[재료역학실험]금속재료 인장시험 1부

실험 이론 및 원리 - 1

1. 인장시험

재료시험에는 정적시험, 충격시험, 크립프 시험, 피로시험, 공업적 시험 등 여러 가지 시험이 있다. 그 중에서 정적시험에 속하는 인장시험(Tensile test)은 재료의 강도를 측정하는 가장 기본적인 시험으로 재료의 인장력에 대한 탄성적 성질, 소성변형 저항 및 파단강도를 측정하는 것을 주로 목적으로 하는 시험을 말한다.

간단한 조작으로 정확한 결과가 얻어질 뿐만 아니라, 인장 하중을 걸었을 때 재료에 생기는 변형저항의 상태를 조사해 봄으로써 그 밖의 하중을 걸었을 때의 저항변형도 추측할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 철강과 같은 연성재료에 대해서는 인장강도, 항복점, 신율, 단면수축률을 측정하고 주철과 같이 취성재료에 대해서는 인장강도를 주로 측정한다.

 

2. 인장시험의 목적

재료의 인장에서 인장강도, 항복강도, 변형률, 단면수축률, 탄성한계, 비례한계, 포아송비, 탄성계수 등을 측정하는 것을 주목적으로 하는 시험을 인장시험(tensile test)이라고 한다. 대부분의 구조물은 사용 중에 힘(하중)을 받게 된다. 그러므로 우선적으로 구조물재료의 특성을 이해하여 과도한 변형이나 파괴가 일어나지 않도록 설계에 주의를 기울여야 한다. 재료의 기계적 거동이란 외부하중에 대한 재료의 반응정도를 나타낸다. 특히, 외부의 힘과 이에 따른 재료의 변형사이의 관계를 나타낸다. 이 기계적 변형에 관련되는 성질을 재료의 기계적 성질 또는 역학적 성질이라고 한다.

기본적인 기계적 성질에는 최대 강도(Maximum Strength), 변형률(Strain), 탄성계수(Elastic Modules), 포아송비(Poison Ratio), 경도(Hardness), 인성(Toughness), 연성 (Ductility), 피로강도(Fatigue Strength), 크리프(Creep), 강성도(Stiffness), 파괴인성(Fracture Toughness)등이 있다. 재료의 기계적 성질을 정확 하게 측정하기 위해서는 실험실 조건을 실제 사용 환경과 거의 같도록 하여야 하며, 하중의 형태 및 하중을 받는 기간 및 주위 환경 조건 등을 고려하여야 한다.

 

재료 시험은 작용하는 하중상태 및 조건에 따라 정적 시험(Stastic test)과 동적 시험(Dynamic test)으로 분류된다. 정적 시험에는 정적 하중을 가하여 시험하는 것으로 정하중 시험 이라고도 한다. 정하중 시험은 인장, 압축, 전단, 굽힘 및 비틀림 등을 강도 시험을 총칭한 것이다. 일반적으로 비교적 짧은 시간 내에 시험 목적을 달성할 수 있으나, 크리프 시험과 같이 긴 시간이 필요한 정적 시험도 있다. 정적 시험 방법에는 가장 널리 사용되는 시험법은 인장 시험으로서 금속과 합금의 강도를 평가하기 위한 시험이다. 인장시험은 상온에서 수행하며, 항복강도, 인장강도, 연신률, 단면감소률 등 재료의 물성치를 결정하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

 

3. 인장 시험기의 개념도

인장시험에 사용되는 시험기를 만능재료 시험기라 한다. 그림 1의 각종 인장시험기의 개념도를 나타낸 것이다.

그림 1의 인장시험기의 개념도

그림 1의 (a)는 스프링의 휨, 또는 load cell로 하중을 측정한다. 그림 1의 (b)는 빔이 수평을 유지하도록 중추(G)를 가감하는 방식, 그림 1의 (c)는 이동 중추식, 그림 1의 (d)는 진자의 상승각으로부터 하중을 구하는 진자식, 그림 1 의 (e)는 유압으로 인장하고 그 유압을 manometer로 읽는 방식이다. 또, 이들을 적당히 조합시킨 시험기도 있다. P는 인장을 나타낸다.

