C. 금속재료의 인장시험

소개글

C. 금속재료의 인장시험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

C. 금속재료의 인장시험

1. 실험목적
2. 실험순서
3. 실험결과 및 고찰
4. 실험결과분석, 관찰점 및 결론

본문내용

다음과 같은 관계식을 따른다.
이 방정식은 유동곡선이라고 불리며, K는 강도계수 n은 변형경화지수이다.
④ 인장강도 : 가해진 하중 F가 최대치에 다다르게 될 때의 점에서 계산한 공칭응력 값을 말한다. 최대 인장강도라고도 부른다.
⑤ 네킹 : 인장강도의 오른쪽으로는 하중이 감소하기 시작하고 국부적 신장이 진행된다.
⑥ 단면 수축률 : 인장시험 시 시험편의 파괴 직전에 최소 단면적 A 와 원단면적 A0 와의 차를 원단면적 A0 에 대한 백분율로 나타낸 것을 말한다.
⑦ 응력-변형률 관계의 유형
(a) 완전탄성 (b) 탄성 및 완전소성 (c) 탄성 및 변형경화
세라믹, 주철, 납 대부분의 연성 금속
열경화성 고분자 화합물
시편의 형상이 아령형인 이유
일반적인 인장시편의 모양은 막대의 모양에 양 끝단의 폭이 넓게 되어 있다. 복합재료의 경우 양 끝단의 폭을 넓게 하지 않고 앞뒤에 금속판을 붙여 두껍게 만든다. 이것은 시편을 당겨 파손될 때까지의 과정(변형과 힘의 관계)를 측정하는 과정에서 시편을 고정하는 grip(집게 같은 것으로 물려 고정)에 힘을 가하는데 고정하느라 가한 힘에 의해 파손되는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 전체적으로 균일한 형상이면 고정하느라 grip으로 물린 양 끝단은 당기는 힘뿐만 아니라 물리는 힘에 의해 파손이 될 수 있다. 따라서 양 끝단의 폭을 넓게 하거나 두껍게 다른 재료로 보강하여 인장력만 받는 중간부분에서의 특성을 측정하기 위함이다.
파괴
어떤 물체에 힘이 주어지는데, 그 힘이 물체가 견디지 못하는 큰 힘이 주어진다면 물건이 부서지게 된다. 이런 현상을 파괴라 말하는데, 기계공업분야에서는 일반적으로 재료의 일부 혹은 전부가 분리되는 것을 파괴라고 한다.
① 취성 파괴
응력을 받은 재료가 소성적으로 변형하지 못하는 것으로 약 1,830 m/sec 이상의 아주 높은 균열 전파율로 파괴 시작 영역에서 비틀림의 징후도 없이 갑자기 파괴되는 것이 특징이다. 이러한 파괴는 파괴면이 Herring-Bone 또는Chevron 패턴과 같은 특징을 갖고 Chevron은 파괴 발생지 쪽으로 향한다.
② 연성 파괴
파단면에서 비틀림(Plastic Flow)이 발생하고 통상 인장 시험이나 비틀림 시험편에서 관찰되는 것과 유사하다. 축이 축의 강도 보다 큰 단일 하중으로 파괴될 때 파괴되기 전에 보통 상당한 소성 변형이 있는데, 이것은 인장으로 파괴된 축을 육안 검사하면 쉽게 관찰되지만, 비틀림으로 파괴될 때는 종종 명확하지 않다. 재료의 소성 변형 성질을 연성이라 하는데, 연성으로 파단된 축의 표면은 축의 형상, 축에 작용하는 응력 형태, 하중 정도 등의 함수이고 합금의 경우는 온도의 함수이다.
축의 연성 파괴는 정상 운전 중에도 발생하는데, 운전 제한 조건 무시, 사용 재료의 강도 취약, 축이 단일 과하중을 갑자기 받을 때 등에서 발생하기도 한다. 재질이 좋지 않은 재료를 사용하거나 열처리 상태가 좋지 않은 재료(예, Quenching 및 Tempering 대신에 Annealing한 것)의 사용에 의한 결함은 연성 파괴를 발생시킬 수 있다.
