충격시험 개요공업발달에 영향을 미치는 여러 인자 중에서 공업재료의 발전이 점하는 위치는 매우 크며 그 진보의 정도가 급격하다. 공업재료가 사용 목적 및 사용 조건에 적합한가를 시험하고 사용하중의 한계와 변형능력을 검사하는데 이것이 재료 시험의 목적이다.금속 재료 시험은 정적시험(Static Test), 동적시험(Dynamic Test)으로 나눌 수 있다. 정적 시험은 정적인 하중이 서서히 가해지는 시험으로서 인장시험, 압축시험, 굽힘시험, 전단시험, 비틀림시험, 경도시험 등이 있고, 동적 시험은 동적인 하중을 가하는 시험으로 비교적 실제 환경과 비슷한 조건의 시험으로서 충격시험과 피로시험이 있다.금속 재료 및 비금속 재료는 다양한 환경에서 사용되므로 정적 상태의 기계적 특성뿐만 아니라 동적하중에 대한 특성의 변화를 규명해야 한다. 각종 구조물, 기계부품, 기관 등의 파손은 정적하중에 의해 발생하는 경우는 일반적으로 드물고, 대체로 다양한 진동이 수반되는 하중이 되풀이 된 후 동반 되는 충격에 의해 발생한다. 그러므로 재료가 사용온도에서 적절한 인성을 보유하고 있는지 혹은 취성의 성질을 나타내는가를 규명하는 것은 실용상 매우 중요한 일이다. 재료의 동적하중에 대한 저항력을 평가하기 위한 대표적인 방법으로서 충격시험(Impact test)을 많이 활용하고 있다.충격시험의 목적구조용 재료로 사용되고 있는 재료는 비슷한 파괴강도를 소유하더라도 파단까지 발생하는 재료의 변형에너지는 서로 다르게 나타난다. 일반적으로 변형이 작은 재료는 낮은 파괴에너지를 가지며 인성이 낮은 취성재료로 분류되며 파단 변형에너지가 큰 재료는 높은 인성의 연성재료로 분류된다. 또한, 기계구조용 부재로 사용되고 있는 금속재료는 상온에서 풍부한 연성과 인성을 소유하고 있더라도 특정 온도이하로 사용범위가 변동되면 연성이 급격히 저하되는 취성의 성질을 나타내게 된다. 이와 같이 금속 재료의 인성이 온도에 따라 급격히 변화하는 온도를 천이온도(transition temperature)라고 하며 재료의 적용범위를 고려하여 확보해야할 중요한 특성으로 분류되고 있다.기계 부품 및 소재에 대한 충격시험은 부하하중의 횟수에 따라 단일 충격시험과 반복 충격시험으로 구분되며 하중의 작용방식에 따라 충격인장, 충격압축, 충격굽힘, 충격비틀림 등으로 구별된다.본 시험에서는 충격굽힘시험에 주로 범용적으로 사용되고 있는 샤르피 충격시험법으로 시험하였으며, 충격시험은 기계적 노치를 가지는 표준시험편에 동적 하중을 부하하여 재료의 파괴 에너지를 측정하여 충격강도를 규명하는 것을 목적으로 한다.관계이론재료는 정하중에 대한 강도가 같더라도 여기에 충격하중을 주어 파괴시킬 때 큰 저항(인성, 점성이 강한 성질)을 나타내는 것과 매우 작은 저항(취성의 성질)을 나타내는 것이 있다. 일반적으로 인장강도가 높고 연성이 충분하여 정하중에 의한 인장시험에서 파괴 시까지 큰 소성변형을 나타내는 재료는 충격파괴에 대해 큰 충격에너지를 흡수하므로 충격저항이 커서 점성이 강한 성질을 나타내고, 이에 반해 연성이 없는 재료는 가령 인장 강도가 높더라도 충격에너지의 흡수능력이 적기 때문에 충격저항이 작아 취성을 나타낸다.이와 같은 점성강도 및 취성의 측정에는 Notch를 가진 시편에 충격굽힘하중을 주어 파괴시험을 할 때 그 차가 확실히 나타난다. 그러나 재료에 충격에 대한 강도는 같은 재료에서도 시편의 형상과 크기, 시험방법 등에 현저히 달라지며 충격에 대한 강도를 재료의 고유의 상수로 발견하기는 현재로서는 곤란하다.공업적으로 시편의 치수를 정하고 규정된 방법(KS B 5522, KS B 0809)에 따라 충격시험을 해서 충격파괴시 실제로 시편이 흡수한 에너지(kg?m;시편을 파괴하는데 필요한 에너지) 또는 노치부의 원단면적으로 파괴 에너지를 나눈 수치(kg?m/cm)로서 그 재료의 충격치를 정한다.1. 샤르피 충격시험기충격시험기의 종류에는 단일 충격시험기, 반복 충격시험기, 고속 충격시험기 등 크게 세 가지로 나누는데 우리가 흔히 사용하는 시험기는 단일 충격시험기로서, 이에는 Charpy type 충격시험기, Izod type 충격시험기, Guillery type 충격시험기, Olsen type 충격시험기 등이 있다.샤르피 충격시험은 1901년 G. Charpy가발표한 시험법으로서 짧은 시간에 재료의 특성을 평가 할 수 있 고, 시험장치가 비교 적 작아서 취급하기 쉬우며 시험편의 파괴 에 필요한 에너지도 간단히 구할 수 있다 는 장점이 있다.① 샤르피 충격 시험기해머의 초기 위치를 α각 만큼 올려놓은 후 해머를 떨어뜨려 시편을 파단 시키면, 파단 후 해머가 최대 상승위치에 도달하 며 이각도가 β각이다.샤르피 충격 시험기는 시편의 양쪽 단을 지지하고 중앙부에 해머로 집중하중을 가하는 방법이다.해머의 지상각도를 α파단후의 상승각을 β해머의 중량을 W(kg)회전 중심에서 해머중심까지의 거리를 R(cm)해머의 중심의 초기 설정높이를 h1(cm), 충격시험 후 해머의 중심높이를 h2(cm)라 고 하면, 초기 해머의 위치에너지(Wh1)는 다음과 같이 표현된다.