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부르돈관

1. 교정의 의미- 교정이란 “특정조건에서 측정기기, 표준물질, 척도 또는 측정체계 등에 의하여 결정된 값을 표준에 의하여 결정된 값 사이의 관계로 확정하는 일련의 작업” 이라는 사전적의미를 가지고 있다. 실험에서의 압력계교정이란 높은 정확도를 가지는 표준 압력계를 기준 장비로 이용하여, 사용중인 압력계의 정확도를 분석하는 작업을 말한다.계측기의 정확도를 유지하기 위해서는 정기적인 교정이 필요하며, 교정의 주기는 기종이나 사용조건에 따라 다르다. 일반적으로 기준 장비는 국가 압력 표준에 소급성이 있어야하며, 기준장비의 불확도는 교정대상 장비의 불확도보다 작아야하고 2배 이상의 불확도비가 바람직하다. 교정에 앞서, 피교정장비는 열적 평형을 이루기 위해 교정실에서 켜두고, 가급적 직접적인 태양광선에 노출을 피해야 한다. 피교정 장비는 항상 깨끗이 유지하여야 하며 교정시에 사용 표준기와 가까이 설치하고, 가급적 설치 높이는 비슷하게 하여야 한다.교정절차는 히스테리시스, 선형성, 반복성 평가 등의 조건을 반영해야 하며, 피교정기에서 예상되는 정확도에 따라 기본교정절차, 표준교정절차, 종합교정절차 중 적합한 교정절차를 적용해야 한다.표준압력(kgf/cm2)교정기기 지시값기기오차히스테리시스오차가압시감압시가압교정감압교정00.12000.1201.9961.9922.12.20.2080.14.0213.97444.20.2260.26.1526.1716.16.20.0520.17.8927.9128.28.10.3080.19.9799.97910.110.10.12102. 실험결과*표준압력 : 표준기가 지시하는 압력 표시*가압/감압 교정 : 압력을 증가 혹은 감소하면서 측정했을 때의 교정기기 지시 값 표시*기기오차 : 교정기기 지시값에서 표준 압력을 뺀 값중 절대 값이 큰 값 표시*히스테리시스오차 : 동일한 압력에서 가압교정값과 감압교정값 차이의 절대값 표시? 기기오차의 평균값 : 0.1725% , 히스테리시스오차의 평균값: 0.0833%? 실험데이터를 토대로 다음 식에 근거하면,정확도는 스팬(피교정기의 압력 범위)의 3.08%임을 알 수 있다.3. 결론 및 고찰- 본 실험은 압력계의 원리와 교정의 의미에 대해 이해한 상태에서, 휴대용 압력발생기를 이용한 부르돈관 압력계를 교정하는 것에 목적이 있다고 할 수 있다. 그 과정에서 측정에 관련된 용어들과 그들의 상관관계에 대해서 알아볼 수가 있고 최종적으로 부르돈관 압력계의 정확도를 추정해 볼 수 있겠다. 실험에 앞서 브르돈관 압력계는 약 0.1% 정도의 오차율을 보일 것이라는 설명을 들을 수 있었고 직접 실험을 통해 이를 확인해보게 되었다.실험장치와 실험방법은 생각보다 간단한 편이었다. 휴대용 압력발생기의 손잡이를 이용해 측정하고 싶은 압력만큼을 가해주게 되면 디스플레이 창에 나타는 수치와 브르돈관 압력계에 바늘을 읽어서 값을 비교하는 방식이었다. 측정 하고자하는 표준압력은 0~10 kgf/cm2 의 범위로 2kgf/cm2 씩의 간격으로 측정하고, 압력을 원하는 압력보다 조금 높게끔 가하면서 측정하다가 10kgf/cm2 부터는 손잡이 오른쪽에 있는 나사를 통한 미세조정으로 압력을 낮춰주며 반대로 측정해본다. 처음에는 압력조정이 익숙치 않았기때문에 실수가 있었고 다시 천천히 최대한 원하는 압력값에 맞춰가면서, 가압시에 측정된 교정기기 지시값과 감압시의 교정기기 지시값을 얻을 수 있었다. 