[A+보고서]한국기술교육대학교 기초기계공학실험 고체 인장시험보고서 인장시험

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문서 내 토픽

• 1. 인장시험

  인장시험은 재료의 물성을 알아내기 위한 가장 기본적인 시험이다. 보편적으로 봉이나 판 등의 평행부를 갖는 시험편에 축 방향의 인장 하중을 가했을 때 시험편의 변형을 측정한다. 측정한 값을 토대로 Young률, 인장강도, 탄성한도, 연신률, 항복점 등을 구할 수 있으며 응력-변형률 선도를 그리고 각 영역이 무엇을 의미하는지 해석할 수 있어야 한다. 연성과 취성의 특징을 비교하여 실생활에 사용되는 예시를 제시할 줄 알고, 각 물성을 가지는 재료의 응력-변형률 추이를 그릴 수 있어야 한다. 나아가 KS규격표에 따라 각 값을 비교하여 재료를 분류, 추정하는 능력을 기르고, 공학도로서 기계요소 등을 설계할 때 적절한 재료를 선정할 수 있는 기초 소양을 함양할 수 있다.

• 2. 연성과 취성

  연성(ductility)은 항복점 이후에도 파괴되지 않고 큰 변형률이 발생하는 기계적 성질이며, 취성(brittleness)은 재료가 거의 변형되지 않다가 항복점이 지나면 급격하게 파괴되는 기계적 성질이다. 연성의 척도로는 퍼센트 신장률, 퍼센트 면적 감소율이 있으며, 인성(toughness)은 재료의 변형 수용 능력으로 응력-변형률 선도에서 파단점까지의 총 면적을 척도로 삼을 수 있다.

• 3. 응력과 변형률

  응력(Stress)은 재료에 하중이 가해졌을 때 발생하는 단위 면적당 저항력이며, 공칭응력(nominal stress)과 진응력(true stress)으로 구분된다. 변형률(Strain)은 재료의 변형 후 길이와 초기길이의 차이를 초기길이 또는 변형 후 길이로 나눈 무차원 값이며, 공칭변형률(nominal strain)과 진변형률(true strain)으로 구분된다. 공칭변형률-진변형률의 관계는 미소 진병형률일 때 ln(1+ε) = ε, 부피변화가 없다는 가정하에 ε = ln(1+ε)로 나타낼 수 있다.

• 4. 응력-변형률 선도

  연강(Mild Steel)의 응력-변형률 선도에서 A는 비례한계점, B는 상항복점, C는 하항복점, D는 극한점, E는 파단점을 나타낸다. 비례한계점에서의 응력을 비례한도 또는 비례한계 강도로 정의하며, 상항복점과 하항복점은 재료가 비례 한계점을 넘는 순간 소성이 시작되는 지점이다. 극한점은 재료가 버틸 수 있는 최대 하중이 작용하는 지점이며, 파단점은 재료가 끊어지는 지점이다. 연성재의 경우 파단 시 약 45도 경사면이 나타나며, 최대 전단 응력에 의해 재료가 파손된다.

• 5. 변형률 에너지

  변형을 발생하는 외력으로 인한 일은 물체 내에 변형률 에너지로 저장되어 있다. 단축응력의 경우 ΔU = σΔε이며, 단위체적 당 변형률에너지는 U = 1/2 σε이다. 레질리언스 계수는 비례한계점일 때의 변형에너지 밀도로, 영구 변형없이 재료가 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 나타내며, 인성계수는 파단직전까지의 에너지 흡수능력 척도로 파단점까지의 영역(변형률에너지)의 면적을 말한다.

• 6. 알루미늄 분류

  본 실험에서 알루미늄 재료를 2011-T3, 2011-T8, 2014-T4, 2017-T4, 6061-T6 중 가장 오차율이 적은 Al2014-T4로 분류하였다. 알루미늄의 열처리 방법에는 T1~T10까지 다양한 방법이 있으며, 시효경화(Age Hardening), 석출경화(Precipitation hardening), 용체화처리(Solution Treatment), 변형경화(Strain Hardening) 등의 기술이 적용된다.

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• 1. 인장시험

  인장시험은 재료의 기계적 성질을 평가하는 가장 기본적이고 중요한 실험 방법 중 하나입니다. 이 시험을 통해 재료의 항복강도, 인장강도, 연신율, 단면 수축률 등과 같은 중요한 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. 이러한 데이터는 재료 선택, 설계, 제조 공정 등에 활용되어 제품의 안전성과 신뢰성을 확보하는 데 필수적입니다. 또한 인장시험은 재료의 변형 거동을 이해하는 데에도 도움이 되며, 이를 통해 재료의 파괴 메커니즘을 분석할 수 있습니다. 따라서 인장시험은 재료 공학 분야에서 매우 중요한 역할을 하며, 앞으로도 지속적으로 발전할 것으로 예상됩니다.