또한 시험편을 파괴한 후의 해머의 위치 에너지(Wh2)는 다음과 같이 표현된다.그러므로 충격시험에 의해 시험편의 파단 과정에서 발생하는 해머의 위치에너지 차이(E)는 다음과 같이 표현할 수 있다.여기서, 시험편의 파단과정에서 흡수되는 전체에너지 E 값이 샤르피 충격흡수에너지 라고 정의 된다.샤르피의 충격강도(U)(Ao = 파단된단면적)② 샤르피 충격 시험기의 시험편시편은 KS B 0809에서 1호부터 5호까 지 5가지로 규정하고 있다. 시편의 폭은 재료의 치수에 따라 10mm미만으로 변경 할 수 있으며, 이 때 시편의 폭은 명기해 야 한다. 노치(notch)부는 노치감도의 영 향을 줄이기 위해 밀링가공으로 정밀하게 하여야한다. 본 시험에서 사용하는 시험편 은 4호 시험편이다③ 연성-취성 천이 온도강재는 일정한 저온이 되면 충격치가 급 격히 저하되어 연성파괴에서 취성파괴로 파괴양식이 전환되면서 극히 위험해지는 데, 이러한 현상을 연성-취성 천이현상, 그리고 그 온도를 연성-취성 천이온도라 한다. 일반적으로 강재는 탄소량이 높을수 록 충격치가 작아져 구조용으로는 부적합 해지며, 탄소량이 작을수록 연성-취성 천 이온도가 낮아져 저온에서 까지도 사용할 수 있다.④ 충격 시험시 주의 사항충격시험은 경도시험이나 기타 재료시험 보다 재현성이 떨어지기 때문에 정확한 충격값을 얻으려면 먼저 시혐편을 규격에 따라 정확하게 제작하여야 하며 시험기 자체도 잘 교정되어 있어야 한다. 특히 노 치 뿌리의 반경, 노치 깊이 등의 치수가 부정확하면 충격값에 큰 영향을 주게 된 다. 시험편의 온도나 시험편 지지대의 간 격 및 곡률반경 또한 충격값에 많은 영향 을 주므로 시험 전 후 수시로 검사하여야 한다. 그리고 시험기 주위에는 시험자 이 외의 접근을 통제하고 가급적이면 시험자 고 해머의 회전 반경안에는 들어가지 않 는 등 안전사고에 유의 하여야 한다.실험방법1. 시험편 규격 (KS B 0809)2. 실험장치설명샤르피 충격시험기(Charpy Impact Testing Machine)제작사 : 대경테크(한국)모델명 : DTI-603B용량 : 30 kgf?m해머 중량 : 23.4403 kgf해머 중심거리 : 0.7529 m충격날 각도 : 30도시험기 크기 : 920(W)*530(D)*1500(H)시험기 중량 : 110 kg3. 측정방법 설명① 시험편의 준비시편의 형상과 치수가 표준시험편 규정 에 적합한지 확인한다.② 충격시험기의 엔진을 작동시킨다.③ 시험기의 각부 조정 및 회전각의 오차 획인을 위하여 시편 없이 공운전을 한다.④ 시편을 노치부가 지지대의 중앙에 정확 히 위치하도록 설치한다.⑤ 스타트 버튼을 눌러 해머를 낙하시킨다.⑥ 해머가 정지된 후 시편을 제거한다.⑦ 시험 후의 data를 Printer 함실험결과해머중량(W) : 23.4403 kgf해머 중심거리(R) : 0.7592 m해머의 지상각도(α) : 135 ?
개요기계 구조물의 설계에서 가장 기본적인 것은 재료에 생기는 응력, 변형률 등의 역학적 특성을 파악하는 일이다. 재료에 외력이 가해졌을 때의 저항과 변형파괴에 관한 거동 또는 반응 등을 기계적 성질(mechanical properties)이라 하며 기계재료가 갖는 외력에 대한 능력을 알 수 있으므로 기계의 강도 설계의 기초가 된다.금속재료의 가장 중요한 용도는 기계나 구조물의 구성 재료로 쓰이는데 이러한 용도에서는 사용 중에 재료가 변형 되거나 파괴되는 일이 생긴다. 이를 방지하기 위해서는 사용할 재료에 대하여 각종 시험을 행하여 안정한 범위를 미리 알고 있어야 한다.인장시험 목적인장시험은 재료의 기계적 성질을 알기 위한 기본적인 시험으로써 일정한 속도로 반대방향으로 잡아당기는 힘에 대한 물질의 저항성을 측정하는 실험이다.재료강도에 관한 기본적인 설계 정보를 얻기 위해 가장 널리 사용되며, 재료의 변형 과정과 응력의 변화를 조사하여 재료의 항복강도, 인장강도, 연신율, 단면 수축률 등의 기계적인 특성과 탄성한계, 비례한계, 푸아송의 비, 탄성계수의 물리적 특성을 구하는 것을 목적으로 한다.관계이론1. 응력 - 변형률 선도(stress - strain Diagram)① 공칭 응력, σ하중을 원단면적으로 나눈 것.,: 원(original) 단면적② 공칭 변형률, ε늘어난 길이를 원 표점 길이로 나눈 것.,: 원(original) 표점길이③ 진응력, σtrue변형 중 어떤 순간에서의 하중을 시험편 의 순간 최소 단면적으로 나눈 것.④ 진변형률, εtrue어떤 순간에서의 시험편 길이의 변화량을 시험편의 순간 길이로 나눈 것.2. 재료의 기계적 성질① 탄성한도 (Elastic Limit), σEL응력을 제거하면 변형률이 0으로 복귀하 는 응력의 상한치.② 비례한도 (Proportional Limit), σPL탄성역 내에서만 적용되는 Hook의 법칙이 성립하는 응력의 상한치.