이 값에서 매 측정시의 표준 압력을 뺀 값 중 절대값이 큰 값을 기기오차로 표시하고 동일한 압력에서의 가압교정값과 감압교정값 차이의 절대값을 히스테리시스오차로 표시했다. 실험결과 평균적으로 약 0.17의 기기오차가 발생했음을 알 수 있었고 실험 전 예측했던 0.1%의 오차와 근접했음을 생각해 볼 수 있었다. 히스테리시스오차의 평균값은 약 0.08%로 가압과 감압시의 오차도 비교적 작았음을 알 수 있었고, 기기오차 중 가장 큰 오차의 절대값을 스팬으로 나누어 백분율로 표시하여 스팬의 3.08%라는 브르돈관 압력계의 정확도를 추정해 볼 수가 있었다. 정확도와 정밀도에 대한 개념이 헷갈렸지만 여러번의 실험 결과수치들 사이에 차이가 얼마나 나는가에 대한 정밀도와 달리, 정확도란 여러번의 실험에서 결과수치의 평균이 주어진 수치와 얼마나 비슷한지를 나타내는 척도라는 것을 정리해서 생각해 볼 수 있었다.실험은 6개의 측정점에 대해 압력을 증가 및 감소시키면서 1회수행하고, 3조로 나뉘어서 한 것을 3회 반복 측정한 것이라고 생각한다면 메뉴얼 중에서 기본교정절차를 수행했다고 생각할 수 있었다. 우리조의 실험에서 비교적 작았다고는 생각되지만 오차의 요인을 생각해봤을때, 메뉴얼의 실험방법에는 측정 시 가볍게 측정계기를 두드려서 마찰오차를 줄여 눈금을 읽으라고 되어있었는데 미쳐 그 부분을 생각하지 못한것이 오차를 줄이지 못한 아쉬운 점으로 남았다. 그리고 원하는 압력보다 조금 높게 압력을 가했어야 했는데 근접해야 한다는 생각만해서 어떤 경우에는 높았고 또 다른 경우에는 원하는 압력보다 낮았었기 때문에 그로 인해서 오차의 원인이 작용했을 가능성도 생각해보았다. 실험 전에 게이지가 별로 좋지 않아서 오차가 클 수 있다는 주의를 들었었는데 아마 그로 인해서도 오차가 조금은 생겼을 것이고, 무엇보다도 게이지의 눈금을 대략적으로 나눠 직접 눈으로 읽는 과정에서 아무래도 실수가 있었을 것이라고 생각된다.실험방법이 비교적 간단했기 때문에 결과적으로 오차가 적은 것이라고 생각하지만, 그렇기 때문에 사소한 주의사항까지도 더 신경을 썼어야지 보다 원하는 실험결과를 얻었을 것이라고 생각되었다. 이번 실험을 통해서 부르돈관 압력계에 대해서 알아볼 수가 있었고, 교정의 의미에 대해서 공부한 뒤 간단한 실험을 통해 그 원리에 대해서까지도 이해할 수 있었던 좋은 기회가 되었던 것 같다. 또한 교정이 왜 필요한 것인지 그에 대한 중요성에 대해서도 생각해 볼 수 있었던 것 같다.

공학/기술| 2013.05.18| 3페이지| 1,000원| 조회(221)

기계공학실험, 명지대, 교정, 부르돈관

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충격시험

[ #1. 충격시험 ]1. 충격기의 종류와 장단점인장 충격, 충격 압축, 충격 굽힘, 충격 휨 시험(보통 충격시험)단순보상태의 샤르피 충격시험기, 내다지보의 아이죠드 충격시험기충격 휨 시험 단일충격시험 : 샤르피, 아이죠드(길레리, 올센)반복충격시험(마쯔무라)고속충격시험(로타리벤딩)샤르피 충격시험기(Charpy type impact testing M/C)- 노치를 가진 시험편을 일정한 높이에서 해머로 타격해서 파단시키고 그때의 흡수에너지를 구하는 시험법. 시험편으로 단순보(simple beam)의 상태에서 측정하게 되는데 이것은 40mm 떨어진 두 지지대에 시험편을 올려놓고 홈의 뒷면을 해머로써 충격을 주어 단번에 절단하게 되고, 소요된 에너지(kg·m)를 홈의 원 단면적(cm2)으로 나눈 값을 충격치라 한다.