기계공학실험A 인장 및 충격 실험 결과보고서

본 내용은 " 기계공학실험A 인장 및 충격 결과보고서 (2024년도) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.01.06

문서 내 토픽

• 1. 인장실험 및 응력-변형률 선도

  인장실험은 시편에 축방향 하중을 가하여 재료의 기계적 성질을 파악하는 실험이다. 실험 결과 0.2 offset 항복점 응력은 평균 109.98 MPa, 최대 응력은 227.5 MPa, 강성은 1.08 GPa로 측정되었다. 응력-변형률 선도에서 초반 구간의 기울기 감소는 시편과 지그 사이의 슬립으로 인한 것으로 분석되었으며, 이후 탄성 변형 구간과 소성 변형 구간이 나타난다. 연성 재료의 항복점 파악을 위해 offset 방법이 필요함을 확인했다.

• 2. 생브낭의 원리(St. Venant's Principle)

  생브낭의 원리는 정적 등가 하중이 작용된 시스템에서 하중 작용 지점으로부터 일정 거리 이상 떨어진 지점의 응력 상태는 동일하다는 원리이다. 이 원리에 따르면 하중 형태가 다르더라도 정적으로 등가하면 하중이 작용한 지점에서 떨어진 지점에서의 물체 거동은 하중 형태에 큰 영향을 주지 않는다. 본 실험에서 표점 거리 대신 지그 사이 길이를 사용한 이유는 이 원리에 기반하고 있다.

• 3. 파단면 분석 및 컵-원뿔 현상

  연성 재료에 지속적인 인장력이 가해지면 necking이 발생하고, 시편 내부의 공극이 3축 응력으로 인해 성장하여 crack을 형성한다. 최대 전단력설에 의해 축방향 힘은 축으로부터 45도 기울어진 방향으로 전단력을 만들어 해당 방향으로 crack이 생성된다. 파단 시 45도로 기울어진 파단면이 생겨 한쪽은 원뿔형, 다른 한쪽은 컵모형을 형성하는 현상을 컵-원뿔 형상이라 부른다.

• 4. 충격시험 및 천이곡선

  충격시험은 에너지 보존 법칙을 기반으로 하며, 샤르피 충격시험기를 사용하여 시편의 파괴인성을 측정한다. 실험 결과 V 노치의 흡수 에너지는 84.64 J, U 노치는 115.07 J로 측정되었다. 천이곡선은 온도 변화에 따른 충격 흡수 에너지의 변화를 나타내며, 연성과 취성 천이 영역에서 S자 모양을 그린다. 노치 선단 반경이 클수록 흡수 에너지가 크게 나타난다.

• 5. 노치 효과 및 응력 집중

  충격시험 시편의 노치로 인해 재료에 하중이 가해질 때 노치 부분에 응력 집중이 발생한다. 노치 첨단에서 응력 방향으로 탄성변형 및 포아송 효과로 인해 측면 방향 수축 변형이 일어나고, 노치 주변부에는 3축의 응력이 존재하게 된다. 노치 선단 반경이 작을수록 응력 집중이 커져 소성 변형이 발생할 충분한 시간을 가지지 못해 파괴인성이 작아진다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 인장실험 및 응력-변형률 선도

  인장실험은 재료의 기계적 성질을 파악하는 가장 기본적이고 중요한 시험입니다. 응력-변형률 선도를 통해 재료의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 등 핵심 물성을 정량적으로 측정할 수 있습니다. 이 데이터는 구조설계와 재료선택의 기초가 되므로 정확한 시험 조건 관리가 필수적입니다. 특히 변형률 속도, 온도, 시편 형상 등이 결과에 미치는 영향을 고려해야 하며, 얻어진 선도의 해석을 통해 재료의 소성변형 거동과 파괴 메커니즘을 이해할 수 있습니다.

• 2. 생브낭의 원리(St. Venant's Principle)

  생브낭의 원리는 응력 집중 현상을 이해하는 데 매우 유용한 개념입니다. 하중이 작용하는 국소 영역에서의 응력 분포는 복잡하지만, 그 영역으로부터 충분히 떨어진 곳에서는 하중의 합력만이 중요하다는 원리입니다. 이를 통해 복잡한 응력 분포 문제를 단순화할 수 있으며, 실무에서 응력 계산 시 어느 정도의 거리에서 단순 공식을 적용할 수 있는지 판단하는 기준을 제공합니다. 다만 응력 집중이 심한 부위에서는 이 원리의 적용 범위를 신중하게 고려해야 합니다.

• 3. 파단면 분석 및 컵-원뿔 현상

  파단면 분석은 재료의 파괴 메커니즘을 직접 관찰할 수 있는 중요한 방법입니다. 컵-원뿔 현상은 연성 재료의 인장 파괴 시 나타나는 특징적인 형태로, 재료가 상당한 소성변형을 거친 후 파괴됨을 의미합니다. 주사전자현미경을 이용한 미시적 분석을 통해 디임플(dimple) 구조 등 파괴 메커니즘의 세부사항을 파악할 수 있습니다. 이러한 분석은 재료의 품질 관리, 파괴 원인 규명, 그리고 재료 개선을 위한 귀중한 정보를 제공합니다.

• 4. 충격시험 및 천이곡선

  충격시험은 동적 하중 조건에서 재료의 취성-연성 전이 거동을 평가하는 중요한 시험입니다. 천이곡선은 온도 변화에 따른 충격 에너지의 변화를 나타내며, 특정 온도 범위에서 재료가 연성에서 취성으로 급격히 변하는 현상을 보여줍니다. 이는 저온 환경에서 사용되는 구조물의 안전성 평가에 필수적입니다. 샤르피 충격시험과 같은 표준화된 방법을 통해 재료의 인성을 정량화할 수 있으며, 이 정보는 극저온 환경의 설계에 매우 중요합니다.

• 5. 노치 효과 및 응력 집중

  노치 효과는 재료의 기하학적 불연속으로 인해 응력이 국소적으로 집중되는 현상으로, 실제 구조물의 강도 평가에서 매우 중요합니다. 응력 집중 계수는 노치의 형상, 크기, 재료의 민감도에 따라 달라지며, 이를 정확히 파악하는 것이 안전설계의 핵심입니다. 특히 피로 하중을 받는 부재에서 노치 효과는 더욱 심각한 영향을 미칩니다. 유한요소해석 등 현대적 해석 기법을 활용하여 응력 집중을 정량화할 수 있으며, 설계 단계에서 노치를 최소화하는 것이 구조물의 신뢰성을 높이는 효과적인 방법입니다.