비틀림시험을 통한 금속재료의 기계적 물성 측정

문서 내 토픽

1. 비틀림시험(Torsion Test)

비틀림시험은 축을 중심으로 가해지는 비틀림에 의해 물체가 비틀리는 현상을 측정하는 실험이다. 인장/압축력, 휨에 이어 구조물에 가해지는 대표적인 하중으로서 구조 해석에 중요한 지표이다. 특히 회전하는 부품 설계에서 비틀림 하중은 큰 영향을 차지한다. 본 실험에서는 비틀림시험기(KST-50N)를 사용하여 Steel, Brass, Cast iron 3가지 시편에 토크를 가해 각 재료의 탄성계수, 항복점 등 기계적 물성을 측정한다.
2. 전단응력과 전단변형률

전단응력은 축에서 0이고 원형 재료의 표면에서 가장 크며, 축에서 떨어진 거리에 선형적으로 비례한다. 전단변형률은 변위각과 시편 길이, 반지름의 관계식으로 계산된다. 실험에서 측정된 전단변형률은 Steel 0.55, Brass 0.47, Cast iron 0.05로 나타났다. 전단응력과 전단변형률의 선형 관계에서 전단계수(G)를 구할 수 있다.
3. 연성재료와 취성재료의 파괴특성

연성재료인 Steel과 Brass는 전단응력이 주된 응력으로 작용하여 비틀림이 파괴의 주 원인이 되며, 파단면이 축과 수직으로 생성된다. 취성재료인 Cast iron은 인장응력이 파괴의 주 원인이 되어 파단면이 45도로 기울어진다. 연성재료는 높은 변형각도를 보이지만 취성재료는 변형이 거의 없이 파괴된다.
4. 전단계수(Shear Modulus) 측정

전단계수는 stress-strain 곡선의 탄성영역에서 0.2% offset 방법을 적용하여 계산된다. 실험 결과 Steel 53.5 GPa, Brass 27.38 GPa, Cast iron 23.78 GPa로 측정되었다. 실제값과 비교하면 오차율이 크게 나타났으며, 이는 측정 장비의 정확성, 사람이 측정하면서 생기는 부정확성, 탄성과 소성 거동의 경계 모호성 등이 원인이다.

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1. 비틀림시험(Torsion Test)

비틀림시험은 재료의 전단특성을 평가하는 중요한 실험방법입니다. 이 시험을 통해 재료가 비틀림 하중에 어떻게 반응하는지 정량적으로 측정할 수 있으며, 특히 축(shaft)이나 스프링 같은 회전부품의 설계에 필수적입니다. 시험 과정에서 토크와 각변위의 관계를 분석하면 재료의 전단강도, 전단탄성계수, 연성 등을 파악할 수 있습니다. 다양한 재료의 비틀림 거동을 비교 분석할 수 있어 재료선택 및 품질관리에 매우 유용합니다.
2. 전단응력과 전단변형률

전단응력과 전단변형률은 재료역학의 기본개념으로서 상호 밀접한 관계를 가집니다. 전단응력은 표면에 평행한 방향으로 작용하는 힘이고, 전단변형률은 이에 따른 기하학적 변형을 나타냅니다. 이 두 개념의 선형관계(전단계수)를 이해하는 것은 구조물의 안전성 평가와 설계에 필수적입니다. 실제 공학응용에서 전단응력과 변형률의 정확한 계산은 부재의 파괴를 예방하고 최적의 설계를 가능하게 합니다.
3. 연성재료와 취성재료의 파괴특성

연성재료와 취성재료는 파괴 메커니즘이 근본적으로 다릅니다. 연성재료는 항복 후 상당한 소성변형을 거쳐 점진적으로 파괴되어 사전경고가 가능하지만, 취성재료는 탄성범위 내에서 갑자기 파괴되어 위험합니다. 이러한 특성 차이는 재료선택, 안전계수 결정, 구조설계에 중대한 영향을 미칩니다. 공학적으로는 연성재료가 더 안전하지만, 취성재료도 적절한 설계와 관리로 효과적으로 활용할 수 있습니다.
4. 전단계수(Shear Modulus) 측정

전단계수는 재료의 전단강성을 나타내는 중요한 물성치로, 비틀림시험을 통해 정확하게 측정할 수 있습니다. 토크-각변위 곡선의 선형영역에서 기울기를 분석하면 전단계수를 구할 수 있으며, 이는 재료의 탄성특성을 평가하는 핵심지표입니다. 정확한 전단계수 측정은 구조물의 강성설계, 진동해석, 응력분포 계산 등에 필수적입니다. 온도, 변형률속도 등의 조건에 따른 전단계수 변화를 파악하면 재료의 거동을 더욱 깊이 있게 이해할 수 있습니다.

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