③ 극한강도 or 인장강도, σu(Ultimate Strength or Tensile Strength)최대 하중을 시편의 원 단면적으로 나눈 값. 즉, 공학적 최대응력을 말한다.④ 파괴응력 or 파괴강도, σF(Fracture Stress or Fracture Strength)파괴 하중을 시편의 원단면적으로 나눈 값.⑤ 탄성계수 (Modulus of Elasticity or Young's Modulus), E탄성계수는 비례한도 이내의 영역에서 얻 어지는 값이다. σ를 응력, ε를 변형률, P 를 하중, Lo을 원래 시편의 길이, ΔL을 늘어난 길이라 할 때,⑥ 신연율 (Percent Elongation)파괴될 때까지의 변형 정도를 나타낸다.LF를 파괴될 때의 게이지 길이라 하면,⑦ 단면수축률(Contraction of Area)원 단면적의 백분율로 표시한 파괴시의 최소 단면적 수축량을 나타낸다.Ao를 원 단면적, AF를 파단시의 단면적 이라 하면,⑧ 항복응력금속 재료의 대부분은 항복응력이 명확 하지 않으므로, 다음 그림과 같이 0.2% 의 영구 변형률을 발생하는 응력 값을 항복응력으로 한다.실험방법일정 형상으로 가공한 시험편을 축 방향으로 서서히 인장을 가하여 파단 될 때까지 인장 하중과 변형률을 기록하고, 항복점, 인장강도, 연신율, 수축률 등의 값을 구한다.1. 시험편의 형상연구, 실험용에는 특수형상의 시험편을 사용 할 때도 있지만, 공업적인 검사로서 인장시험을 하는 경우는 KS규격의 시험편을 사용한다. (KS B 0801)-KS 4호-우리는 환봉 형, KS 4호로 실험 하였다.2. 실험장치 설명① 만능시험기 (U.T.M)제작사 : 대경테크 (한국)용량 : 30 ton모델 번호 : DTU-900MH300kN작동 방법 : 기계식② 변위 측정 장치신축계 (Extensometer)재료의 연신율을 구할 경우 일정구간에 해당되는 시료의 길이를 체크하여 이 구간 안에서 일어나는 신율의 변화를 알 수 있도록 고안된 장치로 50mm가 처음의 표점거리이다.3. 측정방법 설명금속재료의 인장 시험방법은 KS B 0802에 규정되어 있다. 시험을 하기 전 시편의 형상과 치수가 표준시험편에 적합한지 확인하고, 시험편의 외경, 표점거리를 측정한다.① 컴퓨터와 만능시험기에 전원을 넣는다② 높이 조절 스위치로 높이를 조절 한다③ 준비된 시험편을 그립(grip)에 물린다.④ Extensometer를 표점거리 50mm에 맞춰 서 시편에 고정시킨다.⑤ 시험편을 물리면서 올라간 하중 등을 0 으로 조정한다.⑥ Test 버튼을 눌러 실험을 시작한다.⑦ 시험이 끝나면 측정결과 파일을 저장하 고, 시험편을 제거한다.⑧ 저장 된 파일을 가지고 항복하중, 최대하 중, 파단하중, 항복강도, 인장강도, 연신 율, 단면 수축율를 구하고, 응력-변형률 그래프와 하중-연신량 그래프를 그려 결 론을 도출한다.실험결과1. 실험 전 및 후의 시험편 치수 기록단위 : 표점거리, 외경(mm)/단면적(mm)표점거리외경단면적시험전시험후시험전시험후시험전시험후5057.861411.85153.93110.282. 하중 - 변형량 곡선단위 : 하중 (kgf)항복하중최대하중파단하중3963.704297.963432.423. 측정 결과의 계산① 강도 및 연신율의 계산단위 : 강도 (kgf/mm) / 연신율, 단면수축율 (%)항복강도인장강도연신율단면수축율25.7527.9215.7228.36② 탄성계수 : 9072.73 kgf / mm직선위의 점1 (0.21 , 20.03), 점2 (0.1 , 10.05)x축이 %이므로 0.0021 , 0.001kgf/mm③ 공칭응력 - 공칭변형률 곡선(x = 0.4838, y = 25.75)고찰금속 재료의 인장실험을 통해 여러 가지 기계적 성질을 얻을 수 있었고 시험을 통해 얻은 인장강도와 항복강도, 연신율을 토대로 우리가 인장시험한 시편이 무슨 금속인지 대략적으로 알 수 있었다. 우리가 인장 실험한 금속은 알루미늄 종류 중 7종 Al - Mg 계로 보인다.4개 조의 기계적 성질의 값은 다음과 같다.단위 : 하중 (kgf)항복하중최대하중파단하중5조3963.704297.963432.426조4080.694474.73547.797조4130.84670.593487.148조4099.14531.443344.9단위 : 강도 (kgf/mm) / 연신율, 단면수축율 (%)항복강도인장강도연신율단면수축율5조25.7527.9215.7228.366조26.5129.0615.3441.57조26.8430.3420568조26.6329.43812.9427.454이 4개조의 Data 값을 비교해 봤을 때 값이 거의 비슷하다. 인장강도와 항복강도를 기준으로 다른 금속들도 알루미늄 7종이라는 것을 알 수 있다. 항복강도와 인장강도가 거의 비슷한 값을 가지지만 연신율과 단면수축률은 많이 달랐다. 그 이유를 생각해 봤을 때 시편의 가공 상 단면이 균일하지 못했기 때문이라고 생각된다.
