본문내용
1. 기계적특성
1.1. 재료시험 개요
재료시험은 재료의 기계적, 물리적, 화학적 성질 등을 시험하는 것이다. 광의의 재료시험은 재료의 모든 성질을 시험하는 것이며, 협의의 재료시험은 공학적인 재료시험으로서 재료의 기계적인 성질만을 시험하는 것이다. 재료시험의 목적은 재료가 사용목적 및 사용조건에 적합한가를 시험하고 안전한 하중의 한계와 재료의 변형능력 등을 검토하는데 있다. 재료시험은 재료의 기계적 성질과 물리적 또는 화학적 성질의 관계 또는 기계적 성질의 변화로 인하여 다른 여러 가지 성질사이의 관계를 알기 위해 수행된다. 재료시험은 작용하는 하중상태 및 조건에 따라 정적시험과 동적시험으로 분류된다. 정적시험은 정적하중을 가하여 시험하는 것으로서 시간에 따라 하중의 크기, 방향이 불변한다. 동적시험은 재료에 동적하중을 가하면서 시험하는 것으로 비교적 실제 상태와 근사한 조건의 시험을 수행한다. 재료시험에는 파괴시험과 비파괴시험이 있으며, 파괴시험은 시편을 파괴하거나 변형을 주어 시험하는 것이고, 비파괴시험은 시편을 검사한 다음 다시 실용할 수 있는 방법이다. 재료시험을 수행할 때에는 실험을 위한 계획 수립, 문제 분석 및 해결방법 찾기, 협동심과 책임감 고취, 질서와 정확성 인식, 계측기 사용능력 개발, 실험결과 분석 및 판단 능력 개발, 실험 보고서 작성능력 개발 등의 사항들을 고려해야 한다.
1.2. 경도시험
경도는 일반적으로 무르던가 단단하다는 경험에 바탕을 둔 것으로, 어떤 경한 표준물체를 시편에 압입했을 때 시편에 나타나는 변형에 대한 저항력이다. 이 변형에 대한 저항력의 크기로서 경도치를 표시한다. 경도값은 압입자(표준물체)로 압입할 때 생기는 변형에 대한 저항력의 크기를 말한다. 경도의 정의를 물리적으로 엄격히 표현하기 매우 곤란한 이유는 녹는점, 빛의 속도, 전기저항 등의 물리적인 표준상수와 달리 재료의 여러 가지 성질의 복합적인 작용 결과로 나타는 것이므로 어느 한 가지의 물리적 성질에 근거를 둔 표준상수 값을 정할 수 없기 때문이다. 그럼에도 불구하고 경도측정이 간편하고 손쉬우며 재료의 다른 기계적인 성질, 예를 들어 강도 등과 매우 밀접한 관계가 있어 오래 전부터 공업계에서 널리 쓰여 왔다. 이러한 이유로 경도를 포함한 공업상수 값에는 어떤 정확한 물리적 정의가 없으며 그 시험 방법에도 여러 가지가 있게 되는 것이다. 하지만 보편적인 의미를 갖는 공업상수 값을 구체적으로 측정하기 위하여 많은 시험 방법이 고안된 이유는 공업상수 값이 재료나 제품의 특성을 비교하는 수단으로서 실용상 매우 중요하기 때문이다.
경도측정의 원리는 압입경도이다. 압입경도는 압입자에 일정하중을 가하여 시편에 일정시간 동안 누른 뒤 이때 생긴 압입깊이나 압입자국의 크기를 숫자로 표시한 것이다. 경도값은 하중을 가하면서 탄성변형 영역에서 나타나는 탄성변형에 대한 저항값과 소성변형에서 나타나는 가공경화(변형경화)에 대한 저항값의 합이다. 시험하중과 압자가 다른 경우에는 냉간 변형량이 달라지며 그에 따라 경도값도 달라져서 다른 하중과 다른 압자에 의해 얻어진 경도값 사이에는 간단한 수학적인 상관관계가 존재하지 않는다.
