만능시험기를 이용한 인장 실험(Tension test)

본문내용

1. Title
만능시험기를 이용한 인장 실험(Tension test)
2. Abstract
strain guage의 부착 방법과 사용법을 알고, uniaxial tensile test를 통해 engineering structural materials의 mechanical properties를 이해한다.
3. Theoretical Analysis
3.1 응력-변형율 관계
단순인장의 경우, σ=Eε 관계를 가진다. 여기에서 σ는 응력, ε은 변형률, E는 탄성계수를 의미한다.
3.2 Poisson ratio
재료에 축방향으로 하중을 가하면 종변형과 횡변형이 발생한다. 이 경우에 탄성한도 이내에서는 종변형율 εx와 횡변형율 εy와의 비는 일정치를 가지고 있다. 이 비를 포와송비(poisson's ratio) υ=-εy/εx 또는 υ=1/m으로 정의한다. 또 포와송비의 역수를 m을 포와송수(poisson's number)라 한다.
3.3 스트레인 게이지의 원리
측정하고자 하는 물체에 발생하는 변형량은 Backing 소재를 경유하여 변형량 감지 저항체에 전달되어서 수축-인장을 하게 된다. 이런 저항체의 변화는 전기 저항값을 변화시키게 되고 시험편 또는 구조물이 변형을 받게 되면 이것에 접착된 저항체도 같은 변형이 생겨서 저항 값의 변화를 가져오게 된다. 그러므로 변형량과 저항변화 사이에는 일정한 관계가 있으며 이 저항 값의 변화에서 변형량 값을 알아낼 수 있으며 이것이 스트레인 게이지의 일반적인 원리이다.
3.4 Quarter-bridge
3.5 PXI (PCI eXtentions for Informentation)
CompactPCI에 윈도즈 운영 시스템과 통합된 모듈형 계측 시스템 규격의 하나로 데스크톱 컴퓨터보다 높은 신뢰성과 통합성 및 확장성을 제공하는 CompactPCI와의 상호 운용성을 가지고 있으며, 시스템에 내장된 타이밍 및 트리거링과 고속 PCI(peripheral component interconnect)가 결합하여 다양한 응용 프로그램 수행을 신속하게 해 주는 측정, 데이터 수집 및 자동화에 대한 업계 개방 규격이다.
4. Experimental Procedure
4.1 실험과정
① PXI 장비를 컴퓨터와 연결한다.
② PXI의 채널 0과 채널 1에 두 개의 리드선(leadwire)을 quarter-bridge로 연결한다.
③ 만능 시험기에 시편을 설치한다.
④ 스트레인 게이지의 전선(leadwire)을 두 개의 리드선에 연결한다. 이때, 채널 0은 편의 축방향이고, 채널 1은 직각방향으로 한다.
⑤ 만능 시험기의 변위와 하중이 0이 되게 세팅한다.
⑥ 하중이 일정간격으로 가해지도록 조절하고 조금씩 증가시키면서 변형률을 측정한다.
⑦ 측정된 데이터를 PC를 통해서 받는다.
⑧ 시편을 바꾸어 가면서 위와 동일하게 측정한다.
4.2 실험 장치도
만능시험기(인장시험기) PXI
5. Results and Discussion
5.1 Results
5.1.1 6조의 첫 번째 실험
① 응력-변형률 그래프
② Poisson ratio 관계 그래프 - 장비 결함으로 데이터를 얻지 못했음.
③ 하중-변위 그래프
5.1.2 6조의 두번째 실험
① 응력-변형률 그래프
② Poisson ratio 관계 그래프 (υ = 0.33461)
③ 하중-변위 그래프
5.1.3 6조의 세번째 실험
① 응력-변형률 그래프
② Poisson ratio 관계 그래프 (υ = 0.33101)
③ 하중-변위 그래프
5.1.4 7조의 첫 번째 실험
① 응력-변형률 그래프
② Poisson ratio 관계 그래프 (υ = 0.33901)
③ 하중-변위 그래프
5.1.5 7조의 두번째 실험
① 응력-변형률 그래프
② Poisson ratio 관계 그래프 (υ = 3.10324)
③ 하중-변위 그래프
5.1.6 7조의 세번째 실험
① 응력-변형률 그래프
② Poisson ratio 관계 그래프 (υ = 0.31841)
③ 하중-변위 그래프
5.2 Discussion
일단 데이터의 하중(kgf)에 9.81을 곱하여 하중(N)으로 바꾸어서 하중과 변위 그래프를 그릴 수 있었다. 그리고 그 하중을 부재의 단면적으로 나눈 응력(stress=P/A)과 변위를 부재의 원래길이로 나눈 변형율(strain=mm/mm)의 그래프를 그릴 수 있었다.
이 응력-변형율의 그래프에서는 선형적으로 증가하는 탄성구간이 있는데, 이곳에서는 Hook's law가 성립하는 구간이다. 즉 σ=Eε을 만족하므로, σ와 ε이 비례함을 알 수 있고, 이 두가지 값으로 E값을 거꾸로 유추해 낼 수도 있다.
그리고, 세로방향과 가로방향으로 부착한 스트레인게이지로부터 읽어들이는 양의 값인 εx와 음의 값인 εy의 값으로부터 Poission ratio를 구할 수 있다. Poission ratio, υ=-εy/εx으로부터 부재가 대략 υ=0.33정도인 알루미늄이라고 거꾸로 유추해 낼 수도 있다.
이론과 실험을 비교하고 오차에 대해 언급하고 그 이유를 적을것.
6. Conclusions
이번 실험 결과는 다른 실험에 비해 비교적 데이터가 잘 나온것 같다. 데이터의 모든 구간을 사용하지 않고 일부분만 샘플링해서 사용했기 때문인거 같다. 다만 스트레인 게이지를 붙일때 제대로 붙이지 못해서 부재가 파괴되기도 전에 먼저 떨어져서 전체적인 데이터를 얻을때는 이론처럼 실제로도 그런지 확실하게 확인할 수 없어서 아쉬웠다.
그리고 응력-변형율 그래프에서 탄성구간의 E값을 구하면 실제인 70GPa에 훨씬 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 그것에 대한 원인을 밝히지 못한것이 정말로 안타까웠다.
그리고 만능시험기에 하중(힘)을 가할 때, 사람의 손이 아닌 컴퓨터의 신호에 의해서 단위 시간당 정확한 힘이 가해질 수 있다면 훨씬 더 좋은 결과가 나올 수 있을것으로 생각된다.
실험 결과에 대해 자신의 생각을 적고 더 나은 실험을 위한 생각이 있으면 적을것.

키워드

인장,   시편,   하중,   만능,   스트레인 게이지,   tensile strength