→ 샤르피 시험기는 장치를 취급하기 쉬우며 시편파괴에 요하는 에너지도 간단히 구할 수 있는 장점이 있다. 빠르고 상대적으로 쉽게 수행할 수 있으므로 제품의 품질을 결정하고 새 제품을 평가하는데 매우 유용하다. 하지만 파괴에 이르는 에너지가 시편의 형상, 노치의 형상과 그 날카로움에 민감하게 의존하고 변형속도에 영향을 받는다는 단점도 있다.아이죠드 충격시험기(Izod type impact testing M/C)- 샤르피식과 함께 일반적으로 널리 사용되고 있는 흔들이형 충격 시험기이며, 흔들이를 어느 높이로 치켜 올리고, 흔들이 중심 밑에 시편을 세로로 고정하고, 고정된 시편을 흔들이의 낙하에 의해서 타격 절단할 때에 시편이 흡수하는 에너지의 대소로서 재료의 충격치를 나타낸다.→ 아이조드 시험편의 고정이 확실하다는 장점은 있으나, 고온 및 저온용에는 적당하지 않으므로 근래는 그다지 사용되지 않는다. 흡수한 에너지를 시험편의 초기 단면적으로 나누어 충격값을 구하는 샤르피 시험기와 달리 흡수한 에너지를 그대로 충격값으로 사용한다.형식 : 샤르피, 아이죠드, 샤르피-아이죠드 복합 충격시험기2. 표준충격시험편의 종류와 용도- KS B 0809 (금속재료 충격 시험편)에 따른다.- 모양 및 치수에 따라 1~5호 시험편으로 구분하고, 그 표준 치수와 용도는 다음과 같다.①1호 시험편 : 다음과 같은 치수와 형상을 가지고 있으며, 아이죠드 충격시험기에 사용.②2호 시험편 : 다음과 같은 치수와 형상을 가지고 있으며, 아이죠드 충격시험기에 사용.③3호 시험편 : 다음과 같은 치수와 형상을 가지고 있으며, 샤르피 충격시험기에 사용.④4호 시험편 : 다음과 같은 치수와 형상을 가지고 있으며, 샤르피 충격시험기에 사용.⑤5호 시험편 : 다음과 같은 치수와 형상을 가지고 있으며, 샤르피 충격시험기에 사용.※ 홈부의 대칭 평면과 시험편의 길이 방향 중심 축선과 이루는 각은 902이내 이어야 한다. 홈부 골바닥의 다듬질은 매끄러워야 하며, 해로운 절삭 홈 등이 있어서는 안된다.※ 시험편의 나비(홈에 따른 치수)는 재료의 치수 형편에 따라 10mm미만의 치수로 변경할 수 있다. 이 경우의 표준 나비는 7.5, 5 및 2.5mm로 하고, 이들의 호칭 치수에 대한 치수 허용차는 어느 것이나0.05mm로 한다. 이 경우, 시험결과에는 시험편 번호 외에 시험편의 나비를 부가할 필요가 있다.※ 시험편 제작 시 주의사항- 가공에 의한 연화나 경화의 영향이 가능한 일어나지 않도록 기계 가공한다.- 열처리한 재료의 평가를 위한 시험편은 열처리 후에 기계 가공한다.- 시험편의 단면을 제외한 4면은 평활하여야 한다. 또, 노치 바닥의 다듬질은 매끄러워야 하며, 해로운 절삭 흠 등이 있어서는 안된다.- 시험편의 기호, 번호 등은 시험에 영향을 미치지 않는 부위에 표시한다.3. 충격치의 계산 및 문헌결과와 비교시험편번호α의 각도β의 각도충격에너지충격치1140?103.5?2113.5?3115???4. 재료의 파단면 형상을 입체적으로 도시시편 1시편 2시편 3[ 파단면 형상의 도식화 ]5. 결론 및 고찰- 본 실험은 충격시험기의 구조 및 원리를 이해한 상태에서 충격력에 대한 시편재료의 파단현상을 관찰하고 충격에너지와 충격치를 구하는 것이었다. 또한 이를 통해 충격에 영향을 미치는 요인들에 대해서도 생각해 보는데 목적이 있다고 할 수 있겠다.실험에는 일반적으로 많이 사용되는 30kg-m용량의 샤르피 충격시험기가 사용되었으며 연강으로 제작된 시편을 고정시킨 뒤, 회전하는 팬들럼에 장착된 해머에 의한 충격으로 인해서 파단현상이 일어나게되는 비교적 간단한 원리의 실험이라고 생각되었다. 