경도시험의 목적은 단순히 재료의 경도값을 알고자 하는 경우, 경도값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우, 또는 경도값으로부터 시편의 가공상태나 열처리 상태를 비교하고 싶은 경우가 있다. 단순히 재료의 경도값을 알고자 하는 경우에는 별 문제가 없이 적절한 시험방법을 선택하면 된다. 경도값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우에는 침탄처리 등의 표면처리된 시편이나 가공경화가 많이 일어나는 재료에 있어서 가공에 의한 표면경화가 나타난 시편은 경도값으로부터 강도를 추정할 수 없다. 경도값으로부터 시편의 가공상태나 열처리 상태를 비교하고 싶은 경우에는 그에 따라 적절한 경도측정 순서나 방법을 결정해야 하며, 대개 압자를 바꾸거나 하중을 바꾸어 2회 이상의 경도값을 측정해야 할 필요가 있다.
경도시험에 있어서의 일반적인 주의점은 경도시험의 방법에 따른 원리, 장단점 그리고 시험방법의 한계 등을 정확히 알아야 한다는 것이다. 각각의 경도시험 방법에 대한 인식이 정확하지 않을 때는 그 결과가 전혀 다르게 나타날 수도 있기 때문이다. 예를 들면 가벼운 강구를 일정한 하중으로 시편에 가압했을 때 눌린 깊이를 경도의 눈금으로 한다면 강철이 고무보다 변형이 적으므로 상식대로 강철이 고무보다 단단하다는 결과를 나타낸다. 그러나 하중을 제거한 뒤에 영구변형에 의해 나타나는 눌린 자국의 크기를 경도의 눈금으로 하면 눌린 자국이 남지 않은 고무가 더 단단하다는 결론이 나게 된다. 따라서 경도시험 방법에 따라 얻어지는 경도 값이 재료의 어떠한 성질을 표시하고 있는가에 주의를 할 필요가 있다.
경도시험의 일반적인 순서는 다음과 같다. ① 경도시험의 목적을 분명히 한다. ② 알맞은 시험방법을 선택한다. ③ 측정값의 오차범위를 확실히 한다. ④ 시험기의 작동상황과 정밀도를 파악한다. ⑤ 시편을 준비한다. ⑥ 시편의 어느 부분의 경도를 측정할 것인지를 결정한다. ⑦ 경도측정 횟수를 결정한다. ⑧ 시편을 시험기에 놓는다. ⑨ 시험을 실시한다. ⑩ 경도값을 읽고 적거나 계산한다. ⑪ 측정결과에 후속조치를 한다.
다양한 경도시험 방법 중 브리넬, 로크웰, 비커스 경도시험에 대해 살펴보면 다음과 같다. 브리넬경도시험은 1900년 스웨덴의 J.A. Brinell이 제안한 방법으로, steel ball을 시험편에 압입할 때 압입저항력의 대소로 경도를 측정하는 것이다. 시험의 목적은 각종 공업재료의 브리넬경도값 측정, 각종 공업재료의 경도와 강도와의 관계 이해, 각종 금속재료의 가공상태 및 열처리 상태의 재료특성 평가 등이다. 로크웰경도시험은 1919년 미국의 S.P. Rockwell이 고안한 방법으로, 압입자에 기준하중(초하중)으로 시험편 표면을 압입한 뒤 다시 시험하중을 가하여 압입된 깊이를 측정하는 방식이다. 시험의 목적은 각종 공업재료의 로크웰경도값 측정, 각종 공업재료의 경도와 강도와의 관계 이해, 각종 금속재료의 가공상태, 열처리 및 표면처리 상태에 따른 재료특성 평가 등이다. 비커스경도시험은 1925년 영국의 Vickers Armstrong Co.에서 개발된 방법으로, 대면각이 136°의 diamond pyramid형 압입자로 시편을 압입하여 압입자국의 표면적으로 나눈 값으로 경도를 표시한다. 시험의 목적은 각종 공업재료의 비커스경도값 측정, 각종 공업재료의 경도와 강도와의 관계 이해, 각종 금속재료의 가공상태, 열처리 및 표면처리 상태에 따른 재료특성 평가 등이다.