복합재료 개요다가오는 시대는 신소재의 시대라고 해도 과언이 아닐 정도로 현재 신소재에 대한 연구가 활발하다. 재료의 연구, 개발은 끊임없이 계속되고 있으며, 새로운 재료가 계속 발명 되고 있다. 우리가 구조물과 기계기구 등의 제작에 이용하고 있는 재료는 각양각색이지만, 이들 중에서 복합재료(composite materials)라 불리는 재료분야가 급속히 진보하고 있으며, 또한 주목을 받고 있다.재료성질에 대한 요구는 그 사용조건이 가혹해지고, 복잡화되는 동시에 매우 다종다양하다. 강도, 강성, 내식성, 내마모성, 경량성, 내구성, 내열성, 차음성, 미관 등에 부합되는 특성을 가진 것을 바라고 이 같은 요구를 가능한 많이 만족시키는 것은, 단독의 재료로는 매우 곤란하다는 사실은 말할 필요도 없으며, 각각의 요구에 적합한 재료를 조합시키면 좋겠다는 생각이 드는 것은 당연하다.복합재료시험 목적복합재료는 단일소재의 장점을 더욱 향상시키고 단점을 보완할 수 있으며 기존에 실현이 불가능 했던 특수한 물성도 얻을 수 있다. 복합재료의 가장 큰 특징은 뛰어난 비강도와 비강성도를 들 수 있다.본 시험에서는 인장시험을 통해 복합재료의 뛰어난 기계적 성질과, 물리적 특성을 측정하는 것을 목적으로 한다. 또한 단일소재와 비교해 봄으로서 복합재료의 특성을 이해한다.관계 이론1. 복합재료두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적, 화학적으로 서로 다른 상(phase)을 형성하 면서 보다 유효한 기능을 발현하는 재료를 말한다.2. 복합재료의 구성복합재료의 구성은 어떤 재료를 특수한 미소형으로 다른 재료 중에 분산시킨 형으 로 된 것이 보통이며, 전자를 분산상 (dispersed phase), 후자를 매트릭스상 (matrix phase)이라 부른다.분산상은 복합재료의 특성을 지배하는 것 으로, 복합재료를 분산상의 형에 따라서 분류하면 입자 분산형 복합재료, 섬유형 복합재료로 구별된다. 후자는 또한 섬유의 형태에 따라서 세분화 된다. 즉, 섬유가 불연속적인지 연속적인지, 또는 방향이 어 떠한지에 따라서 불연속섬유 복합재료, 연 속섬유 복합재료, 다방향 연속섬유 복합재 료로 나눈다. 또한 실제로는 이들 복합재 료판을 여러겹 쌓아 접착한 적층형 복합재 료도 많이 이용되고 있다.3. 응력 - 변형률 선도(stress - strain Diagram)① 공칭 응력, σ하중을 원단면적으로 나눈 것.,: 원(original) 단면적② 공칭 변형률, ε늘어난 길이를 원 표점 길이로 나눈 것.,: 원(original) 표점길이③ 극한강도 or 인장강도, σu(Ultimate Strength or Tensile Strength)최대 하중을 시편의 원 단면적으로 나눈 값. 즉, 공학적 최대응력을 말한다.④ 파괴응력 or 파괴강도, σF(Fracture Stress or Fracture Strength)파괴 하중을 시편의 원단면적으로 나눈 값.⑤ 탄성계수 (Modulus of Elasticity or Young's Modulus), E탄성계수는 비례한도 이내의 영역에서 얻어지는 값이다. σ를 응력, ε를 변형률, P를 하중, Lo을 원래 시편의 길이, ΔL을 늘어난 길이라 할 때,⑥ 푸아송의 비인장 또는 압축의 외력이 작용하게 되 면, 축 방향으로 신장되거나 수축하게 되 는 동시에 이에 수직인 가로방향에서는 이와 반대로 수추하거나 신장하게 된다. 이 때 발생되는 가로변형률과 세로변형률 과의 비를 푸아송의 비라고 한다.=하중 방향의 변형률=하중 방향과 직각 방향의 변형률실험방법1. 시험편① 복합재료 시험편 제조ⓐ prepreg 절단ⓑ prepreg 적층ⓒ prepreg 밀봉ⓓ CURING (성형)ⓔ 성형이 완성된 시편을 인장시험용 시 편 규격대로 절단ⓕ 인장시험기에 시편을 고정하기 위해 탭을 시편의 양 끝에 접착2. 실험장치 설명① 만능시험기 (U.T.M)제작사 : INSTRON (영국)용량 : 10 ton모델 번호 : US/8516작동 방법 : 유압식② 변위 측정 장치신축계 (Extensometer)재료의 연신율을 구할 경우 일정구간에 해당되는 시료의 길이를 체크하여 이 구 간 안에서 일어나는 신율의 변화를 알 수 있도록 고안된 장치로 50mm가 처음의표점거리이다.3. 측정방법 설명① 컴퓨터와 만능시험기에 전원을 넣는다② 높이 조절 스위치로 높이를 조절 한다③ 준비된 시험편을 그립(grip)에 물린다.④ Extensometer를 표점거리 50mm에 맞춰서 시편에 고정시킨다.⑤ 시험편을 물리면서 올라간 하중 등을 0으로 조정한다.⑥ Test 버튼을 눌러 실험을 시작한다.⑦ 시험이 끝나면 측정결과 파일을 저장하고, 시험편을 제거한다.⑧ 저장 된 파일로 복합재료의 기계적 성질과, 물리적 특성을 측정한다.⑨ 단일소재와 비교한다.실험결과1. Tensile stress ()2. Strain ()3. 탄성계수 (E)직선위의 점1 (0.32002, 213.01)직선위의 점2 (0.34421, 309.01)Ekgf/mm고찰복합재료의 인장실험을 통해 Tensil stress, Strain, Young's Modulus를 구할 수 있었다. 