해머가 운동 중 손실된 에너지 즉, 공기저항 및 마찰저항은 무시하고 해머를 끌어올린 각도와 시험편 절단 후의 해머의 올라간 각도를 알게되면 에너지 방정식에 의해 유도된 관계식을 통해서 시험편에 흡수된 충격에너지를 구할 수 있다. 그리고 이를 시편의 단면적으로 나누어주게 되면 충격치를 얻을 수가 있는 것이다.총 3회의 시험을 거쳐서 103.5? , 113.5? , 115? 의를 얻을 수가 있었고 각각의 충격에너지와 충격치를 구할 수가 있었다. 평균적으로 충격에너지가 6.91kg?m(67.79J)라는 결과를 얻게 되었지만,와를 표시하게 되는 바늘을 일치시키지 않은 상태에서 시편1의 첫 번째 실험을 진행하였고, 그 때문에 두 번째와 세 번째의 실험에서보다 데이터가 차이를 보였다고 생각되었다. 이 점을 고려해서 첫 번째 실험을 제외하고 계산한 5.93kg?m(58.17J)라는 데이터가 조금은 더 정확한 실험결과라고 생각했다.충격시험은 온도에 따른 재료의 취성천이과정을 손쉽게 알아 볼 수 있다는 장점이 있지만, 실험에서는 온도는 변수로 작용하지 않았고 단지 연강으로 제작된 시편에 동적인 충격을 가해서 파단 시 흡수된 에너지의 양에 따른 연성과 취성 등 재료의 특성에 대해 생각해 볼 수 있었다. 시편의 파단부는 응력 집중이 유발될 수 있는 노치부를 제외하면 연성파면과 취성파면으로 나누어 관찰해 볼 수가 있다. 쉽게 생각해서 연성의 재료라면 연성파면이 발달하고 취성의 재료일 경우에는 취성파면이 더 많이 나타나는 것 같았다. 본 실험에서는 시편으로 연강이 사용되었기 때문에 절단면이 깨끗하게 나타나는 취성파면의 모습보다는 규칙성 없이 찢어지는 형상의 연성파면을 확인해 볼 수 있었다. 연성재료의 경우는 시험편이 굽어지는 과정에서 항복점을 넘은 후에도 파단되지 않고 탄성계수에 비례해 변형이 일어나게 되므로 이 과정에서 에너지를 더 소모하게 된다고 한다.

공학/기술| 2013.05.18| 5페이지| 1,000원| 조회(480)

충격시험, 기계공학실험, 명지대, 샤르피, 아이죠드

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경도시험

[ #2. 경도시험 ]1. 경도시험기의 종류와 특징압입 경도시험기(indentation hardness test) : 브린넬, 록크웰, 비커스, monotron반발 경도시험기(rebound hardness test) : 쇼어, Duroscope, 혼다, 사다오식긁기 경도(scratch hardness test) : martens, Onyl, Sclerometer, 진자경도계, 하버드브린넬(Brinell) 경도계- 시료의 시험면에 강구로 움푹 패인 오목부를 만드는데 필요한 하중(㎏)을, 그 영구 오목부의 표면적(㎟)으로 나눈 값을 말한다. 압압용 강구에는 통상 직경 10㎜ 및 5㎜의 것이 사용되며, 압압 하중은 3000㎏ 또는 500㎏가 사용된다. 강재의 경도측정에 널리 이용되고 있다.록크웰(Rockwell) 경도계- 지정된 형상의 강구슬 또는 다이아몬드 원추 압자를 이용하여 최초에 기준하중을 가하고, 다음으로 시험하중까지 하중을 증가시킨 후, 최초의 기준하중으로 되돌아온다. 이 전후 2회의 기준하중 시에서 움푹 패인 깊이의 차로 정의되는 경도를 말한다. B경도와 C경도가 규정되어 있으며, 경도기호는 HR을 사용하고, 스케일(육안)기호, 경도의 순으로 표시한다.