1.3. 인장시험
인장시험은 시험편의 양단에 인장하중을 충격 없이 서서히 가해서 이것이 파단될 때까지 계속한다. 기계적 시험 중에서 가장 중요한 것이다. 다른 기계적 시험에 비해서 특히 좋은 점은 시험편의 횡단면에 힘의 분포가 가장 균일한 것이며, 파단할 때까지 충분히 변형시킬 수 있으며, 가장 많은 기계적 성질을 조사할 수가 있으며, 시험법으로는 비교적 간단한 것 등이다.
인장시험의 목적은 시편을 일정한 속도로 일축방향으로 인장력을 가하여 재료의 항복점, 인장강도, 연신율, 단면수축율 및 하중과 연신량 선도 등의 기계적 성질을 평가하고, 비례한도, 탄성한도, 탄성계수, 푸아송의 비와 같은 물리적인 특성을 시험함으로써 시험기의 조작을 숙지하고 할용 할 수 있는 능력을 길러, 재료의 성질을 이해하고 기계설 로 이용하며, 제품의 품질관리의 기준으로도 이용하는데 있다. 한편 인장에 대한 변형거동에서 다른 응력상태의 변형거동을 어느 정도 추정할 수 있으며, 재료의 생산 및 가공공정 등의 검토와 미지의 신재료에 대한 물성파악 등에도 이용될 수 있다.
응력과 변형의 관계에서 고체에 작은 응력을 가하여 탄성범위 내에서는 응력과 변형 사이에 Hooke의 법칙이 성립하여 비례관계를 갖는다. 즉 sigma = E * epsilon이다. 여기서 E는 탄성계수이다.
그러나 하중이 탄성한도를 초과하면 소성변형이 일어나게 된다. 연성금속의 경우 공칭응력-공칭변형률 곡선에서 항복점이 나타나는데, 이는 탄성변형과 소성변형의 구분을 나타낸다. 항복점 이후에는 가공경화 현상으로 변형에 대한 저항이 증가하다가 최대하중(인장강도)에 도달하면 국부수축(necking)이 일어나면서 응력은 감소하게 된다.
연성재료의 경우 파괴는 국부수축 부위에서 시작되므로 인장강도와 파괴강도가 다르게 나타날 수 있다. 연신율과 단면수축율은 재료의 전성과 연성을 나타내는 지표로 사용된다. 공칭변형률은 시편의 변형을 초기 길이로 나눈 값이며, 공칭응력은 초기 단면적으로 나눈 하중값이다.
항복점 현상은 금속 결정의 소성변형과 관련이 있다. 금속 결정 내부의 많은 원자들이 동시에 소성전단변형을 일으키기는 어렵고, 대신 적은 수의 원자들이 슬립면을 따라 소성변형을 일으킨다. 이로 인해 응력-변형률 곡선상에서 항복점이 불연속적으로 나타난다.
항복점의 측정은 엄밀히 정의하기 어렵지만, 일반적으로 전체 변형 중 0.1~0.3%의 영구변형이 생기는 응력을 항복점으로 정의한다. 항복강도는 이 0.2%의 영구변형이 생길 때의 응력을 의미한다.
재료의 인장강도는 최대 공칭응력을 의미하며, 연성재료의 경우 국부수축 이후 응력이 감소하게 된다. 연성의 측정은 파괴 시의 연신율과 단면수축율로 평가할 수 있는데, 이 값들은 시편의 초기 치수에 따라 달라질 수 있다. 유사한 기하학적 형상의 시편을 사용하면 이러한 차이를 보정할 수 있다.
탄성계수는 재료의 강성도를 나타내는 중요한 물성이며, 푸아송의 비는 재료의 횡방향 수축률과 축방향 변형률의 비로 정의된다. 최대 탄성변형에너지는 항복응력과 탄성계수로 계산할 수 있으며, 재료의 에너지 흡수 능력을 나타낸다.