모터로서 인장할 경우, 부하가 증가해도 회전속도는 그렇게 변화하지 않는 서보모터(servo-motor)를 사용하는 경우가 많다. 일반적으로 소형 시험기에 이와 같은 모터가 사용된다. 유압식은 대용량 시험기에 적합하지만, 기계적으로 인장하는 경우에 비해서 일정스트레인(strain)속도로 인장하거나, 또는 시험도중에 신속히 변형 속도를 변화시킬 필요가 있을 경우에는 약간 어려움이 있다. 최근에는 각 형식에 따라 반자동식인 것이 많이 판매되고 있다.

 

4. 인장시험의 고정방식

그림 2는 시험편의 고정방식의 예를 나타낸 것이다.

그림 2의 (a)는 쐐기(wedge)를 사용하는 것으로서, 처음에는 어느 정도 물려주면 시험편에 인장력이 가해질수록 더욱 강하게 고정되게 된다. 이 형식은 중용량 시험기에 종종 사용된다. 이 형식의 결점은 소입된 공구강과 같이 쐐기와 같은 정도의 경도를 가지는 시험편에는 부적당하다는 점과 특히 적은 스트레인 범위 내에서는 크로스헤드의 이동과 시험편 평행부의 연신과의 차이가 크다는 점 등을 들 수 있다. 따라서 정확한 변형률을 구하기 위해서는 시험편의 평행부에 차동변압기형 신율계를 부착하여 표점간의 상대적 변위를 직접 측정하지 않으면 안된다.

그림 2의 (b)는 크로스헤드의 이동과 평행부 연신이 대체로 일치하게 되는 장점은 있지만 평행부 지름에 비해서 약 2배 이산의 큰 소재가 필요하다.

그림 2 시험편의 부착

그림 2의 (c)는 나사형으로, 소형시험편에 잘 사용되고 있다. 평행부 지름을 나사부 지름의 1/3으로 한다. 파단 후 나사부가 잘 빠져나오지 않는 경우가 있으므로, 나사부 단면에 드리브용 홈을 넣어주는 것이 좋다. 나사는 나사산의 거리가 좁고 수가 많은 것이 좋다.

그림 2의 (d)는 핀(pin)을 사용하는 방식으로, 소형 판상시험편에 사용되는 경우가 많다. 이외에도 경강선 또는 와이어로프를 시험할 경우는 그림 2의 (e)와 같이 끝부분이 굵고 넓게 용융금속(예를 들면, 50% Bi, 25% Pb, 1.25% Zn, 12.5% Cd : 융점 60℃) 및 화이트 메탈(68% Pb, 12% Sb, 20% Zn : 융점 280℃)을 주입해서 굵게 해주는 것도 효과적이고, 또한 그림 2의 (f)와 같이 경한 세라믹재의 인장에 사용되는 taper방식의 척도 있다. 일반적으로, 물림부의 길이는 충분히 길게 해줄 필요가 있지만, 치수가 부족할 경우는 그림 3과 같은 치수의 시험편이 평행하게 유지되도록 고정시켜 주는 것이 중요하다.

그림 3 판, 봉시험편의 고정법

 

5. 금속재료 인장 시험편의 치수(KS규격)

공업적인 검사로서의 인장시험을 할 경우에는 KS에 규정되어 있는 인장시험편을 사용한다. 표 1에 금속재료의 인장시험편에 대한 규격의 일부를 나타내었다. 연구실험용으로 특수현상의 시험편을 사용하는 것이 좋을 경우가 있다.