복합재료의 하중-연신량 그래프를 보면 특이한 점이 발견된다. 밑에 왼쪽 그림은 알루미늄의 하중-연신량 그래프이다. 일반 금속은 다음(왼쪽)과 같은 그래프를 그리면서 파단에 이르지만, 본 실험에서 실험한 복합재료는 하중과 연신량이 비교적 비례하면서 증가하다가 파단에 이른다.위(오른쪽) 그래프는 복합재료를 여러번 실험하여 나온 데이터로 그린 그래프이다. 대부분 인장응력은 3400kgf정도로 거의 일치하지만 1개조만 적은 응력값이 나왔다. 같은 재료로 실험했지만, 그 재료에 결함이 많거나 제작과정에서 노치부가 발생해 상대적으로 작은 응력에 파단 되지 않았나 생각해 본다.
경도시험 개요경도에 관한 개념은 무르던가 단단하다는 경험에 바탕을 둔 것이며, 일반적으로 경도는 어떤 경한 표준 물체를 시편에 압입했을 때 시편에 나타나는 변형에 대한 저항력을 의미하며, 이 변형에 대한 저항력의 크기로서 경도치를 표시한다.경도측정은 간편하고 손쉬우며 재료의 다른 기계적인 성질, 강도 등과 매우 밀접한 관계가 있어 오래 전부터 공업계에서 널리 쓰여 왔다. 경도측정은 재료의 물성을 알고자 하는 목적으로 이루어지고, 재료의 물성에는 크게 두 가지가 있다.1. 물리상수재료의 물리적 성질에 직접 연관이 되는 것으로서 시험방법이 바뀌어도 그 값이 변하지 않는 성질을 말한다. 여기에는 강도, 탄성계수, 녹는점, 저항 값 등이 포함된다.2. 공업상수재료의 여러 가지 성질이 복합적으로 작용하여 나타나는 물성으로서 시험방법에 따라 그 값이 다르게 나타나는 것으로서 경도, 충격값, 피로 강도 등이 포함된다. 공업상수 값이 시험 방법에 따라 다르게 나타나는 이유는 공업상수 값을 측정 할 때는 재료의 여러 가지 물성이 복합적으로 작용하기 때문이다. 즉, 여러 가지 물성 가운데 어느 하나에 중점을 두고 시험 방법을 고안하여 시행하면 중점을 둔 물성에 따라 시험 값이 크게 바뀌는 것이다.그 예로서 경도에 영향을 미치는 물성으로는 마찰계수, 긋기에 대한 저항, 절삭 저항, 소성변형, 탄성계수, 항복점, 인장강도, 탄성진동, 감쇠량 등과 같은 것들에 의해서 서로 다르게 나타나게 된다.이러한 이유로 경도를 포함한 공업상수 값에는 어떤 정확한 물리적 정의가 없으며, 그 시험 방법에도 여러 가지가 있게 되는 것이다. 그럼에도 불구하고 보편적인 의미를 갖는 공업상수값을 구체적으로 측정하기 위하여 많은 시험 방법이 고안된 이유는 공업상수 값이 재료나 제품의 특성을 비교하는 수단으로서 실용상 매우 중요하기 때문이다.경도시험 목적경도값을 측정하는 시험에는 측정원리에 따라 정적 압입경도 시험법, 동적 압입경도 시험법 또는 반발경도 시험법, 그리고 스크래치 시험법이 있다.본 시험에서는 경시편에 일정시간 동안 누른 뒤에 이때 생긴 압입 깊이나 압입자국의 크기를 숫자로 표시한 것이다.경도시험의 목적에는 재료의 경도값을 알고자 하는 경우, 경도값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우, 경도값으로부터 시편의 가공 상태나 열처리 상태를 비교하고 싶은 경우 등이 있다.본 시험에서는 압입경도시험의 종류인 Brinell 경도와 Rockwell 경도를 활용한 측정원리를 이해하고, 경도시험절차를 익혀 시편의 경도값을 구하는 것을 목적으로 한다.관계이론경도는 영구 또는 소성변형에 대한 저항의 척도라 할 수 있으며, 재료가 갖추어야 할 중요한 성질의 하나이다.1. 브리넬 경도 (HB)P : 작용하중 (kgf)D : 강구(steel ball)의 직경 (mm)크기 : 10, 5 mmd : 강구에 의한 압입자국의 직경 (mm)h : 강구에 의한 압입자국의 최대깊이 (mm), 측정 : Dial gaugeA : 강구에 의해서 생긴 압입자국의 표면적 (mm)브리넬 경도 시험에서 P와 D를 일정 한 것을 사용하므로 d의 값만을 현미경으로 측정하여 위의 식에 대입해 경도값을 구한다.또는 환산표를 사용 하여 경도값을 구한다.① 압입자와 압입 하중의 선정브리넬 경도 시험에서 압입자의 직경 D와 시험하중 P의 선정이 매우 중요하다. 브리넬 경도 시험에서는 강구압자가 가장 많이 사용된다. 그러나 경화된 강재를 시험 할 때는 강구 압입자를 사용하면 압입 도중에 납작하게 영구변형이 일어나게 된다. 따라서 시험편의 재질에 따라 다음과 같은 압입자를 선정해야 한다.- 강구(steel ball) : H< 450- Cr 강구(Cr steel ball: H< 650~700- 경질합금(WC ball) : H< 800- 다이아몬드 볼 : H< 850② 하중작용시간여문 재료에서는 그다지 크지 않지만 연한 재료에서는 고려해야 한다. 하중을 증가시킬 때 조용히 조작하면 그 사이에 시간의 변화에 의한 영향은 실제로 문제시 되지 않으므로 강철에 대해서는 15~20초, 연한금속은 30초 정도로 한다. 일반적으로 하 나타나지 않는다.