[물리학] 인장실험 - 재료의 인장력에 대한 탄성적 성질, 소성변형 저항 및 파단 강도를 측정하는 것을 주된 목적으로 하는 시험을 인장 시험, 관련이론, 용어설명

목차

1. 실험목적

2. 관련이론 & 용어설명
1. 하중(Load)
2. 변형(Deformation)
3. 응력(Stress)
4. 변형률(Strain)
5. 하중-변위곡선
6. 응력-변형률곡선
7. 공칭응력(Engineering stress, )
8. 공칭변형률(Engineering strain, )
9. 공칭응력-공칭변형률곡선
10. 진응력(True stress, )
11. 진변형률(True strain, )
12. 진응력-진변형률곡선
13. 푸아송 비(Poisson's ratio)
14. 탄성 계수(Modulus of elasticity)
15. 항복점(yield point)
16. 최대인장응력(ultimate strength)
17. 연신율(elongation)
18. 체적 일정의 법칙(보일-샤를의 법칙)
19. 항복강도
20. 인장강도
21. 네킹

3. 실험 방법
.
4. 실험 결과 및 결과 분석
* 응력-변형률선도 <알루미늄>
* offset 변형도

5. 고찰

본문내용

율이 된다.
18. 체적 일정의 법칙(보일-샤를의 법칙)
온도가 일정할 때 기체의 압력은 부피에 반비례한다는 보일의 법칙과 압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도의 증가에 비례한다는 샤를의 법칙을 조합하여 만든 법칙으로 온도, 압력, 부피가 동시에 변화할 때 이들 사이의 관계를 나타낸다.
일정량의 기체의 압력, 부피, 온도변화에 대해서 아래와 같은 그래프로 나타낼 수 있다.
위 그래프에서 보는 바와 같이 초기상태(A점)에서 기체는 의 부피, 의 압력, 의 온도를 갖는다. 압력과 부피 및 온도가 동시에 변화하여 의 부피, 의 압력, 의 온도를 갖는 최종상태(C점)에 도달한다고 할 때 이를온도를 일정하게 하였을 때의 과정( A->B)과 압력을 일정하게 할 경우의 과정(B->C)으로 나눌 수 있다. A점에서 B점까지의 등온변화의 경우 보일의 법칙에 의해 다음의 관계를 만족한다.또한 B점에서 C점까지의 등압변화의 경우 샤를의 법칙에 의해 다음의 관계가 성립한다. 두 관계식을 합치면(A->C) 일정량의 기체의 상태가 A점에서 C점으로 변화할 때 성립하는 보일-샤를의 법칙을 다음 식과 같이 얻을 수 있다.위 법칙은 이상기체의 경우 성립하며 실제기체의 경우 근사적으로 성립한다.
19. 항복강도
항복강도는 탄성변형이 일어나는 한계응력을 말한다. 그래프에서 B점 이 항복점이고 그때 응력이 항복강도 이다.
대부분의 산업현장에서는 0.2%의 소성변형까지는 과다한 영구변형이 아니라고 간주할 수 있기 때문에 0.2%오프셋(점선으로 표시된 부분) 시킨다.
20. 인장강도
인장강도(또는 최대 인장강도)는 응력-변형률 선도에서 최대응력을 이야기한다. 즉, 재료가 견딜 수 있는 최대 응력이다.( 시그마max )
<참고 - 파단이 일어나는 점에서의 응력=파단강도 또는 파괴강도>
21. 네킹
연성을 가진 금속이나 고분자 재료 등을 축 방향으로 늘여 소성 변형을 시키면, 변형하는 부분과 변형하지 않는 부분으로 나뉘고, 그 경계에 잘록함이 생기는 경우를 ‘네킹’이라고 한다.
3. 실험 방법
① 인장시험기와 연결된 컴퓨터를 세팅한다. (인장시험기에 장착할 시편에 따라 세팅한다)
② 시편을 인장시험기에 장착한다. (장착 시 시편이 위,아래 집게에 3cm 이상 단단히 물리도록함)
③ 유압프레스를 작동 시킨다.
④ 실험 진행상황을 관찰하면서 파단이 일어날 때 까지 쭉 지켜본다.
⑤ 데이터 저장 및 결과 정리
⑥ 데이터 결과로 재료에 대한 인장실험을 통해 공칭응력-공칭변형률, 진응력-진변형률 선도를 얻고 결론을 도출한다.
