[재료역학실험]인장강도 측정시험 1부

시험 목적

공학에서 사용되는 재료의 역학적 성질은 재료의 시편을 시험하여 결정하게 되는데 인장시험의 목적은 시험편의 인장하중 - 변형량 관계를 측정하여 항복점, 인장강도, 탄성계수, 변형도, 단면감소율 등의 기계적 성질을 알아보는데 있다. 또 기계적 성질은 재료가 외력에 갖는 능력이므로 이를 알기 위한 시험을 보통 재료시험이라 하는데 이 재료시험을 공업적인 목적으로 이용하기 위해서는 표준화된 시험법을 적용하여야 한다.

특히 구조적 이용에 필요한 재료의 선택은 그것의 기계적 성질에 의존하므로 이들의 성질을 측정하고 시험으로부터 얻어진 자료를 바탕으로 안정성과 경제성을 고려하여 설계에 쓰이는 것이 바람직하다. 따라서 이들 시험에서 얻어지는 자료의 중요성과 이를 이해하는데 익숙해지는 것이 중요하다 하겠다. 인장시험은 서서히 가해지거나 정적하중과 같은 힘의 재료적 저항을 알아보는 것이다. 

물론 기계적 성질에는 경도와 굽힘 충격, 피로시험 등이 있지만 이러한 기계적 성질에서 가장 기본적인 강도를 알아보는 시험으로 비교적 간편히 할 수 있다는 강점이 있다. 다만 시험은 일반적으로 정해진 모양이나 치수가 있어 실제 사용되는 재료는 그 모양이나 외력의 작용조건이 실험과 다소 다를 경우 다른 성질을 가질 수 도 있다. 그러나 실제 설계에 있어서는 시험의 강도로부터 실제 강도를 어느 정도 계산 적용하는 것이 바람직하며 우리는 이 인장실험을 통해 이론적인 부분을 경험을 통해 체득할 수 있다.

시험 이론 및 원리

1. 시험 개요

인장시험은 단축상태의 인장하중을 가하여 재료의 기계적 성질인 항복강도(yield strength), 인장강도(tensile strength) 및 연신율(elongation) 등을 결정하는 시험방법으로 재질특성 파악의 효율성과 시험절차의 용이성 등으로 인해 재료 시험 중 가장 널리 이용되고 있다.

 

2. 시험 이론 및 원리

1) 선형구간 (0A구간)

응력과 변형률이 초기 영역에서 선형적이며 비례적임을 나타냄.

 

2) 탄성계수

변형의 초기에는 응력과 변형률의 비가 비례한도 내에서는 일정하다. 즉, 재료의 탄성한도 내에서 힘과 신연사이에 선형 변형관계가 성립한다. 이 일정한 관계를 후크의 법칙(Hook's law)이라 하고 응력과 변형률 관계를 E=σε으로 표시된다. 여기에서 E값을 탄성계수라 하며 응력-변형률 선도에서 비례한도 이내의 직선부분의 기울기를 의미한다.

 

3) 비례한도(Proportional limit)

응력에 대하여 변형률이 일차적인 비례관계를 보이는 최대응력이다. 

 

4) 탄성한도(Elastic limit)

비례한도 전후에서 부과했던 하중을 제거했을 때 변형이 없어지고 완전히 원상회복되는 탄성변형의 최대응력이다.

 

5) 항복점

응력-변형 곡선에서 하중의 증가가 없어도 신장률이 증가되기 시작하는 점이다. 이때의 응력을 항복 강도(yield strength, σY), 변형률을 항복 신장률(elongation at yield, εY)이라 부른다.

 

6) 완전소성구간 (BC구간)

재료가 완전 소성 상태로 되며 이는 하중의 증가가 없어도 변형이 일어남을 의미한다. 완전 소성 영역에서의 연강시편의 신장량은 선형영역(0A구간)에서 일어나는 신장량보다 약 10~15배.

 

7) 변형경화구간 (CD구간)

재료의 결정구조의 변화가 일어나는 구간 더 큰 변형에 대한 재료의 저항력을 증가시킨다.

 

8) 극한응력 (D점)

하중이 최대치에 도달할 때의 응력 극한 응력 근처에서 봉의 단면적 감소가 눈에 띄게 나타나기 시작.

 

9) 연신율

시험편의 처음길이 L과 시험편이 절단되기 직전의 길이 L’를 측정하여 원표점거리로 늘어난 거리를 나눈 값의 백분율을 연신율(δ)이라 한다.

 δ = (L-L´)/L ×100%

L : 원표점거리, L’ : 절단직전의 거리

 

10) 단면수축율

단면적과 파단 시의 단면적과의 비를 의미한다. 시험편의 원단면적 A(㎟)와 절단 후의 단면적 A’(㎟)와의 차를 원단면적 A로 나눈 값을 백분율로 나타낸 것을 수축율(ψ)이라고 하며, 다음식 으로 표시한다.

ψ = (A´-A)/A×100%

11) 넥킹 현상

시편의 가운데 부분이 단면적이 수축하는 현상, 육안으로 관찰 가능.

감소한 단면적을 사용하면 진응력-변형률 곡선을 구할 수 있음

 

12) 항복 강도와 인장강도

재료의 항복응력과 극한응력을 각각 항복강도와 인장강도(극한강도)라고 부른다. 강도는 일반적으로 구조물이 하중에 저항하는 능력을 나타내는 용어지만, 특정재료의 인장 시험 시에는 시편에 작용하는 전체 하중에 의한 것보다는 시편의 응력에 의한 하중 부하능력으로 정의한다. 결과적으로, 재료의 강도는 통상적으로 응력으로 나타낸다.

 

13) 항복점 결정방법 (오프셋 방법)

외력이 제거되었을 때에 원형으로 되돌아가는 부재를 요구할 때에는 비례한도나 탄성한계를 모색하면 되지만 이들을 구하는 문제가 그리 쉬운 것은 아니다. 따라서 연강에서는 항복점을 대용으로 쓰는 것이 일반적인 경우이나, 연강이외의 금속재료들은 형태의 곡선으로 나타나기 때문에 항복점을 구분하는 것이 쉽지 않다. 따라서 0.2%의 영구변형이 생기는 응력을 항복점으로 규정하고, 0.2%의 변형률이 생기는 점에서 곡선의 직선부에 평행선을 긋고 곡선과의 교점을 구하여 이것을 항복점으로 택한다.

 

공칭응력 : 원래 시험편의 단면적을 기준으로 응력을 구한 값

σ = P/A

 

공칭변형율 : 변형전의 길이에 대한 길이 변화량의 비

ε = σ/L

 

체적 불변의 조건 : 변형전과 변형후의 소재의 부피의 변화는 없다.

A0I0 = AI

 

공칭응력과 진응력의 관계 유도

공칭응력 : σn = P/A0, 진응력 : σ = P/A

공칭변형률 : εn = (l-l0)/l0 → l/l0 = 1+εn

시험 기구 및 장치

시험편, 인장시험기 - MTS810(25t) 변위 제어 방식, 재하속도:0.01mm/sec

 

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