- 측정시간이 비교적 길다- 커다란 압입자국을 얻을 수 있으므로 불균일한 재료의 평균적인 경도값을 측정할 수 있다.- 간단한 장치로 현장에서도 경도를 측정할 수 있다는 이점이 있기 때문에 주물제품의 경도 측정에 많이 이용된다.④ 브리넬 경도값의 표시브리넬 경도는 일반적으로 Hxxx, HBxxx 또는 HBNxxx으로 표시한다. 그러나 특수한 경우는 사용한 압자의 종류 및 직경 하중의 크기 등을 함께 표시하기도 한다. 이 때 압자가 강구인 경우는 HBS, 초경합격인 경우는 HBW의 기호를 사용한다.예 HB(10/3000/15)23210mm의 누르개로 3000kgf의 시험 하중을 15초 동안 가했을 때의 브리넬 경도 2322. 로크웰 경도 (HR)로크웰 경도는 강구(steel ball), 초경 합금구 또는 다이아몬드 원추등의 누르개로 시험편의 표면에 기준 하중 및 부가 하중 두 단계로 하중을 가하고 부가 시험 하중을 제거하여 기준 하중으로 되돌렸을 때의 영구 누르개 자국의 깊이로 측정한다.로크웰 경도 시험에는 누르개의 형상 또는 하중 크기 등에 따라 여러 종류의 시험 조건이 있으며, 이 중에서도 일반적으로 많이 사용되는 것은 B scale, C scale이며, B scale 은 연질금속재료에, C scale은 경질 금속 재료의 경도 측정에 사용된다.한편 C scale과 A scale을 비교해 보면 C scale이 A scale에 비해 정밀도가 높아 많이 사용되고 있으나, 침탄강과 같이 시험편 표면만을 측정하거나 시험편이 얇아서 커다란 하중을 가할 수 없는 경우에는 하중이 작은 A scale을 사용한다.로크웰 경도는 위에 표에 나타난 바와 같이 압입깊이를 500배해서 일정 수에서 뺀 값으로 정의 된다. 즉, 무한히 경고하여 압입깊이가 0일 때, C scale이면 경도값이 100이고 B scale이면 130이다. 시험편이 연하여 압입깊이가 깊어지면 경도는 점차로 낮게 표시된다. 그러나 경도 스케일에 따른 사용범위가 정해져 있어, C scale의 경우는 다른 scale이 이용된다.① 로크웰경도 시험기의 특징- 10kgf의 초하중(기준하중)상태에서 시작하므로 시험편의 표면 상태를 어느 정도 무시할 수 있다. 브리넬 경도시험에서는 시험편의 측정 표면을 충분히 평활하게 다듬어야 하지만 로크웰 경도시험에서는 흑피상태 그대로 직접 할 수 있다.- 측정면이 반드시 평면이어야 할 필요가 없고, 경우에 따라서는 환봉 시험편 이라도 측정이 가능하다.- 경도치는 눈금판에서 읽을 수 있으므로 조작이 용이하므로 다수의 시험을 할 경우 유리하다.- 압입자국이 비교적 작다.② 로크웰 경도 표시경도값, HR 기호, scale 순예 20.5HRC : C scale로 측정한 로크웰 경도 20.5.5단위로 매듭 (2사3입)실험방법1. 시험편의 형상 ① 브리넬경도 시험편- 시험면은 표면이 편평하고, 산화물이나 이물질, 특히 윤활제가 제거되어야 한다. 또한 누르개자국의 지름을 정확하게 측정할 수 있도록 표면 다듬질을 하여야한다.- 시험편은 준비 과정 중의 열이나 냉간 가공으로 인한 변화가 시험면에 되도록 생기지 않게 준비하여야 한다.- 시험편의 두께는 적어도 누르개 자국 깊이의 8배 이상이어야 한다.② 로크웰경도 시험편- 제품이나 재료 규격에서 달리 규정하지 않는 한 시험의 표면이 평평하고, 산화물이나 이물질 특히 윤활제가 완전히 제거된 시험면에서 하여야한다.- 시험편 준비과정에서 열이나 냉간 가공으로 인해 표면 경도의 변화가 되도록 생기지 않도록 해야 하며, 누르개 자국의 깊이가 얕은 경우에는 더욱 주의해야 한다.- 시험편의 최소 두께는 원추형 누르개로 시험할 경우는 영구 누르개 자국 깊이의 10배 이상, 구형 누르개로 시험할 경우는 15배 이상이 되어야 한다.- 시험면이 볼록형 원통면이나 구면일 경우에는 보정을 하여야한다.2. 실험장치① 브리넬경도시험기제 품 명 : DTB-600작동방식 : 반자동시험하중 : 500, 750, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 (kgf)기계크기 : 470 X 465 X 1140 (mm)최대agnification : 20 X, scale unit : 0.05mm)③ 로크웰경도시험기제 품 명 : DTR-100작동방식 : 수동식시험하중 : 60, 100, 150 (kgf)초 하 중 : 10 kgf기계크기 : 210 X 450 X 680 (mm)중 량 : 68 kg제 작 사 : 대경테크(한국)3. 측정방법① 브리넬경도시험기ⓐ 시험편을 준비한다.ⓑ 압입자를 선정한다.ⓒ 압입하중을 선정한다.(steel 3000, 비철 1000 or 500 kgf)ⓓ 시편을 엔빌위에 올려 놓는다.ⓔ 엔빌 손잡이를 돌려 시편이 압입자에 닿게 한다.ⓕ 시간을 설정한다.(steel 20s, 비철 30s)ⓖ START 버튼을 누른다.ⓗ 설정된 시간동안 기다린다.ⓘ 유압이 0점에 올 때까지 기다린다.ⓙ 엔빌을 내려 시편을 제거한다.