[재료공학기초실험]세라믹의 곡강도(Flexural strength) 측정

실험 목적

세라믹 부품에 대한 일반적인 강도 측정법인 곡강도(굽힘 강도)를 측정한다.

실험 이론 및 원리

 

1. 실험 배경

대부분의 세라믹스가 취성파괴를 한다. 취성파괴 재료의 강도는 그 재료에 있는 결함들의 크기에 의해 결정이 되는데, 시편마다 이 결함들의 크기가 일정하지 않고 어떤 분포를 이루고 있기 때문에 이에 따른 결과로 같은 시편에서 잘라 만든 시편들도 그 강도가 일정하지 않고 통계적 분포로 나타난다.

 

이러한 현상은 연성파괴를 하는 대부분의 금속재료에서는 일어나지 않는다. 그래서 같은 시편에서 금속재료의 강도는 거의 일정한 값을 가지는데 비해, 가압 소결된 Al2O3의 강도는 350±90MPa의 큰 폭으로 분포되어 나타난다. 즉, 어떤 취성파괴 재료 시편의 강도라는 것은 그 시편에 있는 결함 중 가장 심한 결함이 나타내는 가장 낮은 강도 값을 말하는 것이다.

 

재료에 하중이 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 한다. 강도는 인장, 압축, 비틀림과 굽힘 강도 시험을 통해 알 수 있다. 그 중 인장 강도 시험은 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정하며, 압축강도는 짧은 기둥모양의 시료에 축방향으로 압축하중을 가하여 측정한다. 비틀림 강도는 둥근 기둥모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산에 의해 구한다.

 

2. 굽힘(꺾임)강도실험 (flexural strength test)

Fine ceramics 의 일축 강도 측정 방법 중의 하나이다. 이 시험 방법은 재료 개발, 품질 관리, 특성분석 및 부품 설계 자료를 산출하기 위한 목적으로 사용될 수 있다.

 

1) 계산식

① 3점 꺾임에서 꺾임 강도

σf : 꺾임 강도 (Mpa) F : 파괴 응력 (N)

L : 지지구 외부 너비 (㎜) b : 시험편의 폭 (㎜) d : 측정 하중 방향에 평행한 시험편의 높이 (㎜)

 

② 4점 꺾임에서 꺾임 강도

σf : 꺾임 강도 (Mpa) F : 파괴 응력 (N)

a : 지지구 모멘트 암의 길이 b : 시험편의 폭 (㎜) d : 측정 하중 방향에 평행한 시험편의 높이 (㎜)

 

③ 평균 강도 및 표준 편차

σf,i : I번째 시험편의 강도	n : 시험편의 개수

 

평균 강도와 표준 편차는 다음의 기호로 기록하여 사용한다.

σ(N,L)는 (N=4 또는 3 점) 꺾임과 (L=40㎜ 또는 30㎜) 외부 너비에서 측정한 강도를 나타 낸다.

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

1) 만능 시험기, 강도 측정용 시편 3종류

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 강도를 측정할 시편을 먼저 polishing 한다.

2) 만능 시험기의 전원과 Computer의 전원을 켜고 하단에 있는 전구에 불이 켜지는지 확 인한 후, 5 분간 warming-up 시킨다.

3) 지지 베어링 설치 후 polishing한 시편표면이 인장 면이 되도록 지지 베어링에 접촉 시 키고 하중 베어링을 설치한다.

4) Helio_test.exe 프로그램을 실행시킨다.

5) 실험하는 시편정보를 추가하고 시편의 길이, 넓이, 높이를 입력한다.

6) 하중 지지대를 하중펀치에 최대한 밀착시킨 후 0 점을 잡는다.

7) 프로그램을 실행시키고 실험 그래프를 클릭한 후 Active graph update를 체크한다.

8) 시편이 부서지는 소리가 들리면 시험기 상황으로 돌아와 프로그램을 종료한다.

9) 부서진 시편을 회수한다.

10) report.exe를 실행시켜 Graph를 분석한다.

 

주의 사항

시험편이 파괴될 때까지 걸리는 시간이 아무리 짧다고 하여도, 꺾임 강도에 미치는 응력부식이나 느린 균열 성장(실험실 공기 중의 습기)과 같은 시간 의존 현상의 영향은 일부 민감한 재료들에서는 매우 중요할 수 있다. 

실험실 주변의 분위기가 꺾임 강도에 미치는 영향을 방지하고 최소화하기 위하여 꺾임 강도 시험 지그를 분위기 챔버나 봉투(예를 들면, 깨끗한 폴리에틸렌 백)안에 넣고, 시험 전에 건조 질소 가스를 불어넣어, 건조 질소 가스 분위기 아래에서 시험한다. 

시험편의 인장 면에 파라핀 오일(170 에서 1~2시간 열처리)을 코팅하여 실험실 조건에서 시험하여도 좋다. 그러나 파라핀 오일은 시험편이 파괴된 후, 파단면을 분석하는데 방해가 될 수도 있다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

1) 시편 종류 : ZrO2

2) 사용 기종 : SHIMADZU AG-500E

3) 지지구 모멘트의 암의 길이 : 2㎝

측정횟수	높이 (㎜)	폭 (㎜)	최대하중 (㎏)	F (파괴응력)	σf (꺾임강도)	표준편차
1	4.18	4.41	109.1	1069.18	832.554	84.022
2	4.21	4.41	124.86	1223.628	939.289
3	4.4	4.24	103.81	1017.338	743.614
4	4.4	4.27	125.11	1226.078	889.892
평균	4.2975	4.3325	115.72	1134.06	851.34

