[기초공학실험] 시편 인장 실험

목차

서론
1.1 실험의 목적
1.2 실험의 표준화

본론
2.1 실험 이론
2.2 실험 장치
2.3 실험 시 유의사항
2.4 실험 방법 및 조건 (ASTM E8 참고)

결론
3.1 실험 전과 후의 시편(ss400)모습
3.2 실험을 통해 얻은 시편의 물성
3.3 Load-displacement 곡선
3.4 Stress-Strain 곡선

4. 분석 및 고찰

본문내용

파단 부분에서 다른 지점보다 계속적으로 더 큰 응력이 발생했기 때문 일 것이다. 다른 지점보다 계속적으로 더 큰 응력이 발생하기 위해선 파단 지점의 강도가 다른 지점보다 약할 수 있겠고, 파단 지점의 초기 단면적이 다른 지점보다 작을 때 나타날 수 있을 것이다. 일단 파단 지점의 강도가 다른 지점보다 약하다는 것은 동일한 재질(연강)을 사용했으므로 그 오차는 거의 없을 것으로 생각된다. 그렇다면 파단 지점의 초기 단면적이 다른 지점보다 작을 때를 생각해 볼 수 있는데, 아무래도 시편을 제작하는 과정 중 오차가 생겼을 수 있다. 그로 인해 응력은 단면적에 반비례하므로 다른 지점들보다 더 큰 응력, 즉 집중하중이 가해진 것으로 보인다. 처음 시편을 받았을 때 표면이 매끄럽지 못한 부분들이 있었다. 아예 정밀하게 Laser cutting을 하지 않는 이상 오차가 발생 할 여지가 있을 수 있다고 생각한다. 그림을 보면 곡선을 지나는 부분이 파단 지점으로 발생 하였는데, 이 부분의 표면적이 매끄럽지 못해 집중하중이 발생 했을 수 있고, 또는 제작 과정 중 파단 지점 부분의 단면적이 다른 지점들 보다 작기 때문에 이 부분에 계속적인 집중하중이 발생 했을 수 있다.
그리고 시편의 파단 지점을 유심히 보면 45°로 매끄럽게 파단 된 것을 볼 수 있다. 이로 인해 연강의 성질인 인장, 압축보다 전단에 취약한 성질을 볼 수 있다. 그로 인해 최대 전단(maximum shear stress)이 가해지는 각도로 파단이 난 것인데, 이 각도가 45°인 것이다. 이는 이론적으로도 확인해 볼 수 있는데, 일단 가해진 힘의 형태는 (그림 19)의 왼쪽과 같다.
이번 실험과 같은 응력이 작용하는 형태를 단축응력 상태라 하는데, 이로 인해 =0이 되는 지점이 최대 응력이 작용하는 principal axis이라 할 수 있다. 그리고 최대 전단의 위치는 이 최대값이 되는 지점으로서 구할 수 있으며, sin90°가 되는 = 45° 이다. 그러므로 이 지점에서 최대 전단이 일어나기 때문에 시편의 절단면이 45°로 매끈하게 파단 된 것이다.
▶ 본 실험에 대한 전반적인 고찰
본 실험은 금속재료의 인장실험을 통해 항복강도, 극한강도 파단강도 및 변형량 등을 측정하여 재료의 여러 성질을 파악하는데 목적이 있다. 본 실험은 금속재료(ss400)의 극한강도, 항복강도, 파단강도 및 변형량 등을 측정하여 load-displacement 및 stress-strain 곡선을 origin 프로그램을 이용하여 그래프를 plot하였고 이를 통해 우리가 이전에 학습한 하중에 따른 변형의 영향을 비교 검토 하였다. 우리가 측정한 ss400 금속재료의 극한강도는 440.8MPa로 ss400 금속재료의 규격 물성치 범위인 400~510MPa 내에 있는 것을 확인 할 수 있었다. 항복강도는 331.4MPa로서 이 또한 재료의 규격 물성치와 비슷한 값을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 탄성계수는 항복강도와 항복강도가 일어나는 변형량과의 기울기를 이용하여 계산하였고 171.2GPa로 최종 계산되었다. 이는 SS400규격 물성치보다 약간 작은 값으로 계산되었는데 이는 시편재료의 가공문제 및 시편재료 자체의 미시적인 문제라고 예상된다.
