[재료공학실험]알루미늄 인장 1부

실험 목적

Instron 5582를 이용하여 실험한 뒤, 이를 바탕으로 항복점과 인장강도, 변형률과 Young’s Modulus 값을 찾고 이해를 한다. 그리고 Strain-Stress 커브를 그려 실험의 번반적인 내용을 이해한다

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요

Instron 5582를 이용하여 알루미늄 시편의 변형률을 측정하고, 그 결과로 얻은 그래프를 분석하고 이해한다.

 

2. Straingauge의 원리

저항 소자의 길이 변화율과 저항의 변화율이 비례하는 특성을 응용한 것

→ 피측정물에서 발생하는 변형량은 변형량 감지 저항체에 그대로 전달.

→ 저항체의 변화는 전기 저항값의 변화를 유발

→ 변형량과 저항변화 사이에는 일정한 관계가 있으며 이 저항값의 변화에서 변형 량 값을 알아낼 수 있다.

1) Straingauge의 구조

2) Straingauge의 측정방법

① 측정대상물에 Strain 이 발생하면, Straingauge 의 Base 를 경유해서 저항선에 Strain이 전달되어 온다. 발생한 Strain 에 대응한 저항변화와 Strain 의 관계는 다음 식과 같게 된다.

 

② Straingauge 의 저항변화는 미소한 값이기 때문에 휘트스톤 브릿지 회로를 이용해서 전압으로 변환 한다.

e=출력전압, R1=Straingauge의저항치, E=입력전압, R2-4 :고정 저항치

③ R=R1=R2=R3=R4라고 하면 Straingauge에 Strain이 가해져 Strain Gauge의 저항R이 R+ΔR 이 되고 따라서, Strain 에 의한 출력전압 Δe(변화분)는 다음과 같다.

(ΔR ≪ R)

 

④ Straingauge 를 Strain 측정기에 접속하면 휘스톤 브릿지 회로가 구성되어, 브릿지 회로의 입력전압 (브릿지 전압) 이 Strain 측정기에서 공급되기 때문에, Strain 량 (ε)을 Digital 로 표시하거나 Analog 출력등으로 측정할 수가 있다.

3. Strain-stress 그래프(응력-변형률 선도)

1) Ultimate Strength(극한강도)

항복 강도는 재료의 영구 변형의 지정된 금액이 발생되는 응력이다. 우리는 재료에 응력을 적용하면 변형. 변형 중 일부는 플라스틱이며 스트레스가 안심이 때 재료는 복구할 수 있다. 그러나 일부 변형은 영구적이며 물질은 그것으로부터 복구할 수 없게 된다.. 우리가 더 많은 스트레스를 적용으로 더 많은 변형이 생긴다.. 다소 선형 또는 비례, 방법으로 곡선이 플롯. 어떤 점에서 좀 더 스트레스가 많은 변형의 결과, 그리고 이 재료의 비례 한계이다. 재료의 최대 또는 최고의 강도에 도달할 때 까지 이를 넘어 적용된 응력 변형의 증가 속도를 일으킨다. 어딘가에 비례 한계와 재료의 궁극적인 강도 사이의 항복 강도이다.

 

2) Yield Strength(항복강도)

소성변형을 발생시키지 않고 재료에 가해질 수 있는 최대 응력의 정도. 항복강도는 재료가 특정한 영구 변형을 나타낼 때의 응력이며 탄성한계의 실제적인 근사값이다. Offset yield strength는 stress-strain 선도에서 측정된다. 그것은 stress-strain 곡선에서의 교점(교선)에 대응하는 응력이고, 그것의 직선 구간이 특정 변형률로 offest 되어 평행이동한 직선이다. 금속에서의 offset은 보통 0.2%로써 정해져 있다. 다시 말해 offset line과 0-stress axis의 교차점이 0.2%변형률이라는 말이다. 플라스틱의 offset은 일반적으로 2%이다.

A) Apparent stress (F/A0) B) Actual stress (F/A)

3) Rupture(파단)

물체가 더 이상 하중을 견디지 못하고 부숴지는 곳을 의미한다.