• 2. 연성과 취성

  연성과 취성은 재료의 중요한 기계적 특성으로, 재료의 변형 거동을 이해하는 데 필수적입니다. 연성 재료는 외력을 가해도 큰 변형이 일어나고 파괴 전에 상당한 소성 변형을 보이는 반면, 취성 재료는 외력에 의해 쉽게 파괴되며 소성 변형이 거의 없습니다. 이러한 차이는 재료의 원자 결합 구조, 결정 구조, 결함 등에 따라 달라집니다. 연성 재료는 일반적으로 안전성이 높지만 취성 재료는 취성 파괴로 인한 사고 위험이 있습니다. 따라서 재료의 용도와 사용 환경에 따라 적절한 연성 또는 취성 재료를 선택하는 것이 중요합니다. 또한 재료의 연성과 취성을 향상시키기 위한 다양한 열처리, 합금화, 표면 처리 등의 기술 개발도 지속되고 있습니다.

• 3. 응력과 변형률

  응력과 변형률은 재료의 기계적 거동을 이해하는 데 가장 기본이 되는 개념입니다. 응력은 재료에 작용하는 힘을 단면적으로 나눈 값으로, 재료 내부에 발생하는 내부 응력을 나타냅니다. 변형률은 재료의 변형 정도를 나타내는 무차원 양으로, 응력-변형률 관계를 통해 재료의 강도, 강성, 연성 등의 특성을 파악할 수 있습니다. 이러한 응력과 변형률의 개념은 재료의 설계, 해석, 실험 등 재료 공학 전반에 걸쳐 광범위하게 활용됩니다. 또한 최근에는 응력과 변형률 분포를 정밀하게 측정하고 예측하는 기술이 발전하면서, 재료의 성능 향상과 신뢰성 확보에 크게 기여하고 있습니다.

• 4. 응력-변형률 선도

  응력-변형률 선도는 재료의 기계적 거동을 이해하는 데 매우 중요한 도구입니다. 이 선도를 통해 재료의 항복강도, 인장강도, 연신율, 탄성계수 등과 같은 핵심 기계적 특성을 직접 확인할 수 있습니다. 또한 재료의 변형 거동, 즉 탄성 변형과 소성 변형의 구분, 변형 경화 현상 등을 파악할 수 있습니다. 이러한 정보는 재료 선택, 설계, 제조 공정 등에 활용되어 제품의 안전성과 신뢰성을 확보하는 데 필수적입니다. 최근에는 응력-변형률 선도를 활용한 재료 모델링 기술이 발전하면서, 복잡한 하중 조건에서의 재료 거동을 더욱 정확하게 예측할 수 있게 되었습니다. 따라서 응력-변형률 선도는 재료 공학 분야에서 매우 중요한 역할을 하며, 앞으로도 지속적으로 발전할 것으로 기대됩니다.

• 5. 변형률 에너지

  변형률 에너지는 재료에 외력이 가해질 때 재료 내부에 저장되는 에너지를 의미합니다. 이 에너지는 재료의 변형 거동을 이해하는 데 중요한 개념이 됩니다. 탄성 변형 영역에서는 변형률 에너지가 완전히 회복되지만, 소성 변형 영역에서는 일부 에너지가 소산되어 열로 변환됩니다. 이러한 변형률 에너지의 개념은 재료의 강도, 강성, 인성 등의 특성을 평가하는 데 활용됩니다. 또한 변형률 에너지는 파괴 역학 이론의 기반이 되며, 응력 집중 현상이나 균열 진전 등의 분석에도 중요한 역할을 합니다. 최근에는 변형률 에너지를 활용한 재료 설계 기술이 발전하면서, 보다 효율적이고 안전한 제품 개발에 기여하고 있습니다.

• 6. 알루미늄 분류

  알루미늄은 가벼우면서도 강도가 높고 내식성이 우수한 금속 재료로, 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 알루미늄은 순수 알루미늄과 다양한 합금으로 구분되며, 각 종류별로 고유한 기계적, 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다. 순수 알루미늄은 연성이 좋고 내식성이 우수하지만 강도가 낮은 반면, 합금 알루미늄은 강도와 경도가 높아 구조용 재료로 많이 사용됩니다. 또한 알루미늄 합금은 열처리를 통해 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이처럼 알루미늄의 다양한 분류와 특성은 재료 선택 및 설계 시 중요한 고려 사항이 됩니다. 앞으로도 알루미늄 합금의 개발과 응용 기술이 지속적으로 발전할 것으로 예상됩니다.