이 멈추기 때문에 응력-변형률 선도에서 가장 끝부분이 파단강도가 된다.
파단 강도 =
연실율
시편이 파단 될 때까지 늘어난 양을 원래의 표점거리로 나눈 값
단면수축율
초기 단면적과 단면적 변화량의 비
실험 결과 정리
실험 전후 시편의 직경, 단면적, 표점거리
파단 전
파단 후
시편의 직경
= 14mm
=8.5mm
시편의 단면적
=153.94
=56.75
표점거리
=120mm
=151mm
실험 측정값
비례한계()
27.26
상 항복점()
31.68
파단강도 ()
31.91
탄성한계()
28.34
하 항복점()
31.00
연신율 ()
25.83%
종탄성계수(E)
890.63
인장강도()
45.47
단면 수축률 ()
61.13%
SM20C의 물성치
SM20C
항복 강도
25이상
인장 강도
41이상
연신율
28% 이상
항복강도와 인장강도는 연신율은 항복강도와 인장강도의 실험결과는 실제 물성치에 만족을 하지만 연신율의 경우 물성치를 보게 되면 28%이상이 되어야 하는데 실제 실험에서 측정한 값은 25.83% 밖에 되지 않는다. 이는 우리가 실제 연신율을 측정할 때 표점 거리를 KS규격에 맞게 70mm로 정하여 측정하고 또 연신율 측정 게이지를 이용하게 된다면 물성치를 만족하는 값을 구할 수 있을 것이다.
결론
이번 실험은 시편을 KS규격에 맞게 가공을 한 뒤 시편에 서서히 힘을 가하면서 파단이 일어 날 때까지 측정을 하였다. 그리고 이로부터 응력-변형률 선도를 그린 뒤 재료의 기계적 특성을 계산하고 살펴보았다. 실제 고체 역학 시간에 배웠던 내용이어서 실험 하는 것과 실험 내용은 어렵지 않았고, 다시 한번 그 의미를 되새겨 보고 또한 실험을 통해서 실제 그와 같은 특성이 나타나는 것을 확인해 봄으로써 확실하게 인식 해 볼 수 있는 계기가 되었다.
우리가 실험에서 사용한 SM20C는 저탄소강으로 탄소 함량이 0.18%~0.23%정도를 가지며 엔진부품, 축, 기어, 체인에 주로 사용 되고, 이번 실험을 통하여 측정한 결과 값과 실제 SM20C의 물성치를 비교해 보았을때 거의 일치 한다는 것을 볼 수 있었다. 하지만 몇 가지 오차가 발생하는 것들이 있었는데, 종탄성계수인 E값과 연신율에서 가장 큰 오차가 발생하였다. 종탄성 계수의 경우에는 실제 측정을 할때 비례구간에서 정확한 직선 모양이 나타나지 않았는데 이를 보다 정확하게 직선으로 나타낸다면 오차를 줄일 수 있을 것이다. 그리고 연신율은 앞에서도 언급하였듯이 시편에 KS규격에 맞게 70mm로 표점거리를 표시하고 연신율 측정 게이지를 사용한다면 오차를 줄일 수 있을 것이다. 만약 표점거리 밖에서 파단이 일어나게 된다면 다시 측정을 해야 하는 단점이 있다. 그리고 우리는 하나의 시편을 한번 실험 하였는데, 몇 개의 시편을 준비하여서 측정을 하고 평균을 낸다면 더 정확한 값을 구해낼 수 있을 것이다. 또한 시편을 규격에 맞게 정확하게 제작을 하고 집중하중이 작용하지 않게 시편의 표면 또한 흠집을 완전히 없애면 더 정확한 결과 값을 얻을 수 있을 것이다. 그리고 첨부한 인장 실험 그래프에서 나타난 항복응력은 컴퓨터에서 자동적으로 0.2% 오프셋을 이용하여 계산한 값이므로 실제 연강에서의 항복응력 값과는 차이가 있다. 연강의 그래프에서는 항복응력이 명확하게 나타나므로 그래프를 보고 그 값을 찾으면 된다.
고체역학에서 학문적으로 배울 때는 이번 실험의 결과와 같이 연강에 대해서 주요하게 다루기 때문에, 이와 같은 항복응력이 뚜렷하게 나타나는 연강의 stress-strain그래프가 당연히 일반적인 모든 금속의 특징이라 생각했었다. 하지만 실험을 하시면서 설명을 하실 때 이와 같은 연강은 이번 실험을 위해서 특별히 만들어진 것으로, 필드에서는 항복응력이 뚜렷하게 나타나지 않고 0.2% 오프셋 시켜야 하는 금속이 대부분이라고 설명을 하셨다. 단순히 공학을 학문만으로만 배우는 것 보다 실제 실험이나 경험을 통해서 얻을 수 있는 부분이 많다는 것을 다시 한번 깨닫게 되었다
참고 문헌
기계공학실험교재편찬회, 기계공학응용실험, 청문각, 2009.
R.C.Hibbeler, 김문생 안득만 이현우 임오강 옮김, 정역학과 재료역학, SI edition, 2009.
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인장,   기계 공학 응용 실험,   응용 실험