4. 실험결과분석, 관찰점 및 결론
▶ 실험결과분석, 관찰점
그래프 분석
왼쪽 : 실험 결과 그래프
오른쪽 : 이상적인 그래프
실험결과 이상적인 결과와 매우 유사한 모양으로 그래프가 그려졌다.
탄성영역에서의 기울기는 탄성계수를 의미한다. 기울기가 비교적 가파르다는 것을 볼 수 있는데, 이것은 탄성계수 E값이 큰 것을 의미한다. 탄성계수 E가 크다는 것은 변형이 잘 일어나지 않는 다는 것이다.
그리고 그래프를 보면 탄성영역에 비해 소성영역이 더 넓게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이것은 이 시편이 연성 재료임을 나타낸 것이다. 취성재료를 인장 시험을 하면 그래프 선도가 소성영역이 나타나지 않고 탄성영역에서 끊어지는 모양으로 그려진다.
다음 두 그래프를 비교해 보자.
공칭응력-공칭변형률 곡선과 진응력-진변형률 곡선은 거의 동일한데, 그 이유는 탄성영역에서는 시편의 단면적이 거의 줄어들지 않기 때문이다. 두 곡선의 차이는 소성영역에서 나타난다. 그 이유는 계속하여 인장을 진행함에 따라 시편의 단면적이 줄어들고, 이 순간 단면적을 이용하여 진응력을 계산하기 때문에 소성영역에서는 응력이 높아지게 된다.
파단면 분석
시편이 끊어진 위치를 보면 비교적 중간임을 확인 할 수 있다. 이것은 시편을 아령모양으로 만들어 당기는 힘에 의해서만 끊어졌기 때문이다.
시편의 파단면을 보면 약간의 curve가 나타나긴 했지만, 마치 깨진 것과 같은 형상이었다. 인장 시험기에 시편을 고정시키긴 했지만, 하중이 가해지면서 시편의 단면적이 줄어들어 고정되는 부분에 공간이 생겨 약간의 비틀림이 발생했을 수 있기 때문에 이와 같은 결과가 나타날 수 있다.
또한 인장 실험은 재료의 등방성과 이방성에 영향을 받는다. 축 방향으로만 일어나기 때문에 재료가 등방성이 아니라 이방성이면 실험에 큰 영향을 끼친다. 실험에서 사용한 재료가 완전한 등방성이 아니기 때문에 이 역시 실험에 영향을 끼쳤을 것이다.
▶ 결론
재료의 기계적 성질을 알아보기 위해, 인장응력을 가하여 거동을 살펴보는 실험이었다. 인장시험을 통해 얻은 공칭응력, 공칭변형률, 하중, 변위를 이용하여 그래프를 그려보았다.
책에는 시간도 측정하여 시간과의 관계도 구하라고 되어있지만, 펌핑에 집중하느라 시간을 측정하지 못하였다. 정확한 경과시간을 기록하진 못했지만, 시간과 변위, 하중, 공칭응력, 공칭변형률은 모두 비례관계에 있음을 알 수 있다.
실험 결과가 비교적 성공적이었던 이유는 펌핑을 일정한 속도로 천천히 했기 때문이다. 만약 펌핑을 빠르게 한다면, 시편이 빨리 끊어지기 때문에 측정이 제대로 이루어 지지 않고 시편이 끊어질 수 있다. 시편의 가격이 비싸 한 개 밖에 제공되지 않았기 때문에 신중을 더욱 기하여 실험에 임하였기 때문에 성공적인 결과가 나올 수 있었다.
고체역학, 기계재료학 등에서 배운 이론적 내용들이 성공적으로 증명되어 확인할 수 있어서 의미 있는 실험이었다.
5. 참고문헌
(1) 재료학 책 Engineering materials
(2) 재료의 기계적 성질
(3) 재료시험법

키워드

인장시험,   시편,   공칭응력,   진응력