[기계공학실험] #3. 인장응력에 의한 시험파편의 파단

목차

□ 실험목적

□ 실험용어
　1. 네킹
　2. 항복강도
　2. 인장강도

□ 실험이론
　1. 응력 - 변형률 선도
　2. 인장특성
　3. 항복강도
　4. 탄성거동
　5. 변형강화
　6. 인장시편
　7. 네킹
　8. 실험 시 통제, 독립 및 종속변인
　　◎ 주어진 실험값
　　◎ 실험에서 구해야 할 측정값

□ 실험기구 및 장치

□ 실험방법

□ 실험결과
　 1. 시험편의 파단과 Load-Displacement 선도
　 2. 실험값 측정
　　◎ 응력-변형률 선도
　　◎ 탄성계수
　　◎ 항복강도
　　◎ 극한 강도, 파단 강도
　 3. 실험값과 이론값 비교

□ 고찰
　1. 실험 결과내용
　　◎ 연강철의 강도
　2. 질의 및 응답
　　◎ 질의 사항
　3. 오차에 대한 고찰
　4. 최종결론

본문내용

작용하는 단면적 (25mm×3mm)으로 나
누어서 계산하고 변형률은 (시험편의 총길이-시험편의 늘어난 길이)/시험편의 총길이를 통하여 계산해야 한다.
◎ 탄성계수
탄성계수의 경우 응력-변형률 선도를 보아 직선인 구간을 확대해서 그래프로 표시하고 이에 1차 추세선을 그리게
되었다. 그리고 이 추세선의 방정식을 알아내고 기울기를 알게 되면 쉽게 탄성계수를 구할 수가 있다. steel 만
능 시험기 인장실험의 경우 그래프 아래 데이터 표에 나온 값을 통하여 기록하면 쉽게 알 수 있다.
◎ 항복강도
이론을 통하여 대부분의 금속에서는 탄성영역 이후에 응력은 일정한 항복 현상이 나타나지 않음을 알았다. 그러므
로 항복강도를 구하기 위해서는 오프셋 방법을 쓴다. 보통 0.2%변형률을 사용한다, 앞 과정에서 E값을 구했으므로
0.2%offset의 식은 다음과 같이 나타난다. 식 y=E(x-0.2) MPa, x축이 %단위이므로 0.2를 그냥 사용하도록
되었다. 이 y에 대한 그래프와 응력-변형률 선도의 교점을 찾으면 그 점이 항복강도가 되는 것이다. 이 값은
컴퓨터 데이터 표에 보면 항복강도가 나옴을 알 수 있다.
◎ 극한 강도, 파단 강도
극한 강도는 데이터중 가장 큰 값을 선택하고 파단 강도는 데이터의 제일 마지막 값을 취하게 된다.
극한강도 : 최대하중 / 시험편의 단면적
파단강도 : 파단시 작용하는 하중 / 시험편의 단면적
3. 실험값과 이론값 비교
실험값
이론값(AISI 4000)
오차
탄성계수(GPa)
158.1
196~213
37.9~54.9
항복강도(MPa)
200.8
296~1860
95.2~1659.2
인장강도(MPa)
309.06
450~1970
140.94~1660.94
피로강도(MPa)
109.41
138~772
28.59~662.59
□ 고찰
1. 실험 결과내용
◎ 연강철의 강도
연강철의 강도와 탄성계수는 이론값으로 정한 AISI 400 시리즈의 철에 비하여 작았음을 알 수 있다. 실제 이론값
에 미치지 못한 측정값들과 그 오차의 간격이 크다는 것을 통하여 단순한 실험오차뿐만이 아닌 많은 원인이 존재할
것이라고 판단하고 생각하게 되었다.
2. 질의 및 응답
◎ 질의 사항
Q1. 측정되는 연강철의 강도가 이론강도에 미치지 못하는 이유?
- 측정되는 연강철의 강도는 실제 측정이므로 이론강도의 측정에 가정되는 상황이 사라진다. 우선 이론적인 강도
를 계사하는 경우, 프와송의 비를 고려하지 않지만 실질적인 실험에서는 늘어난 길이만큼 단면적의 크기도 변
하였으므로 값이 작아질 수 있다. 또 하나의 이유로 노치가 이루어진 시험편의 끝부분에 응력집중현상으로 인
한 응력의 불균형비가 있다. 이러한 이유들로 인하여 측정되는 강도가 이론강도에 미치지 못함을 알 수 있다.
Q2. 실험을 통하여 얻은 연강철의 강도가 실생활에 적용하는 예는?
- 재료의 강도를 측정함을 통하여 건축물이나 기계의 설계시 물체의 효율적인 설계가 가능하고 실생활에서 설
계전에 완성된 물품의 안정성을 고려할 수 있다.
3. 오차에 대한 고찰
1) 프와송의 비
- 이론적으로 영률을 계산할 때, 프와송의 비를 고려하지 않는 경우가 많다. 그러나 재료에 힘이 작용하는 경우 가로로
늘어나는 만큼 세로로 줄어드는 것을 고려해야 한다. 프와송의 비를 고려하면 측정되는 강도에도 영향을 끼침을 알 수
있다.
2) 응력 집중현상
- 옆의 그림과 같이 시험편의 형상이 변하는 부분에서 응력 집중현상이
발생함을 알 수 있다. 이와 같이 응력 집중현상이 나타날 때 하중이 분
산되어 작용하므로 발생하는 응력의 크기는 일정하지 않고 측정되는 강도의
크기도 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.
4. 최종결론
1) 계산으로 구해진 이론값과 실험을 통해 얻어진 측정값의 차이는 이론에서는 발생하지 않는 많은 현상이 작용함을 알 수
있는데, 그것은 이론에서는 생각하지 못하는 변수들이 실생활에서는 반영될 수 있다는 것을 의미한다.
2) 실험을 통하여 AISI 4000 시리즈의 측정강도와 실험값의 오차가 발생한 것은 재료의 물성치가 완전히 일치하지 않는
다는 것이다. 완전히 일치했다면 실험값들이 AISI 4000 시리즈의 측정강도의 범위내에 있었을 것이기 때문이다.
3) 이번 실험에서 재료의 물성치에 따른 강도의 세기를 측정하였고 이러한 강도의 측정이 실생활의 안전에 큰 도움이 되
고 재료의 설계에 많은 도움을 준다는 사실을 깨닫게 되었고 올바른 설계를 하기 위해서는 더 많은 실험과 물리학에
대한 이해가 필요하는 것을 알았다.

키워드

기계공학실험,   인장응력,   시험파편,   파단