σf(꺾임강도) : σf = 3Fa/bd2 

1번 꺾임강도(σf)		≒ 832.554N/㎟
2번 꺾임강도(σf)		≒ 939.289N/㎟
3번 꺾임강도(σf)		≒ 743.614N/㎟
4번 꺾임강도(σf)		≒ 889.892N/㎟

토의 사항

1. 실험 고찰

본 세라믹의 곡강도 실험을 통해서 강도와 연성을 측정하는 방법을 알 수 있게 되었고. 관련 이론을 통해 굽힘 실험원리를 알 수 있었다. 그리고 이러한 실험이 어디에 사용되는지도 알 수 있었다. 시험의 가장 큰 목적은 사용하고자 하는 재료의 성질을 이용하여 만들고자 구조물에 응용하는 것이며 많은 분야에서 사용된다고 하기 때문에 이 실험의 중요성은 매우 크다고 생각된다. 본 실험은 재료를 선택하여 사용함에 있어서 반드시 이루어 져야 하는 중요한 실험이라고 할 수 있다.

2. 오차의 원인

본 실험은 세라믹의 곡강도를 측정하는 것인데, 3point 실험으로 파괴응력을 측정하는 실험이다. 이 방법은 세라믹 재료에서 주로 쓰이는데, 그 이유는 시편을 요구되는 형상으로 시험하기가 어렵고, 시편이 취약하기 때문에 그립에 고정하기가 어려워 인장시험법으로 강도를 측정하기가 힘들기 때문이다. 그래서 원형 또는 사각형을 가진 봉상 시편을 3point or 4point로 지정하여 실험을 한다.

 

본 실험에서는 최소하중이 103.81㎏이고, 최대하중은 125.11㎏이다. 최소하중과 최대하중의 차가 약 대략 최소값보다 최대값이 1.2배 가량 차이가 난다. 이에 대한 오차 값은 원인을 추측해보면 다음과 같다.

 

첫 번째 원인으로는 시료의 폴리싱 정도를 생각 할 수 있다. 폴리싱된 시편이라고 하더라도, 미처 폴리싱하지 못한 미세한 결함이라도 있으면 응력집중이 일어나, 받는 하중이 달라지면서 응력값의 편차가 클 수 있다. 그리고 4개의시편을 똑같이 폴리싱 하기는 힘들 것이다.

 

두 번째 원인으로는 시료자체의 특성을 들 수 있다. 시료 내부의 배열상 문제나, 내부결함이 존재하게 되면, 같은 시편이더라도 다른 값을 낼 수 있다.

 

세 번째 원인은 기계에 저울, 지지대 및 실험실조건 등을 들 수 있다. 저울에는 공기의 흐름에 의해 눈금이 차이가 날 수 있다. 저울은 민감하기 때문에, 공기의 흐름에 따라 값으 바뀔 수 있기 때문이다. 또 실험실 공기 중의 습기등도 민감한 재료에게는 값의 편차가 클 수 있다. 그리고 실험을 할 때, 한 거치대에서 계속해서 실험을 하기 때문에 그 전에 했던 실험의 잔해물이라던가, 거치대를 오래 사용하여 평형이 아닐 수도 있다. 이에 따라 오차가 발생 할 수 있다.

 

네 번째 원인은 실험 할 때 시료를 실험원들이 직접 만져보고 조교님께서 알코올로 닦아서 실험을 했다. 여기서 우리가 만져서 생긴 지문이라던가, 파티클 입자가 시료에 묻었는데, 덜 닦인 상태로 실험에 실행했다면 오차값이 나올 수 있다.

 

정리하면, 강도 값은 성형·소결 과정에서 생기는 기공이나 내부 결함에 강하게 영향 받는다. 소결과정에서 생긴 내부에 기공이나 균열 등으로 이미 파괴가 진행되고 있었을 수가 있다. 그리고 polishing한 시편의 표면이 인장 면이 되도록 지지베어링에 제대로 접촉시켜야 하는데 그렇지 못하였을 것이다. 또한 하중을 받는 위치를 정중앙에 고정하지 못해 오차가 발생했을 수도 있을 것이다. 그리고 polishing의 결과에 따라 응력집중이 상대적으로 제대로 되었는지 아닌지에 따라서 오차가 발생했을 것이다. 응력집중을 줄이기 위해 시편의 모서리를 둥글게 하는 과정인 모떼기 과정에서 스크래치가 생기거나 혹은 제대로 둥글게 되지 않아서 오차가 발생했을 수도 있다고 생각한다.

 

3. 세라믹스의 꺾임강도 시험방법의 국제 표준 규격

The Four-Point-¼ Point and Three-Point Fixture Configuration

 

이 테스트방법은 세라믹 재료의 개발, 특성 및 설계 데이터를 생성할 목적으로 사용 할 수 있다. 이 테스트방법은 세라믹 재료의 측정을 하기위한 장치이고, 이 기계의 강도는 50 MPa (~7 ksi) 이상이다. 이 재료는 등방성이고 규질하고 인장과 응력에서 탄성계수가 동일하며 재료가 탄성적이다는 가정 하에서 파괴강도는 단순한 빔을 기반으로 계산할 수 있다. 로드의 직경은 평균 결정립 크기의 오십분의 일보다 크지 않아야 한다.

 

참고 문헌

1. 세라믹스의 기계적 특성, 이준근 저, 반도출판사, p.51~58 1994

2. 세라믹 강도학, 이재형 외 2명 공역, 사이텍 미디어, p.301~p322, 2001