비틀림(재료 및 재료역학)

목차

1. 실험목적

2. 기본이론

3. 실험장치 및 실험방법
1) 비틀림 시험장치
2) 시험편 준비
3) 시험기의 영점조정
4) 토크의 입력

4. 실험결과
2) 황동 시험편
3) Steel 시험편
4) 파손후의 시험편의 파손상태와 응력조건과의 관계

5. 고 찰

본문내용

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170
4.7
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21.3
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4.8
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20.6
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21.9
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22.4
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21.8
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10.2
2) 황동 시험편
<비틀림 각도에 대한 가해진 토크와의 관계 그래프>
<추세선을 이용한 강성률 구하기>
선형구간에서의 변위-토크의 관계식은 다음과 같다.
극 관성모멘트를 구해보면 다음과 같다.
전단탄성계수 G를 구하기 위하여 토크와 입력각과의 관계를 찾으면
와 같이 되며 결국 강성률 G값은 실험에서 얻은 그래프의 기울기를 이용하면 구해진다.
또한, 토크값에 의한 전단응력은 다음과 같이 구해진다.
3) Steel 시험편
<비틀림 각도에 대한 가해진 토크와의 관계 그래프>
<추세선을 이용한 강성률 구하기>
선형구간에서의 변위-토크의 관계식은 다음과 같다.
극 관성모멘트를 구해보면 다음과 같다.
전단탄성계수 G를 구하기 위하여 토크와 입력각과의 관계를 찾으면
와 같이 되며 결국 강성률 G값은 실험에서 얻은 그래프의 기울기를 이용하면 구해진다.
또한, 토크값에 의한 전단응력은 다음과 같이 구해진다.
4) 파손후의 시험편의 파손상태와 응력조건과의 관계
황동과 steel의 파손된 단면을 보면 거의 수직으로 파손되었다. 하지만, steel의 경우 파단면 중간에 약간의 경사각을 갖고 파손되었는데, 이는 다음과 같이 설명할 수 있다. 물론 실험장비의 특수성으로 인해 steel을 고정하는 클립부분의 접촉이 좋지 않아 비틀림 실험도중에 굽힘응력이 발생할 수도 있다. 이론적으로 설명하자면, 재료에 작용하는 전단응력을 45도 경사면에 작용하는 등가수직응력으로 변환할 수 있으며, 수치적으로는 의 관계가 성립한다. 그러므로 어떤 재료의 전단강도가 인장강도보다 작다면 축의 수직면에서 파단이 일어난다. 이러한 파손은 서서히 일어나며 연성거동을 나타낸다. 만일 인 역의 경우라면 취성파단, 즉 경사면을 따라 나선을 이루며 인장강도에 의해 일어난다.
Steel은 모두 연성시편인데 연성강재시편은 작용응력이 축의 수직면에 작용하고 있는 순수 전단상태이고 또한 작용전단응력은 최대 전단응력이며 파손은 연성재료가 전단에 가장 약하기 때문에 최대 전단 응력면인 축에 수직한 면을 따라 발생한다. 그러나 취성 및 주철 재료는 모어원을 그려보면 알겠지만 시편축의 면을 따라 45°의 나선형으로 파손된다. 파손은 취성재가 인장에 가장 약하기 때문에 최대 주응력면인 축과 45°인 면에서 일어난다.
5. 고 찰
이번 실험에서는 표준 비틀림 시험편에 순수한 비틀림 하중를 가하여 재료가 변형하는 형태를 관찰하고 특히 파단할 때의 파단면을 관찰하였으며, 파단하기까지의 토크 및 입력각을 측정하여 이를 그래프로 나타내어 전단 탄성계수를 결정할 수 있었다. 그래프를 관찰한 결과 황동의 경우는 입력각을 주었을 때 토크값이 비례적으로 늘어난 반면 steel의 경우에는 탄성을 계속해서 유지하다가 항복점에 이르러 소성변형을 일으킨 뒤 파단하는 형태를 보였다. 이러한 현상은 황동의 경우 steel에 비해 재료적 성질이 더 연성이므로 즉, 강성이 더 작기 때문에(이는 그래프의 탄성영역 기울기로 확인할 수 있다.) 재료가 쉽게 탄성력을 잃고 변형되기 때문에 선형적으로 비틀림이 일어났다고 생각한다.
실험결과가 실제 재료의 전단 탄성계수와 비교해 봤을 때 많은 차이를 보이고 있다. 원인을 분석해 보면 우선 토크값을 읽을 때 제일 큰 값을 읽지 않고 큰 값에서 다시 떨어질 때 즉, 변형이 되었다가 탄성에 의해 원래대로 돌아오는 과정에서 토크값을 측정했기 때문인 것 같다. 또한, 실험하기 전에 거칠은 표면에 의한 응력집중을 방지하기 위해서 시험편을 사포로 문질러 표면을 매끈하게 만드는데 시편의 가공 상태가 좋지 않아 이런 결과를 낳을 수도 있다. 또한 그래프에 나타나는 탄성영역이 황동의 경우에는 확연히 구분되지 않았고 steel의 경우에는 영역이 너무 짧아서 탄성영역을 구분하기가 어려웠다. 결국 추세선의 기울기를 어떻게 설정하느냐에 따라 전단 탄성계수값이 차이가 많이 났다.
파단이 발생한 후 두 시편의 판단양상은 두 시험편 모두 수직파단이 일어났는데 실험에 쓰인 시편들이 모두 연성시편이기 때문이다. 연성재료시편은 작용응력이 축의 수직면에 작용하고 있는 순수 전단상태이고 또한 작용전단 응력은 최대 전단응력이며 파손은 연성재료가 전단에 가장 약하기 때문에 최대 전단 응력면인 축에 수직한 면을 따라 발생했다. 또한 파단위치를 관찰해본 결과 노치의 끝부분에서 파단이 일어났는데 이는 노치나 흠이 있는 부분에서 응력집중이 일어나 파단이 일어남을 예측할 수 있다.
파단면의 모양을 자세히 관찰해 보면 steel의 경우 황동에 비해 거칠고 가운데 부분이 약간 오목하게 튀어나온 모양을 하고 있는데 이것은 steel의 경우 시험편을 고정시키는 부분이 확실하지 않아 비틀림 하중을 가하는 과정에서 시험편의 떨림으로 인한 굽힘응력이 작용했을 가능성이 있다. 고정이 잘된 황동의 경우 파단면이 매끄러운 수직파단을 보인 경우와 대조되는 부분이다.

키워드

비틀림,   재료 ,   재료역학,   기계실험,   탄성한도,   모멘트에 ,   탄성계수를 ,   항복점