 

4) Strain hardening region(표면경화구간)

플라스틱 지역에서 진정한 스트레스가 금속이 항복 이후의 긴장되면 지속적으로 즉 증가, 점점 더 많은 스트레스는 추가적인 소성 변형을 생산하는 데 필요하며 금속보다 강하고 변형이 더 어려워진다. 이것은 금속이 변형 증가할수록 더 강해진다는 것을 의미한다. 이 때를 스트레인 경화라고 한다.

 

5) Necking region(넥킹 구간)

외력을 더 이상 증가시키지 않는다고 해도 변형이 일어나서 변형률이 증가하는 구간을 의미한다.

연성(ductile) 재료 : 지점 2에 그림에서와 같이 대부분의 자료는 선형 응력 - 변형 관계에 의해 정의된 선형 탄성 행위를 표시는 하중 제거 시 완벽하게 복구할 수 있다. 그것에 탄성로드 표본이다. 장력이 길어지다 것이며, 하역했을 때 원래의 모양과 크기로 복원된다. 이 선형 영역 너머에 대해 연성 등 철강 등 소재, 변형은 플라스틱 등의 변형 시료는 원래 크기와 모양으로 반환되지 않는다. 변형의 일부의 탄성 회복이 있을 것이다. 많은 응용 프로그램의 경우 소성 변형은 용납할 수 있으며, 설계 제한으로 사용된다. 항복점 후 연성 금속 스트레스가 증가 변형율로 다시 증가하고, 그들이 시작하는 변형 경화의 기간을 받게 될 것이다.

 

취성(brittle) 재료 : 인장시 비교적 적은 변형률 값에서 파단되는 재료를 취성재료로 분류한다. 콘크리트, 돌, 주철, 유리, 세라믹재료 및 많은 금속합금등이 이에 속한다. 이러한 재료들은 비례한도를 지나서 조금밖에 더 안 늘어나고 파단되며, 파단응력은 극한응력과 같다.

4. 관련 용어

1) Strain(변형)

물체에 외력이 가해졌을 때 나타나는 모양의 변화 또는 부피의 변화. 늘어남, 줄어듦, 층밀리기, 휨, 비틀림 등의 변형이 있으며, 이것이 복합적으로 나타나기도 한다. 한편, 변형에 대해 원래 상태로 돌아가고자 하는 성질을 탄성이라고 한다.

2) Stress(변형력)

변형력은 역학에서 단위면적당 작용하는 힘을 뜻한다. 응력(應力)이라고도 한다. 사실상 응력의 개념은 연속체라는 가정 아래 성립할 수 있다. 물체 내부의 경우, 가상의 단위부피를 설정해서 그 가상의 표면 바깥에 작용하는 힘을 계산하기 때문이다. 여기서 '가상의 힘'은 크게 두 종류가 있는데, 표면 힘과 몸체 힘이다. 표면 힘은 표면에 평행한 힘이며, 몸체 힘은 표면에 대하여 수직 방향인 힘이다. 응력의 SI단위는 파스칼(Pa)이다.

 

3) Load(하중)

하중은 정하중과 동하중으로 크게 나눈다. 물체 위에 정치된 추와 같이 움직이지 않는 하중을 정하중이라 하고, 매우 느리게 움직여 물체에 대해서 정하중과 같은 작용을 하는 것도 정하중이라고 한다. 예를 들면, 재료시험기에 의한 인장시험과 같은 것이 이에 속한다. 이에 대하여 움직이는 하중을 동하중이라고 하며, 그 작동형식에 따라서 여러 명칭이 붙어 있다. 예를 들면, 교량의 보에는 움직이지 않는 자중 외에 그 위를 통과하는 자동차 등의 이동하중이 작용 한다.

 

4) Elongation(연신율)

인장 시험을 할 때, 파괴되기 직전에 있어서의 표점 사이의 거리와 원표점 거리와의 차를 원표점 거리에 대한 백분율로 나타낸 것. 즉, 시험편이 절단된 후에 다시 접촉시키고, 이때의 표점 거리를 측정한 값 l과 시험 전의 표점 거리 l0과의 차이를 l0으로 나눈 값을 %로 표시한 것을 연신률이라 한다.