비커스(Vickers) 경도계- 대면각 136˚의 정사각뿔 다이아몬드 압자를 재료 표면에 살짝 눌러 흔적(팬 자국)을 만들고, 하중을 뺀 뒤에 남겨진 영구적인 흔적의 대각선길이에서 겉넓이를 산출하여 하중을 이 넓이로 나눈 몫으로 나타낸다. 흔적의 윤곽이 매우 뚜렷하기 때문에 하중을 작게 하여도 측정 정밀도가 높아 제품표면이나 금속조직 각 부분의 굳기 측정에도 사용된다.쇼어(Shore) 경도계- 쇼어 경도계는 해머 등을 충돌시켰을 때의 반발력을 측정하는 충격경도 시험기이다.이 쇼어 경도 시험기는 압정 롤에 의해 길이가 큰 질량이 크기 때문에 이동이 곤란한 것이나 최종 마무리면의 경도의 측정에 최적인 시험기이다. 대표적인 반발경도 시험으로 브리넬경도 시험이 불가능한 매우 단단한 강철재의 경도 측정에 쓰이며, 압흔이 매우 작아 완제품의 경도시험으로 이용되고 있다.2. 표준시험편의 채취방법- 시험편은 표면이 평편하고, 산화물이나 이물질 특히 윤활제를 제거하여야 한다. 경도시험은 하중방향과 시험편이 수직한 상태에서 이루어져야 한다. 또한 경도시험 중에 시험편을 이동하면 측정결과에 오차가 생길 수 있으므로 시험편의 표면과 뒷면이 평행한 평면이어야 한다. 록크웰경도시험과 같이 압입깊이를 측정하는 방식의 경우에는 시험편과 시험편 받침대와의 밀착이 잘 되어야 한다. 쇼어경도시험과 같이 동적시험에는 시험편과 받침대의 밀착이 나쁘면 압입자의 충돌 시 반발에너지의 일부가 손실되어 결과에 나쁜 영향을 미친다.- 시험편 제작 시에는 주축회전수를 500rpm정도, 절삭깊이는 0.2~0.3mm로 하여 0.5mm정도로 양면을 선삭가공을 한 다음 브리넬경도시험의 경우에는 #600정도의 사포로 다듬질하고, 쇼어나 비커스 경도시험의 경우에는 1S-2S정도로 사포로 다듬질하거나 연삭가공을 할 경우에는 테이블이송속도 20mm/분, 절삭깊이 0.01~0.02mm 조건으로 0.1~0.15mm정도로 양면을 연삭한다.- 시험편의 준비과정에서 가공경화현상이 발생할 가능성이 있는 재료는 기계가공이나 연마시에 표면 가공경화현상이 유발하지 않도록 조심해야 한다. 열처리 시험편을 연삭으로 준비할 때는 국부적인 템퍼링이나 과열(burning)이 일어나지 않도록 조심해야 한다. 시험편을 가공한 후 스크라이버, 컬러스프레이, 펀치 등으로 시험편을 인식할 수 있도록 표시한다.3. 실험결과 및 문헌결과와 비교→ 실험결과(경도)록크웰(HRC)쇼어(VHS)Al2026브린넬(HB)SM45CAl2026SUS310SSM40C12.57.530.93228.7795.49295(제외)4.535.3601.45228.77336.132.8477.46414.64평균2.756.0333.01435.9246.3※록크웰경도()의 결정법→→값을 얻었으므로 위의 관계식을 통해 압입자국의 깊이 h를 알아볼 수 있다.SM45C의 평균값 : 2.75 → h = 0.1945mmAl2026의 평균값 : 6.03 → h = 0.18794mm※브린넬경도계로는 압입자국지름d를 측정했으므로 관계식을 이용해서 경도()를 구한다.브린넬경도계 측정값SUS310SSM40C4mm6mm2.5mm4mm2.8mm3mm여기서,[압입자국지름 d ]※록크웰경도()와 브린넬경도()와의 상관관계- SM45C: 2.75 →: 135.91- Al2026: 6.03 →: 150.76- SUS310S: 435.9 →: 42.91- SM40C: 246.3 →: 22.28상관관계식을 통해서 위와 같이 유도해 볼 수 있다.※문헌 값과 실험결과 비교→ SM45C는 중탄소강에 속하고, 통상 고주파열처리로 하는 경우가 많다. 