[부산대학교 기계공학응용실험] 인장 실험

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목차

1. 인장실험
2. 실험목적 및 이론
3. 실험장치 및 방법
4. 실험결과 및 분석
5. 결론 및 고찰
6. 참고문헌

본문내용

다.
7) 규정된 하중속도(rate of stressing) 또는 변형률 속도(rate of straining)로 시편에 파단이 발생할 때까지 실험하면서 하중과 변위 데이터를 파일에 저장한다.
항복 전: 하중속도 < 12 MPa/sec
항복 후: 변형률 속도 ~ 20~60%/min
8) 시편이 파단 되면 시험기로부터 시편을 제거한 후 파단 된 시편을 서로 맞대어 표점거리를 측정한다. 또한, 긴지름과 짧은 지름을 측정(시편이 원형 단면인 경우)한다.
⑶ 재료물성치 계산
인장실험에서 저장한 하중과 변형 데이터로부터 하중-변위 곡선을 그린다. 이 하중-변위 곡선으로부터 시편의 원단면적과 표점거리를 이용하여 응력-변형률 선도를 작성한 후에 다음과 같이 시편의 재료물성치를 구한다.
1) 비례한계: 응력-변형률 선도의 직선 부분의 최대 응력을 구한다.
2) 종탄성계수: 응력-변형률 선도의 직선 부분의 기울기를 계산하여 구한다.
3) 상·하항복점: 응력-변형률 선도에서 항복이 일어나서 응력의 감소하기 시작하는 시점이 있으면 상항복점을 구하고, 또 응력이 감소하고 난 후에 일시 정지하는 구간이 있으면 하항복점을 구한다.
4) 항복강도: 상·하항복점이 분명하지 않은 경우 0.2% Offset Method(0.2% offset strain), Extension-Under-Load Method(Specified strain), Halt-of-the-Load Method(Load drop) 방법들을 이용하여 항복강도를 계산할 수 있다. 일반적으로 많이 쓰이는 0.2% Offset Method를 이용하여 항복강도를 계산한다.
5) 인장강도: 최대 인장하중을 원단면적으로 나누어 인장강도를 계산한다.
6) 파단강도: 시편이 파단 될 때의 하중을 원단면적으로 나누어 파단강도를 계산한다.
7) 연신율 및 단면 수축률: 시편이 파단 될 때 측정한 표점거리와 단면적으로부터 계산한다.
8) 리질리언스 계수 및 인성 계수: 응력-변형률 선도의 면적을 계산하여 구한다. 단, 인성계수를 계산할 때 응력-변형률 선도에 적절한 보조눈금을 그어서 보조눈금으로 만들어진 사각형의 개수를 활용하여 대략적인 면적을 구한다.
4. 실험결과 및 분석
1) 파단 전 시편
직경
표점거리
면적
14
120.7
153.938
2) 파단 후 시편
직경
표점거리
면적
8.4
150.4
55.418
3) 하중-변위, 응력-변형률 선도
시편이 늘어날 때 반대로 지름은 줄어들기 때문에 단면적이 줄어든다. 공칭응력과 공칭변형률은 단면적 변화가 없다고 가정하고 구한 것이고 진응력과 진변형률은 단면적 변화를 고려해서 구한 것이다. 데이터를 비교해 보면 진응력은 공칭응력보다 큰 값이 나오고 진변형률은 공칭변형률보다 작은 값이 나온다.
4) 비례한계, 탄성한계
>> 응력에 대하여 변형률이 일차적인 비례관계를 보이는 최대응력 값을 찾는다. 공칭응력이 , 공칭변형률이 일 때 비례한계이다.
>> 비례한도 전후에서 부과했던 하중을 제거했을 때 변형이 없어지고 완전히 원상회복되는 탄성변형이 발생할 수 있는 최대응력 값을 찾는다. 공칭응력이 , 공칭변형률이 일 때 탄성한계이다.
5) 종탄성계수
>> 응력-변형률 선도에서 비례한계 이내의 직선부분의 기울기를 의미한다. 비례한계 시작점과 비례한계 부분의 기울기 값을 구한다.
6) 항복강도
>> 연강과 같은 연성재료는 응력이 탄성한계를 지나면 곡선형으로 증가하다가 하중을 증가시키지 않아도 변형이 커지는 지점이 상항복점이고, 이 때 금속 내부의 슬립으로 인해 소성유동이 생겨 큰 내부 전위를 일으키며 하항복점이 발생하는데 일반적인 항복점은 하항복점이고 시험 속도와 시편의 형상에 의하여 영향을 받는다.
데이터에서 찾은 항복응력 값은 공칭변형률 , 공칭응력 이다.
7) 인장강도, 극한강도
>> 데이터 값을 보면 하중이 75.42kN일 때 최대인 것을 확인 할 수 있고 그 후로는 하중이 감소한다. 이 때의 하중을 단면적으로 나눠주면 인장강도(극한강도)를 구할 수 있다.
8) 파단강도
>> 파단이 발생할 때 시편에 가해진 하중을 시편의 초기 원단면적으로 나눈 값을 파단강도라 하고 데이터에서 찾아보면 하중이 53.52kN일 때 파단이 일어난 것을 확인할 수 있다.
9) 연신율
>> 시편이 파단 될 때까지 생기는 전체 늘어난 양을 원래의 표점거리로 나눈 값이다.
10) 단면 수축률
>> 시편의 초기 단면적과 파단 시의 단면적과의 비를 의미한다.
5. 결론 및 고찰
재료시험기를 이용하여 시편에 파단이 일어날 때까지 하중을 서서히 증가하고 그 하중과 변위를 측정하는 실험이었다. 하중-변위 데이터를 이용해 응력-변형률 선도를 만들고 시편의 다양한 강도를 찾고 계수를 구해보았다.
시편의 길이가 늘어날 때 반대로 지름은 줄어들기 때문에 단면적이 줄어든다. 공칭응력과 공칭변형률은 단면적 변화가 없다고 가정하고 구한 것이고 진응력과 진변형률은 단면적 변화를 고려해서 구한 것이다(실제값). 전체적인 그래프 모양은 비슷하지만 데이터를 비교해보면 진응력은 공칭응력보다 큰 값이 나오고 진변형률은 공칭변형률보다 작은 값이 나온다. 응력은 단면적(감소)에 반비례하고 변형률은 원래 길이(증가)에 반비례하므로 나온 결과이다.
초기의 응력과 변형률이 비례하는 구간에서 기울기는 종탄성계수 값 E로 5.70GPa이 나오는데 이 값은 이론값 210GPa보다 훨씬 작다. 오차가 나는 이유는 표점거리를 늘렸기 때문이다. 정확한 데이터를 위해서는 익스텐소미터를 사용해야하는데, 이번 실험에 사용한 시편이 많이 짧아서 장치를 부착할 만큼 최소한의 공간이 부족해 사용하지 못했다. 익스텐소미터를 사용하지 못해 KS규격에 의한 표점거리인 70mm대신 120.7mm로 실험한 것이 오차의 원인이다.
실험으로 인해 고체역학 수업에서 배웠던 갖가지 이론들을 실제로 복습할 수 있었고 재료의 기계적 특성으로부터 사용 목적 및 조건에 부합하는 안전한 하중의 한계와 재료의 변형 능력을 검토할 수 있었다.
6. 참고문헌
- 기계공학실험교재편찬회, 기계공학 응용실험, 청문각, 2009
- 네이버 지식백과, http://terms.naver.com/ (Sep 21, 2014)

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