ε = (l-l0)/l0×100% 

 

5) Poisson's ratio(포아송비)

길이가 l0이고 폭이 w인 막대기에 당김 힘이 작용하면 길이는 l만큼 늘어나는 대신 그 폭은 만큼 줄어들게 되는데, 이 때 신장률에 대한 수축률의 비. 포아송비는 0 과 0.5 사이의 값을 가지며, 물과 같은 유체는 포아송비가 0.5 에 가까운 값으로 비압축률이 무한히 큰 값을 갖는 비압축성이다. 포아송비가 0.25 인 고체를 포아송 고체라 한다.

 

6) Young's modulus(영률)

물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률로 18세기 영(T. Young)에 의해 도입되었으며, 길이탄성률이라고도 한다. 일반적으로 물체를 양쪽에서 적당한 힘(F)을 주어 늘이면, 길이는 L0에서 Ln으로 늘어나고 단면적 A는 줄어든다. 또한 잡아 늘였던 물체는 힘을 제거하면 다시 본래의 형태로 돌아온다. 물체가 늘어나는 길이의 정도를 변형률(S)이라하며 S=(Ln-L0)/L0 로 나타낸다. 또한 물체를 늘릴 경우 잡아늘인 힘을 단면적 A로 나누어 변형력(T)라하며 T=F/A로 나타낸다. 영률은 변형률과 변형력 사이의 비례 관계를 나타낸다. 즉, 영률[N/㎡]=T/S가 된다. 영률은 물질의 늘어나는 정도를 나타내는 각 물질의 고유한 특성이다.

물질	Young률(109N/㎡)
구조물용 강철	200
알루미늄	70
유리	65
고강도 콘크리트	30
목재(이송)	13
뼈(압축의 경우)	9

 

7) Strength(강도)

강도는 재료의 강한 정도를 나타내는 재료의 고유한 역학적 성질을 의미한다. 재료에 외력을 가하여 재료가 파괴되기까지의 변형 저항을 그 재료의 강도라고 한다. 강도의 유형에는 인장강도, 압축강도, 굽힘강도, 비틀림강도등이 있다. 인장강도는 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정하며 압축강도는 짧은 기둥모양의 시료에 축방향으로 압축하중을 가하여 측정한다. 

비틀림강도는 둥근 기둥모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로 부터 계산에 의해 구한다. 강도의 정의는 재료의 탄성항복, 소성한계, 파단 및 파괴를 의미하는 재료의 한계 상태이다. 강도를 측정하는 방법은 공칭응력 (Engineering Stress, 기호: σn)에 의한 방법과 진응력(True Stress, 기호: σt)에 의한 방법이 있다. 일반적인 경우 재료는 강도가 클수록 탄성계수가 커지게 된다.

 

8) Rigidity(강성)

재료에 단위 변형을 가할 때 필요한 힘을 의미한다. 즉 재료에 변형을 가할 때 재료가 그 변형에 저항하는 정도를 나타낸다. 외부에서 힘을 받아서 재료가 변형될 경우 그 변형 정도는 힘이나 모멘트의 크기 외에도 재료의 형상 및 지지방법과 재료의 탄성계수에 따라서도 달라질 수 있다. 일반적으로 재료 강성은 단위 변형량에 대한 외력의 값으로 나타낸다. 인장시험의 경우에는 신장은 외력에 비례하며 단위 신장을 주는 외력을 신장강성이라고 한다. 재료가 외부에서 힘을 받을 때 강성은 기하학적 강성과 재료 강성의 곱의 형태로 표현하며 재료의 실험법에 따라(압축, 인장, 휨, 전단 등) 기하학적 강성도는 다를 수 있다. 인장 시험 시 기하학적 강성은 실험법에 따라 아래와 같이 계산 한다.

축방향 인장일 경우	굽힘 실험일 경우
단면적 / 길이	단면2차모멘트 / 길이

재료 강성은 통상 실험시에 측정된 E(탄성계수)값을 사용한다.

강성(stiffness) = 기하학적 강성× 재료강성

 

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