전성과 인성은 재료의 기계적 성질을 나타내는 대표적인 지표이다. 전성은 파괴를 일으키는데 필요한 변형량을, 인성은 소성 변형 영역에서의 에너지 흡수 능력을 의미한다. 강도와 연성이 모두 높은 재료일수록 인성이 크다고 볼 수 있다.
1.4. 굽힘시험
굽힘시험은 재료에 굽힘 모멘트가 작용하였을 때의 변형저항이나 파단강도를 측정하는 것이다. 공업적으로는 재료의 표면에 균열이 생기지 않으면서 시편이 굽혀질 수 있는 최소반경을 측정하거나, 재료의 소성가공성이나 용접부의 변형능을 측정하기 위한 굽힘시험(bend test)과, 주철이나 초경합금과 같이 취성재료의 굽힘 파단강도를 측정하는 항절시험(transverse or flexure test)으로 대별할 수 있다.
환봉이나 각주를 굽힘한 경우의 인장 또는 압축력은 시험편 표면에서 최대가 되며, 중심부는 0이 되어 단면에 응력구배가 생기게 되고 이로 말미암아 항복이나 균열은 표면으로부터 시작되어 중심을 향한다. 인장시험이나 압축시험에 있어서는 이렇게 현저한 응력구배가 없으므로 (하중/단면적) 그 진응력을 구할 수가 있으나 굽힘시험의 경우는 시험편이 탄성범위에 있는 한, 응력은 중심축으로부터 거리에 비례하므로 각 위치에 따른 응력계산이 가능하나 소성영역에 들어오면 응력분포가 복잡하게 변하여 올바른 계산이 어려우므로 취성재료의 항절시험 결과를 재료역학적으로 해석하는 것이 의미가 있지만 연성재료는 특수한 경우(예를 들면 깊은 노치 시험편의 굽힘시험)를 제외하면 계산이 곤란하여 상대적인 참고치로서 공업적으로 이용될 뿐이다. 일반적으로 딱딱하고 취약한 재료의 강도시험으로써 굽힘시험이 적용되며 이런 종류의 재료는 각주나 원주인 단순한 시험편을 제작하기 쉬운 점도 그 이유이다.
굽힘시험에는 3점 굽힘과 4점 굽힘이 있다. 3점 굽힘의 경우 하중점에 최대 굽힘 모멘트가 걸리지만, 4점 굽힘의 경우 하중점 사이에 일정한 굽힘 모멘트가 걸린다. 따라서 3점 굽힘에서는 하중점 직하의 뒷 표면으로부터 균열이 발생하고, 4점 굽힘의 경우 하중점 사이의 인장측 표면 중 가장 취약한 부분에서 파괴가 시작된다. 완전한 설계를 위한 자료를 얻는 의미로는 4점 굽힘이 좋은 시험방법이다.
큰 굽힘이 일어나는 경우, 지지점과 시험편 간의 마찰력이 크면 굽힘에 따라 길이 방향에 인장력이 생기고 이것은 굽힘을 구속하므로 지지점에는 구름받침을 놓아 마찰을 경감시켜야 한다. 변위는 시험편의 인장측 표면에 변형 게이지를 붙임으로써 가능하나, 단순하게는 cross head의 강하량으로 굽힘을 나타내기도 하지만 정확하지 못하다. 왜냐하면 지지점이나 누름쇠에 해당하는 부분이 거의 점접촉 또는 선접촉에 가까운 상태이므로 접촉부가 용이하게 소성변형 되기 때문이다. 이를 피하기 위해서 거울장치를 사용하여 광학적인 방법을 이용한다.
종탄성계수를 E로 할 때 굽힘 δ와 하중 P의 관계는 3점 굽힘의 경우 δ=Pt³/48IE이므로 E=Pt³/48Iδ로 구할 수 있다. 환봉은 E=4Pt³/3πd⁴δ, 각주는 E=Pl³/4bh³δ로 나타낼 수 있다. 4점 굽힘의 경우 중앙부의 하중점 C, D에 대한 굽힘 δ₁과 C, ...
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