4. 실험 결과 및 결과 분석
주어진 데이터 - 하중, 변위의 변화 / 시편의 폭 -12.5mm / 시편의 두께 -1mm / 표점거리 - 50mm
* 응력-변형률선도 <알루미늄>
위에 표시된 1~5는 ‘1- 극한강도, 2- 항복강도, 3-비례한도 응력, 4-파괴, 5-오프셋 변형도(일반적으로 0.2%)’ 을 뜻한다.
알루미늄의 응력-변형률 선도를 살펴보면 다른 시편의 선도와는 다르게 그래프의 끝이 다시 0으로 내려간다. 그 이유는 “가공경화능”의 차이 때문이다. 알루미늄은 적층 결합에너지가 높아서 불안정하므로 힘을 많이 주지 않아도 늘어나고 가공경화가 거의 없어서 위와 같은 그래프가 나타난다.
일반적으로 구조용 강은 명확한 항복점까지 선형적인 응력-변형도 관계를 보인다. 하지만 강을 제외한 대부분의 연성 금속은 명확한 항복점을 갖지 않는다. 이런 재료에서 항복 강도는 보통 ‘오프셋 방법’을 통해 정할 수 있는데, 이는 선형 구간과 같은 기울기를 갖는 직선을 가로좌표의 어느 특정한 점(종종 0.2%)을 지나게 할 때 생기는 응력-변형도 선도와의 교점으로 항복강도를 정하는 방법이다.
위의 주어진 데이터 값으로 응력-변형률 선도를 그리기 위해 응력은 하중을 단면적 값으로 나누었고, 변형률은 변위는 표점거리로 나누었다.
* offset 변형도
초기의 선형부분과 평행하고 0.002(0.2%)만큼 떨어진 직선을 긋는다. 이 offset line과 변형률선도의 교차점을 항복응력으로 정의한다. 이 항복응력은 임의의 규칙에 의하여 결정되었고, 재료의 고유한 물리적 성질이 아니므로 offset yield stress 라 한다. 알루미늄의 경우 offset 항복응력은 비례한도보다 조금 위에 있다. 구조용 강재의 경우 선형영역에서 소성영역이 급격히 변하므로 ‘offset stress = 항복응력 = 비례한도‘와 같다.
5. 고찰
이번 실험은 강철 강과 알루미늄의 인장 실험이었다. 내가 맡은 결과 보고서는 알루미늄의 응력-변형률 선도를 그리고 분석하는 것이었다. 처음 고체역학에서 배운 여러 용어들 응력, 변형률, 진응력, 공칭응력, 푸아송 비 등등 여러 단어들이 머리를 스치고 지나갔다. 이 용어들의 개념을 정확히 알기위해 다시 한 번 고체역학 책을 펴 보게 되었다.
알루미늄의 응력-변형률 선도는 책에서 배운 응력-변형률 선도와 사뭇 달랐다. 이 궁금증을 해결하기 위해 인터넷 검색을 해보니 강의 제외한 대부분의 연성 금속은 명확한 항복점을 갖지 않는다고 한다.
이번 실험에서도 다른실험과 같이 오차가 발생하였다. 그 이유로는 첫 번째로 부정확한 표점거리 표시에 의한 오차, 두 번째로 변위게이지 설치에 의한 오차, 세 번째로 시편과 인장시험기의 엇물림에 의한 오차, 네 번째로 두 파단시편 사이의 단면 불일치에 의한 오차 마지막으로 측정 오차, 시편제작 자체의 오차 등등이 오차발생 원인이 될 수 있다.
이번 실험을 통해서 인장강도라는 것을 직접 눈으로 보고 배웠고 모든 물체를 만들 때 이 인장시험을 한다는 사실을 알았다. 그리고 기술의 발전에 있어서는 이러한 여러 실험이 필요하다는 것을 다시 한 번 느꼈다. 인장시험은 항상 동일한 조건하에서 실시할 수 있으므로 측정결과의 신뢰성이 높으며, 기계나 기계부품의 설계에 직접 필요한 자료가 되므로 이전부터 공업적 시험의 하나로서 널리 채택되어왔다고 한다. 이러한 엔지니어들의 노력 하나하나가 인류의 삶의 질을 높인다. 엔지니어의 길을 걸을 수 있다는 것이 또 다시 뜻 깊게 다가왔다. 마지막으로 이번 실험을 도와주신 조교님과 조원들에게 감사의 말씀을 전한다.
응력-변형률 선도

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