가열온도(퀜칭)는 820~870도 이고, 템퍼링은 저온(200도 이내)으로 하는 경우가 많으며, 경도는 로크웰경도인로 50~60 정도로 나온다. 하지만 실험결과에서는 평균 2.75가 나왔고 실제 값과 많은 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 자료를 조사하던 중에 록크웰 C-scale(하중 150kgf)에서는값이 0~18까지가 신빙성이 없는 구간으로 규정되어있는 것을 알게 되었으며, 실험방법이 잘못되었거나 측정방법이 잘못되었을 것이라는 생각을 하게되었다.→ Al2026는 쇼어경도계에서 반발높이가 30근처가 될 수 있도록 측정을 한 것을 생각해서 시험편의 실제 쇼어경도가 약 30이라는 것을 추측할 수 있었고, 세 개의 조가 3번씩 측정을 한 데이터의 평균이 33.01이므로 비슷한 결과를 얻었다고 생각된다. 정확하진 않지만 C-scale의 록크웰경도는 경도환산표를 통해 12~14정도가 되는 것을 확인할 수 있었고 6.03이라는 실험값과 비교해 약간의 차이를 보였다.→ SUS310S는 브리넬경도가 217정도인 것을 알 수 있었고 435.9라는 실험결과와 비교해 보았을 때 차이가 많이 나는 것을 알 수 있었다.→ SM40C는 브린넬경도가 156~255정도임을 알 수 있었고 평균값 246.3과 비교해보았을 때 범위 내에 해당되는 값을 얻었음을 알 수 있었다.4. 압입된 단면의 형상록크웰경도계SM45CAl2026쇼어경도계 ? 압입자국 생기지 않음브린넬경도계SUS310SSM40C5. 결론 및 고찰- 본 실험은 경도시험의 개념과 원리를 이해하고, 여러 종류의 시험기를 사용하여 금속재료의 경도를 직접 측정해보는데 목적이 있다고 할 수 있겠다. 경도란 어떤 단단한 물체를 시험편에 압입하였을 때 시험편에 나타는 소성변형에 대한 저항력이라고 정의되며, 이 변형에 대한 저항력의 크기는 경도값이라고 한다. 시험방법에 따라서 압입경도시험, 반발경도시험, 긁기경도시험으로 구분하고 본 실험에서는 압입경도를 측정하는 록크웰경도계와 브린넬경도계, 낙하하중에 의한 반발높이를 시험하는 쇼어경도계를 사용하게 되었다.먼저 일반적으로 많이 사용되는 록크웰경도계의 측정을 하게 되었고, 120? 의 원뿔형다이아몬드를 압입체로 사용하는 C-scale(시험하중은 150kgf)로 SM45C와 Al2026에 대해서 실험을 진행하였다. 압입체로 시험편의 표면을 누른 후 다시 시험하중을 가하면 시험편은 탄성과 소성변형을 일으키게 되는데, 이 상태에서 시험하중을 제거하면 소성변형만 남게되고 영구압입자국깊이 h는 경도를 나타내는 척도가 된다. 실험에서는 다이얼게이지의 눈금이 가리키는 수치가 바로 경도를 나타내는 것을 알 수 있었고 두 가지 시혐편에 대해서 3번씩 측정을 반복해서 데이터를 얻을 수가 있었다. SM45C는 측정과정에서 한 조의 값이 다른 두 조와 차이가 많이 났기 때문에 그 값을 제외하고 2.75라는 평균을 계산했고, 실험방법이 많이 어렵지는 않다고 느꼈었는데 조사한 문헌 값과 실험결과가 상당한 차이를 보인 것을 보니까 실수가 있었거나 측정과정에서 눈금을 잘못 읽었을 가능성도 고려해보았다. Al2026의 경도는 6.03을 얻었고 12~14라는 실제 경도와 비교했을 때 약간의 차이를 보였음을 알 수가 있었다. 두 시험편에 대해서 문헌 값을 조사하는 과정에서 열처리 방법이나 가공 시의 조건에 따라서 경도 값의 차이가 있었던 것은 물론 시험편에 대한 정보를 얻는 것조차도 쉽지 않았기 때문에 잘못된 문헌 값을 가지고 실험결과와 비교했을 수도 있다고 생각된다.

