인장시험을 통한 강철과 황동의 기계적 특성 분석

본 내용은 " 한양대학교 기계공학부 재료및생산가공실험 인장시험 레포트 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.03.27

문서 내 토픽

• 1. 인장시험(Tensile Test)

  재료의 기계적 성질을 파악하기 위한 실험으로, 재료가 인장 하중 하에서 견딜 수 있는 정도를 측정한다. 토목, 건축, 항공기 등 대규모 구조물의 안전성을 보장하기 위해 재료의 파단 강도를 미리 측정하는 중요한 시험이다. 본 실험에서는 KS B 0801 5호 시험편을 사용하여 Shimadzu AG-10TE 유압 서보식 만능 시험기로 강철과 황동의 인장시험을 수행했다.

• 2. 응력-변형률 선도(Stress-Strain Diagram)

  인장시험을 통해 얻은 하중-변위 데이터를 응력과 변형률로 변환하여 그린 그래프이다. 공칭응력-공칭변형률 선도와 진응력-진변형률 선도가 있으며, 탄성영역에서는 두 선도가 유사하나 소성영역에서는 진응력이 공칭응력보다 크다. 이를 통해 항복강도, 극한인장강도, 탄성계수 등 재료의 기계적 물성치를 파악할 수 있다.

• 3. 항복강도와 탄성계수(Yield Strength and Young's Modulus)

  항복강도는 재료가 영구 변형을 시작하는 응력값으로, 명확한 항복점이 없는 재료는 0.2% offset 방법으로 결정한다. 탄성계수는 탄성영역의 기울기로 구하며, 응력과 변형률의 비율을 나타낸다. 본 실험에서 강철의 항복강도는 347.02 MPa, 탄성계수는 10.584 GPa이고, 황동의 항복강도는 272 MPa, 탄성계수는 9.168 GPa로 측정되었다.

• 4. 연성재료의 파단특성(Ductile Fracture Characteristics)

  강철과 황동은 모두 연성재료로, 인장시험 중 네킹 현상이 발생한다. 강철은 네킹 부분에 공동(void)이 생성되어 컵-콘 파단면을 형성하며, 파단면이 45도 각도로 기울어진다. 황동은 강철보다 연성이 낮아 네킹이 덜 진행되고 파단면이 더 평평하다. 파단 후 강철 표면에는 뤼더스 띠로 인한 검은 철가루가 발생했으나 황동에는 거의 없었다.

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• 1. 인장시험(Tensile Test)

  인장시험은 재료의 기계적 성질을 평가하는 가장 기본적이고 중요한 시험 방법입니다. 표준화된 시편에 점진적으로 하중을 가하여 재료가 파단될 때까지의 거동을 관찰함으로써 재료의 강도, 연성, 경성 등 다양한 특성을 정량적으로 파악할 수 있습니다. 이 시험은 재료 선택, 품질 관리, 설계 기준 수립 등 공학 분야 전반에서 필수적인 역할을 합니다. 특히 재료의 신뢰성과 안전성을 보증하기 위해 산업 현장에서 광범위하게 활용되고 있으며, 국제 표준(ISO, ASTM 등)에 따라 엄격하게 규정되어 있어 결과의 재현성과 비교가능성이 높습니다.

• 2. 응력-변형률 선도(Stress-Strain Diagram)

  응력-변형률 선도는 인장시험 결과를 시각화한 그래프로, 재료의 역학적 거동을 직관적으로 이해하는 데 매우 유용합니다. 이 선도를 통해 탄성 영역, 소성 영역, 파단점 등 재료의 변형 과정을 명확하게 파악할 수 있으며, 재료의 강도와 연성을 동시에 평가할 수 있습니다. 선도의 기울기, 곡선의 형태, 최대값 등은 재료의 특성을 나타내는 중요한 정보를 제공합니다. 이를 통해 설계자는 재료의 적절한 사용 범위를 결정하고, 안전계수를 설정하며, 예상되는 파괴 모드를 예측할 수 있어 공학 설계에서 필수적인 도구입니다.

• 3. 항복강도와 탄성계수(Yield Strength and Young's Modulus)

  항복강도와 탄성계수는 재료의 기계적 성질을 대표하는 두 가지 핵심 지표입니다. 탄성계수는 재료의 강성을 나타내며 재료의 본질적 특성으로 온도와 미세구조에 따라 변합니다. 항복강도는 재료가 영구 변형을 시작하는 응력값으로, 재료의 강도 수준을 결정하는 중요한 설계 기준입니다. 이 두 값은 재료 선택, 구조 설계, 안전성 평가에 직접적인 영향을 미치며, 합금 원소, 열처리, 가공 방법 등에 의해 조절될 수 있습니다. 따라서 재료 엔지니어는 이 값들을 정확히 이해하고 활용하여 최적의 재료를 선택하고 효율적인 구조를 설계해야 합니다.

• 4. 연성재료의 파단특성(Ductile Fracture Characteristics)

  연성재료의 파단은 일반적으로 점진적인 소성 변형을 거쳐 발생하며, 파단 전에 상당한 변형이 일어나므로 사전 경고 신호를 제공합니다. 이는 취성 파단과 달리 갑작스러운 파괴를 방지할 수 있어 구조물의 안전성 측면에서 유리합니다. 연성재료의 파단은 보통 보이드 형성, 성장, 합체 과정을 거치며, 미시적 관찰을 통해 파단 메커니즘을 이해할 수 있습니다. 이러한 특성은 건설, 자동차, 항공 등 다양한 산업에서 연성재료를 선호하는 이유이며, 파단 특성을 정확히 파악하면 재료의 신뢰성을 높이고 구조 설계의 안전성을 확보할 수 있습니다.