ⓚ 시편에 압입된 자국의 지름을 확대경 을 통해 측정한다.ⓛ 측정한 지름 d를 식에 대입하여 경도 값을 구한다. or 압입자국의 지름과 하중에 따른 브리넬 경도값을 환산표 에서 직접 읽는다.② 로크웰경도시험기ⓐ 시험편을 준비한다.ⓑ 압입자를 선정한다.ⓒ 압입자에 따르는 추를 장착한다.ⓓ 시편을 엔빌 위에 올려 놓고 압입위치를 선정한다.ⓔ 다이얼의 set점을 가운데 위치시킨다.ⓕ 압입자와 시험편을 접촉시킨 후 계속 해서 받침대를 올려 초기하중 10kg을 가한다.ⓖ 단침이 빨간점에 도달할 때 장침은 위쪽 수직 위치에 오게 하면 되는데 이때 장침은 좌우 5눈금 이내가 되 도록 한다.ⓗ 다이얼을 돌려 set점에 장침을 일치 시킨다.ⓘ 하중 작동 레버를 조작하여 시험하중 을 작용시킨다.ⓙ 레버를 조작하고 일정시간동안 하중 을 유지시킨다. (15s)ⓚ 레버를 원래 위치로 복귀하여 하중을 제거한다.ⓛ 다이얼에 지시된 장침의 경도수치를 읽는다.실험결과1. 브리넬 경도 값① 확대경을 통한 지름측정1회 측정지름 : d1 = 3.9 mm2회 측정지름 : d2 = 3.85지름의 평균값 = 3.9 mm② 지름의 평균값을 식에 대입③ 브리넬 경도값의 표시HB (10/1000/305
피닝시험 개요현대 산업 사회의 발전과 더불어 생산성, 경제성이 높은 기계가 요구되고 있으며, 합리적이고 효율적인 기계가 필요하게 되었다.기계구조물, 기계부품, 자동차, 항공기 부품, 발전기 터빈 등 재료의 소재는 적은 양과 비용으로 원하는 성능을 발휘하고 안전하도록 설계되어야 하며, 높은 피로 강도의 특성이 요구되어 진다.재료의 절감을 위해서 고강도화, 경량화 설계 방법의 도입이 적극 채용되고 있으며,이러한 고강도화 및 경량화 설계 기술 중에 하나가 쇼트피닝 가공(shot peening)이다.피닝시험 목적쇼트 피닝은 재료의 경도를 향상시켜 설계 능력을 높일 수 있을 뿐만 아니라 재료의 중심부에서는 높은 인성을 유지할 수 있으므로 피로 하중을 받는 기계 구조물 부품의 향상에 매우 유용하며 특히, 피로 강도 및 수명 향상에 있어서 대단히 중요하다.인장이 작용하는 면에는 크랙이 생성 되면 그 크랙이 빠르게 확산되어 파괴되지만, 쇼트 피닝 가공을 하면 표면에 잔류 압축응력이 생기고, 밀도가 높아지고 경도가 높아지게 된다. 따라서 피로수명이 증가 하게 된다.피닝 시험에서는 쇼트 피닝 가공 시간과 투사 속도에 따른 피로 강도의 변화에 대해 알아보도록 한다. 쇼트 피닝 가공의 정도를 나타내는 것을 아크 하이트(arc height)라 한다.관계 이론1.쇼트피닝 가공쇼트 피닝 가공은 냉간 가공의 한 방법으로 1920년대에 개발되어 1940년대부터 공업에 널리 응용되기 시작하였다.쇼트 피닝 가공이한 금속부품의 표면에 쇼트볼(shot ball)이라는 강구를 고속으로 금속의 표면에 투사하여 금속의 표면을 해머링(hammering)하는 가공이다.쇼트 피닝 가공은 쇼트볼이 금속 표면에 고속 충돌하면서 이 때 쇼트볼의 운동에너지가 순간적으로 재료의 표면에 소성변형을 주고 표면에서 이탈한다. 쇼트볼과 충돌 후 표면층에는 요철이 발생하며 표면에 얇은 소성 변형층을 형성하며 탄소성층의 경계를 형성하게 된다. 이층에는 늘어난 표면층을 늘어나기 전의 상태로 유지하려는 힘이 작용하게 되어 표면은 잔류 압축 응력, 내부는 인장응력을 갖고 평형을 이루게 된다.쇼트볼이 충돌 후 압축 응력이 잔류하게 되는데 응력의 크기는 크지만 응력은 가공 조건에 따라 약간의 차이가 있으며, 일반적으로 표면에서 깊이 0.1~0.15mm 정도에 분포되고 특수한 경우 0.8mm까지 분포층을 형성시킬 수도 있다. 이러한 쇼트피닝 가공으로 재료의 표면에 압축 잔류 응력을 남게 함으로써 반복인장이 작용할 때 압축 잔류 응력은 점점 상쇄되어 압축 잔류 응력이 사라지게 될 때까지 피로 수명을 연장하게 된다.쇼트 피닝 가공에서 금속의 작은 볼의 충격에 의한 자국은 쇼트볼의 직경, 자국의 깊이, 체적의 함수로 형성된다. 소성 영역은 쇼트볼의 속도, 쇼트볼의 직경 그리고 쇼트 피닝 가공되는 재료의 경도에 대한 함수의 관계를 갖는다. 쇼트 피닝 가공에 의한 소성 영역의 변형층에 잔류 응력의 발생과 더불어 경도의 변화를 가져온다. 이 변형층의 경도 분포에는 가공경화와 가공 연화를 나타낸다. 쇼트피닝 가공된 표면의 잔류 응력층은 시험편의 두께에 영향을 받으며, 쇼트피닝 가공 조건에 대한 극한 두께에서는 감소하게 된다.- 쇼트피닝의 장점쇼트피닝 가공의 장점은 타 가공법에 비하여 피로 강도와 피로 수명 증가율이 높고 고강도화, 경량화로 인한 에너지 절감 효과와 가공시 연료 소비가 크지 않은 환경 친화적인 가공법이다. 또한 재료의 중심부에는 연성과 인성이 유지되면서 표면층만 경화되는 장점이 있다. 기존의 철강 재료를 활용하여 고강도화 할 수 있으므로 매우 경제적이며, 공작물의 형상과 크기에 대한 높은 적용성과 생산성을 가지고 있는 장점이 있다. 