공학/기술| 2013.05.18| 5페이지| 1,000원| 조회(384)

경도시험, 기계공학실험, 명지대, 록크웰, 쇼어, 브린넬

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인장시험

[ #3. 인장시험 ]1.인장시험기의 종류와 장단점- 인장 시험기는 하중을 가하는 방법에 따라 기계식 및 유압식으로 구별되며 인장/압축 겸용으로 사용하는 만능재료시험기가 주종을 이루고 있다. 또한 반복하중을 가할 수 있는 것과 그렇지 않은 기기로 분류하여 각각 동적 및 정적 시험기라 부르기도 한다. 어느 종류라도 인장시험기가 갖추어야 할 조건은 하중을 원하는 속도로 가할 수 있는 장치와 하중 측정 장치 및 시험편이 늘어난 길이를 측정할 수 있는 장치로 구성된다.1> 기계식 만능시험기- 모터를 구동시켜서 크로스헤드(crosshead)를 움직이는 시험기로 크로스헤드 속도가 일정하다는 점과 하중이완시험 등에 유리하다는 장점이 있으나 유압식에 비해 용량이 작으며 압축시험 시 모터에 과도한 부하가 걸리는 단점이 있다. 하중측정 장치는 시험기 대 밑에 부착된 멀티레버(multi lever)를 이용하는데 하중이 증가함에 따라 크로스헤드의 속도가 약간씩 변하기도 한다. 그러나 현재에는 로드셀(load cell) 및 폐회로 방식 등을 사용한 시험기가 등장하여 전술한 단점을 많이 보완시키고 있다.2> 유압식 만능시험기- 하중을 가하는 장치가 모터가 아닌 유압펌프를 이용한 시험기로서 펌프로 실린더에 기름을 공급하여 램을 작동시키고 램과 연결되어 있는 크로스헤드를 움직여 하중을 가한다. 하중측정방법은 유압을 측정하는 압력계를 달아서 측정한다. 유압식의 장점은 피스톤의 면적을 변화시켜 피스톤이 받는 압력을 조절할 수 있으므로 대용량의 시험기 제작이 가능하다는 점이다. 하중의 가감을 유압밸브를 조절하여 행하므로 하중속도는 조절이 가능하나 변형률 속도의 조절은 힘들다.- 암슬러 만능시험기(Amsler universal testing machine)- 볼드윈 만능시험기(Baldwin universal testing machine)- 모오 페데라프 만능시험기(Mohr Federhaff universal testing machine)- 시마쥬 만능시험기(Shimadzu universal testing machine)- 올센 만능시험기(Olsen universal testing machine)2. 표준인장시험편의 종류와 용도? KS B 0801에 근거하여,① 시험편은 그 모양 및 치수에 따라 1호에서 14호 시험편으로 구분하며 아래의 표에 나타나는 비례 및 정형 시험편으로 한다.시험편의 모양판모양봉모양관모양원호모양선모양비례 시험편6호, 7호, 14B호2호, 3호, 14A호14C호14B호정형 시험편1A호, 1B호, 5호, 13A호, 13B호4호, 10호, 8A호, 8B호, 8C호, 8D호11호12A호12B호12C호9A호9B호② 재료의 종류에 따른 시험편의 구분은 아래 표에 따른다.재료시험편비고구분치수비례정형판판 두께 40mm초과14A호4호, 10호봉모양 시험편을 채취하는 경우14B호-판모양 시험편을 채취하는 경우판 두께 20mm초과40mm이하14A호4호, 10호봉모양 시험편을 채취하는 경우14B호1A호판모양 시험편을 채취하는 경우판 두께 60mm초과20mm이하14B호1A호, 5호판 두께 3mm초과6mm이하5호13A 호,13B 호판두께 3mm이하-봉-2호,14A호4호, 10호선--9A호,9B호관관의 바깥지름 작은 것14C호11호관모양 시험편을 채취하는 경우바깥지름 50mm이하14B호12A호원호 모양시험편을채취하는 경우바깥지름 50mm초과170mm이하12B호바깥지름 170mm초과12C호관 지름 200mm이상5호판모양 시험편을 채취하는 경우살 두께가 두꺼운 것14A호5호봉모양 시험편을 채취하는 경우주조품-14A호4호, 10호---8A호,8B호연신율이 필요하지 않은 경우14A호8C호,8D호시험편용으로 주조한시험재료에서 채취단조 품-4호, 10호4. 기계적 특성을 계산하고 문헌결과와 비교? D0 = 12.7mm, L0 = 50mm에 대하여- 탄성계수E는 직선부분 중간지점의 기울기로 구할 수 있다.