또한 우리가 예상한 시편의 정중앙이 아닌 시편의 중앙보다 위쪽에서 파단이 일어났는데 위에서 언급한 바와 같이 미시적 관점에서 재료 분자들의 결함과 시편 재료의 제작과정에서 발생한 문제라 판단된다.
인장실험 시 고려되어야 할 인자들 중에 하나인 시편의 인장속도는 연신율에 대한 속도를 컨트롤해야 하지만 실험환경의 여건 상 시편의 인장속도를 5mm/min으로 설정하여 실험하였다. 우리가 적용한 시편의 평균인장속도는 평균속도는 ASTM E8 규격에서 언급된 속도범위인 0.005~0.5 mm/mm/min 내인 0.05525mm/mm/min으로 ASTM에서 언급한 인장속도 범위 내에 있는 속도이다.
선형 탄성구간이 끝나는 부분인 항복점 이후에는 상항복점과 하항복점을 발견할 수 있었다. 즉 상항복점에 도달한 시편재료는 금속내부의 슬립(slip)으로 인하여 재료가 완전소성상태의 유동이 생겨 작용하중의 증가 없이도 변형이 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 항복을 시작한 후 대략의 일정한 하중을 최초단면적으로 나눈값인 하항복점도 그래프 상에서 정확히 확인 할 수 있었다.
본 실험은 알루미늄과 같이 뚜렷한 항복점이 없는 재료와 달리 선형 탄성구간과 소성구간의 뚜렷한 분별이 가능하여 항복점을 쉽게 찾을 수 있었다.
또한 본 실험을 통하여 선형 탄성구간을 판별하는 척도인 응력-변형률 선도의 기울기가 매우 가파른 것을 확인할 수 있었다.
우리의 실험 data는 하중이 작용함에 따른 단면적 감소를 고려하지 않았기 때문에 실제 극한응력 및 파단응력은 실험결과 보다 클 것이라 판단된다. 만약에 줄어드는 단면적까지 고려했다면 stress-strain의 그래프가 옆의 그래프의 점선으로 작용한다는 것을 예측할 수 있다. 따라서 실제의 파단될 때의 응력은 E'(진 파단응력)이다.
그렇다면 이번 실험에서 도출해낸 결과로서 진 파단응력을 계산 해 낼 수 있을까? 이는 포와송비를 이용해 구할 수 있을 것 같다. 포와송비란 가로세로비로서 변형률의 관계를 나타낸 숫자이다. 연강의 포와송비는 0.2~0.3으로 0.25로 가정해 본다. 그렇다면 작용하는 응력에 따라 하중의 방향, 즉 는 positive 값, 는 negative 값이 될 것이다. 그런데 이때 문제가 하나 발생한다. , 로서 변형률을 계산 할 수 있는데, 이 포와송비의 값은 Hook's law가 적용되는 선형탄성 구간에서 일정하며, 소성구간 이후로는 재료의 변형률이 커져 포와송비가 변하게 된다. 그러므로 우리가 원하는 소성구간 이후로의 실제 단면적을 구하기엔 포와송비를 이용하기는 어려울 것으로 판단된다.
시편 재료의 파단은 신율의 속도에 따라 인장속도가 조정되더라도 매우 순식간에 일어나는 것을 볼 수 있었고 파단 시 큰 진동과 소음이 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 우리가 설계하는 구조물이나 기구의 파단응력을 정확히 파악하고 설계에 반영해야 함을 알 수 있었다.

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