그리고 강도를 높이기 위한 열처리 설비에 대하여 설비 투자의 경제성 등 많은 장정이 있다.- 쇼트피닝 강도를 증가시키는 요인쇼트볼의 크기가 클수록,쇼트볼의 경도가 높을수록,쇼트볼의 투사속도가 빠를수록,투사 각도가 90 ? 에 가까울수록2. 쇼트피닝 강도쇼트 피닝은 제품에 일정하고 재현성 있 도록 하는 것이 중요하다. 그러므로 쇼트 볼의 재질, 크기 형상, 경도 그리고 투사 속도와 투사각도는 일관성 있는 공정을 위 해 반드시 제어되어야만 한다.어느 한도까지는 쇼트피닝 강도가 증가하면 피로강도가 증가하지만 너무 쇼트 피닝 강도가 높게 되면 피로강도가 증가되지 않고 오히려 가소하는 경향을 보여 준다. 또한 가해지는 투사 에너지가 높은 것만이 좋은 것은 아니라 적절한 쇼트 피닝 조건으로 가공 해야만 좋은 결과를 얻을 수 있다.쇼트 피닝 강도는 쇼트 피닝의 가공 정도를 나타내는 것으로 쇼트볼의 속도, 경도, 크기, 투사각, 무게 등에 따라 변하며, 아크하이트와 커버리지로 표시한다.쇼트 피닝 가공의 충격 에너지를 측정하고 조절하기 위하여 Almen은 SAE 1070 스프링강 시험편(알멘 스트립, Almen strip)을 이용하여 측정하였다. 이 방법은 쇼트피닝 가공하지 않은 알멘 스트립을 금속 블록에 고정하고 주어진 시간동안 쇼트피닝 가공처리를 한다. 블록에서 알멘 스트립을 제거한 후에 쇼트 피닝 충격에 의한 압축 잔류 응력과 표면 소성변형으로 인해 알멘 스트립은 쇼트 피닝 가공된 표면으로 볼록하게 된다. 이 곡면의 높이를 알멘 게이지로 측정하여 이를 “아크 하이트”라 하였다.아크 하이트가 만들어지는 이유는 얇은 박판에 쇼트볼이 투사될 때 쇼트볼이 충격되는 부분에서는 표면층이 늘어나려는 성질을 가지고, 쇼트볼이 충격되지 않은 반대면에서는 원상태를 유지하고 있으므로 표면과 반대면 간의 인장과 압축력으로 작용하게 되어 굽어지는데 알멘 스트립은 쇼트볼 투사면 쪽으로 볼록하게 되기 때문이다. 그리하여 아크 하이트의 굴곡 정도로 쇼트 피닝강도를 나태내게 된다.- 커버리지 (coverage)커버리지는 일정 면적에 대한 쇼트피닝 자국 면적의 일정한 정도를 %로 정의하며 주어진 쇼트피닝 시간과 노출 시간의 함수가 된다. 즉 쇼트볼이 투사되어 물체의 표면을 타격한 밀도를 말한다. 커버리지는 쇼트볼에 노출시킨 시간과 관계될 뿐이며, 아크 하이트와 반드시 비례하지는 않는다. 일반적으로 쇼트볼의 크기와 투사속도는 아크하이트에 많은 영향을 미친다.3. 쇼트피닝기의 구조쇼트피닝기에서 쇼트볼을 투사시키는 동력원에 따라서 압축 공기를 이용하는 공기식과 모터를 회전시켜 임펠러의 원심력을 이용하는 기계식으로 크게 분류할 수 있다.공기식은 정확한 투사량과 투사속도의 측정과 제어가 힘든 단점이 있으며 이와 반대로 기계식은 임펠러의 직경이나 모터의 회전수를 이용하여 비교적 정확하게 투사 에너지량을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로 쇼트볼을 대량으로 투사할 수 있는 회전 임펠러 방식의 쇼트피닝기가 주로 사용되고 있다.- 쇼트피니기의 기본구조①쇼트볼을 가속하여 운동에너지를 만드는 쇼트볼 투사 장치의 임펠러②투사되었던 쇼트볼을 다시 사용하기위한 쇼트볼 순환장치③마모와 파손으로 인한 쇼트볼을 선별하는 쇼트볼 선별 장치④쇼트볼의 부족시 보충해 주는 쇼트볼공급장치⑤가공물에 균일한 쇼트피닝 가공을 하기 위한 제품 이송 장치⑥투사로 인한 쇼트볼의 흩어짐 방지를위한 캐비넷⑦쇼트피닝 가공시 제품의 스케일, 먼지, 쇼트볼의 파쇄로 인한 분진 등을 제거하 기 위한 집진장치⑧생산 공정의 공정 관리를 위한 쇼트피닝 제어용 컨트롤 판넬4. 쇼트볼쇼트볼이란 쇼트피닝 가공에 있어 에너지를 재료의 표면에 직접적으로 전달해 주는 중요한 매체이다.현재 이용되고 있는 쇼트볼은 주철 쇼트, 주강 쇼트, 컷트와이어 쇼트, 주조 쇼트 이외에 혼합 쇼트가 있고, 강, 유리, 합성 수지 등을 혼합하여 비철 금속 쇼트 피닝용으로 쓴다.쇼트볼에 있어서 중요한 인자는 쇼트볼 품질의 균일성, 직경의 일정성, 고경도성과 내마모성이다.실험방법1. 실험 재료[Almen strip] 아크하이트는 “SAE(Society of Automotive Engineers)" 규격에 의해 세계 공통적인 단위로서 사용된다.세 가지 기본적인 알멘 스트립이 사용되며 이 실험에 사용된 스트립은 A 타입으로 그림의 형상과 치수를 따른다.2. 실험 장비① 쇼트피닝 머신제작사 : 세명쇼트기계(한국)모델명 : PMI-0608 (60kg/min)② Almen Gage3. 실험 방법① 쇼트피닝 가공실험 방법에는 자동 Mode와 수동 Mode방법이 있다. 본 실험에서는 자동 Mode로 실험 하였다.ⓘ 벽면 Mail 차단기 Onⓑ 내부 차단기 On (공기압축기 가동)ⓒ 전원 Key Onⓓ 전원 S/W Onⓔ Timer 조정ⓕ Frequency 조정(RPM)ⓖ 시편장착ⓗ 자동기동 Onⓘ 실험 종료 후 [자동정지] Onⓙ 가공한 시편을 알멘게이지로 측정한다.
복합재료 실험 보고서