표 1 KS금속재료 인장시험편 치수

예를 들면 탄성률을 정밀하게 측정하려면 L/√A이 (L 표점거리, A 단면적) 큰 시험편을 사용하는 것이 좋다. 그러나 다음에 설명하지만 연성재료는 보통 국부적인 소성연신(국부수축 : local contraction, necking)을 나타내면서 파단하므로 단면적 A가 일정한 시험편의 파단연신 (L' - L)/L 100%, L'는 파단시의 표점거리로 L에 따라 변화하고 L이 클수록 연신율은 적게 된다. 그러나 L/√A을 일정하게 하면, 상사시험편으로 대체 일정의 파단신율을 나타낸다. 이것은 Barba의 법칙이라 한다. 상사법칙을 이용할 경우 주의해야 될 것은 상사법칙을 무한히 확대해석해서는 안 된다는 점이다. 왜냐하면 상사법칙의 개념에는 조직민감성의 고려가 전혀 되어 있지 않기 때문이다.

 

6. 인장시험시 여러 가지 명칭들

실재의 재료는 원자배열이 흐트러져 있거나, 결함을 가지고 있기 때문에 완전한 탄성체는 아니지만, 작은 응력에서는 대체적으로 탄성적 거동을 나타내고, 큰 응력을 받으면 소성변형을 일으켜서 결국에는 파단한다. 그림 4는 연강의 인장력에 대한 공칭응력-공칭변형률 선도를 나타낸 것이다. 여기서 공칭응력이란 (하중)/(원단면적)이고, 공칭변형률이란 표점거리(gauge length) L0가 L로 되었을 때, (L - L0)/L0이다. 그림 중에서 각 점은 다음과 같은 의미가 있다.

그림 4 연강의 공칭응력-공칭스트레인 선도

1) σE : 탄성한도(elastic limit) - 제하하면 변형률이 0으로 되돌아가는 응력의 상한값이다. 0인지 아닌지는 측정 정도에 의존하므로, 보통 잔존하는 변형률(이것을 영구변형률 : pamanent set라고 한다)이 0.03% 또는 0.005%일 때의 응력으로 한다. 단 KS에는 규정되어 있지 않다.

2)σp : 비례한도(proportional limit) - Hooke의 법칙이 성립하는 응력의 상한값으로서, 이것도 역시 측정의 정밀도에 의존한다. σE와 σp는 대체로 같다. KS의 규정을 없다.

3)σuy : 상향복점(upper yield point) - 항복 개시 전의 최대응력

4)σly : 하항복점(lower yield point) - 항복이 진행중일 때 거의 일정 하중을 원단면적으로 나눈 값 을 말한다. (σuy - σly)를 항복점 강하(yield drop)라고 하고, 항복의 변형을 항복점 변형 (εy : yield elongation)이라 한다. σuy에 이르기 이전에도 작은 소성변형이 일어나고, 이 미 소소성 변형을 micro-yielding 또는 pre-yielding이 라고 한다. 그렇지만 간단히 항복이라고 할 경우는 하항복점을 말한다.

5)σβ (σB로 나타내는 수도 있다) : 인장강도(tensile strengrh) - 최대하중을 원단면적으로 나눈 값을 말한다.

6)전연신율(total elongation) : 어떤 하중을 가한 상태에서의 표점간 길이와 시험 전 원래의 표점거리(gauge length)와의 차이를 원래의 표점거리에 대한 백분율로 나타낸 것을 말한다. 즉, εt = (l'-l)/j 100이다(l' : 표점간 길이, l : 표점거리).

7)영구연신율(parament set) : 하중을 가한 다음에 이를 제거한 후에 있어서의 표점간 길이와 원래의 표점거리와의 차이를 원래의 표점거리에 대한 백분율로 나타낸 것을 말한다.

8)φ(δ로 표시할 때도 있다) : 파단연신율 또는 단순히 연신율(elongation) - 파단 후의 연신율을 말한다. 파단연신율은 국부수축이 개시하기까지의 균일연신율 (uniform elongation)과 국부수축 개시부터 파단까지의 사이에서 일어나는 국부연신(local elongation)로 나누어진다.

9) 𝜑 단면수축률(contraction of area) : 파단 후의 최소단면적과 원단면적과의 차이를 원단면적에 대한 백분율로 나타낸 것을 말한다.

10) σy/σβ : 항복비(yield ratio)라 한다. 즉 φ = (A'-A)/A 100(A' : 파단 후 최소단면적, A : 원단면적)

 

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