본문내용
1. 인장시험
1.1. 인장시험의 정의
인장시험은 재료를 일정한 속도로 축방향으로 당겨서 재료의 기계적 성질을 알아내는 시험이다. 재료의 항복점, 인장강도, 연신율, 단면수축률 등의 기계적 성질을 파악할 수 있으므로 재료 선택 및 제품 설계 시 중요한 정보를 제공한다. 인장시험은 간단하면서도 표준화가 잘 되어 있어 가장 널리 사용되는 재료시험 방법이다.
1.2. 인장시험의 목적
인장시험의 목적은 재료에 인장하중이 가해졌을 때 변형량이 얼마나 되는지를 측정하여 재료의 변형에 대한 저항의 정도를 확인하는 것이다. 이를 통해 재료의 기계적 성질, 즉 탄성변형에 대한 저항력인 종탄성계수(Elastic Modulus)와 항복강도(Yield Strength), 소성변형에 대한 저항력인 인장강도(Tensile Strength) 그리고 변형 용이성에 해당되는 연신율과 단면 수축률 등을 측정할 수 있다. 이러한 재료의 기계적 성질의 측정값은 기계 설계에 있어서 가장 광범위하게 사용되는 재료의 강도 및 강성에 대한 기준으로 활용된다.""
1.3. 응력과 변형
1.3.1. 응력
응력은 물체에 외력이 가해졌을 때 물체 내부에 생기는 저항력으로, 단위면적당 작용하는 힘의 세기를 의미한다. 즉, 물체에 작용하는 힘을 그 물체의 단면적으로 나눈 값이 응력이다. 따라서 응력은 힘(N)을 면적(m^2)으로 나누어 계산하며, 단위는 Pa(파스칼) 또는 N/m^2이다.
물체에 가해지는 힘의 방향에 따라 응력은 수직응력과 전단응력으로 구분된다. 수직응력은 물체의 단면에 수직으로 작용하는 응력이며, 전단응력은 물체의 단면에 평행하게 작용하는 응력이다. 수직응력은 인장응력과 압축응력으로 나뉘는데, 인장응력은 물체를 늘려주는 응력이고 압축응력은 물체를 압축하는 응력이다.
인장시험에서는 일반적으로 수직응력인 인장응력을 측정한다. 인장응력은 재료의 항복강도, 인장강도, 연신율 등의 기계적 성질을 결정하는 중요한 요인이 된다. 따라서 재료의 기계적 성질을 이해하기 위해서는 응력에 대한 분석이 필수적이다.
1.3.2. 전위
전위(Dislocation)는 고체 결정 내부에 존재하는 1차원 결함의 일종이다. 전위는 원자배열의 일그러짐이 국부적으로 집중된 선형 결함으로, 결정구조의 영구 변화를 발생시키는 핵심적인 요소이다. 전위는 크게 칼날 전위(edge dislocation)와 나선 전위(screw dislocation)로 구분된다.
칼날 전위는 원자 배열이 결정면에 수직으로 끊어져 있는 형태의 전위로, 결정면이 부분적으로 관통된 것과 같은 구조를 가진다. 결정면의 일그러짐이 국부적으로 집중되어 있어 응력 집중이 발생하게 된다. 이러한 응력 집중 때문에 전위가 쉽게 움직일 수 있어 소성 변형이 일어나게 된다.
나선 전위는 원자 배열이 나선형으로 일그러진 형태의 전위이다. 결정면이 나선형으로 이어져 있어 전위 주변에 나선형 계단 구조가 생기게 된다. 나선 전위 역시 전위 주변의 응력 집중으로 인해 쉽게 움직일 수 있어 소성 변형을 유발한다.
전위는 금속이 소성 변형을 일으키는 데 있어 핵심적인 역할을 한다. 외부 응력이 가해지면 전위가 쉽게 이동하면서 결정 구조의 일그러짐을 발생시키고, 이를 통해 금속이 소성 변형을 일으키게 된다. 또한 전위의 생성, 이동, 상호작용 등은 금속의 기계적 성질에 큰 영향을 미치므로, 전위의 거동을 이해하는 것은 금속의 기계적 특성을 이해하는 데 매우 중요하다.
1.3.3. Hooke의 법칙
Hooke의 법칙은 영국의 물리학자 Robert Hooke이 1678년에 발표한 것으로, 재료가 탄성 변형을 받을 때 응력과 변형률의 관계를 나타내는 법칙이다.
Hooke의 법칙에 따르면, 탄성 변형 영역 내에서 응력과 변형률은 비례관계를 가진다. 즉, 재료에 가해지는 응력이 증가함에 따라 변형률도 비례하여 증가한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
σ = E × ε
여기서 σ는 응력, E는 탄성계수, ε은 변형률을 나타낸다. 이 관계식은 재료의 탄성 변형 범위 내에서 성립한다.
탄성계수 E는 재료의 강성도를 나타내는 중요한 물성치로, 재료가 탄성 변형을 받을 때 응력과 변형률의 비례상수이다. 탄성계수가 클수록 재료는 강하고 딱딱하며, 작을수록 연하고 부드럽다.
Hooke의 법칙은 금속재료뿐만 아니라 고무, 플라스틱 등 다양한 재료에 적용되며, 이를 통해 재료의 기계적 특성을 이해할 수 있다. 특히 기계 설계 시 재료의 변형 정도를 예측하는데 Hooke의 법칙이 널리 활용된다.
1.3.4. 포아송비
포아송비(Poisson's ratio, v)는 재료의 주요 기계적 특성 중 하나로, 재료가 인장 또는 압축 변형을 받을 때 그 수직 방향으로 변형되는 정도를 나타내는 무차원 값이다.
재료에 인장력이 작용하면 재료의 길이가 늘어나게 되는데, 이때 재료의 단면적은 줄어들게 된다. 반대로 재료에 압축력이 작용하면 재료의 길이가 감소하게 되고, 단면적은 증가하게 된다. 이때 길이 방향의 변형률과 단면적 방향의 변형률 사이의 비율을 포아송비라고 한다.
포아송비는 다음과 같이 정의된다:
v = - (lateral strain / axial strain)
여기서 lateral strain은 재료의 단면적 방향의 변형률이고, axial strain은 재료의 길이 방향의 변형률이다. 포아송비는 0과 0.5 사이의 값을 가지며, 대부분의 금속 재료에서는 약 0.3 정도의 값을 가진다.
포아송비가 0에 가까울수록 재료의 부피 변화가 거의 없이 단순히 모양만 바뀌게 되고, 포아송비가 0.5에 가까울수록 재료의 부피 변화가 크게 일어나게 된다. 예를 들어 고무와 같은 고분자 재료는 부피 변화가 크기 때문에 포아송비가 0.5에 가까운 값을 가진다.
포아송비는 재료의 응력-변형 관계를 나타내는 중요한 물성치로, 재료의 기계적 설계 및 분석에 활용된다. 특히 재료의 탄성계수, 전단계수, 체적탄성계수 등...