- 응력σ,- 항복점σY이 뚜렷이 나타나지 않으므로, 변형률이 0.2%가 되는 점에서 직선부분의 기울 기와 같은 기울기로 직선을 그어 응력-변형률 곡선과의 교차점으로 항복강도를 구한다.- 인장강도σmax( Pmax : 60.3467kN / 60.5361kN / 61.146kN )또는, 응력-변형률 곡선의 최대점으로 구할 수가 있다.- 연신률λ(%)( L : 62.5mm / 62mm / - )탄성계수E(kg/mm2)항복점σY(kg/mm2)인장강도σmax(kg/mm2)연신률λ (%)단면수축률φ (%)1조3418.5994448.562557.82조3358.74243.548.712455.23조3276.32245.149.2--평균3351.22144.248.824.556.5Pa단위32.84GPa433.2MPa478.2Mpa- 단면수축률φ(%)( D : 8.25mm / 8.5mm / - )※문헌결과와 비교- 시험편으로 연강을 사용했다는것을 토대로 얻은 데이터를 통해서탄소함유량을 추측하고 문헌결과와비교해 보았다.실험에서 48.8kg/mm2의 인장강도와약 24.5%의 연신율의 결과를 얻었고,이 결과를 가지고 오른쪽 그림을통해서 실험에서 사용된 시험편의탄소함유량이 0.15~0.28%인 연강임을 추측해 볼 수 있었다.5. 재료의 파단면 형상6. 결론 및 고찰- 본 실험은 크기와 형상이 정해진 시험편의 파단이 발생될 때까지 점증적으로 인장하중을 가해서 얻어지는 응력-변형률 곡선으로부터 원하는 기계적 물성 값을 얻는데 그 목적이 있다고 할 수 있겠다. 시험편으로는 연강이 사용되었고, 정확히 어떤 종류인지까지는 알 수 없었기 때문에 실험결과를 토대로 탄소함유량을 추측해보기로 했다.먼저 50mm로 정해진 시험편의 표점거리를 4구간으로 표시한 다음 스트레인게이지를 부착해서 인장 시험기에 장착하게되면, 위는 고정되고 아래에서는 인장하중을 작용하게 됨으로써 약 7분정도의 시간이 소요되면 파단에 이르게 된다. 모니터를 통해서 하중의 변화를 지켜볼 수 있으며 파단이 발생하게 되면 실험은 종료되고 얻은 데이터를 통해서 탄성계수, 항복점, 인장강도, 연신률, 단면수축률을 알아볼 수가 있게 되는 것이다.인장하중이 점증적으로 가해지게되자 재료의 인장강도(극한응력)를 지나면서부터 가운데부분이 가늘어지는 시험편의 necking현상을 관찰할 수가 있었고 곧 파단에 이르게 되었다.파단은 처음에 나눴던 4개의 구간 중 가운데 부분이라고 할 수 있는 2~3번째 구간에서 발생하게 되었기 때문에 오차가 작은 무난한 인장시험 결과라는 것을 알 수가 있었으며, 실험 후 늘어난 길이는 62.5mm, 수축된 파단단면의 지름은 8.25mm인 것을 측정하게 되었다.만능재료시험기에서 얻어지는 Load값으로부터 응력의 변화를 얻을 수가 있었으며 한번은 시험기를 통해 얻은 Position값으로부터 변형량δ으로 변형률ε을 구했고, 다른 한 번은 스트레인게이지로부터 변형률ε을 얻어서 두 가지의 응력-변형률 곡선을 그릴 수가 있었다.세 개조의 데이터 분석을 통해서 평균을 낸 결과 직선의 기울기를 통해서 3351.221kg/mm2(32.84GPa)의 탄성계수를 얻을 수 있었고, 44.2kg/mm2(433.2MPa)의 항복점, 48.8kg/mm2(478.2MPa)의 인장강도, 연신률은 24.5%, 단면수축률은 56.5%라는 결과를 얻을 수가 있었다. 항복점에 대해서는, 응력-변형률 곡선에서 상항복점이 뚜렷하게 나타나지 않았기 때문에 공칭변형률이 0.2%가 되는 점에서 직선부분의 기울기와 같은 기울기로 직선을 그어 응력-변형률 곡선과 만나는 점으로부터 0.2%offset 항복응력을 구할 수가 있었다. 하지만 재료의 실제 성질이 아니라 근사적으로 구한 것이라서 보통은 offset 항복응력 값이 실제 응력 값보다 조금 더 크게 나온다는 사실을 감안해야했다.시험편을 시험기에 장착하는 과정에서 정확하지 못했다면 실험결과에 영향을 줄 것이고, 주변온도 등 외부 환경적인 조건들이 주는 영향에 대해서도 무시할 수 없을 것이라고 생각했다. 그리고 시험편이 제작되는 과정에서 비등방성의 특징을 가지게 되었다면 골고루 하중을 받지 못해서 오차가 발생할 수 있다. 하지만 파단이 발생한 지점에 큰 이상이 없었고, 120Ω의 스트레인게이지도 납땜 후 121Ω이 측정되었기 때문에 그로인한 오차도 거의 없는 것으로 생각할 수 있었다. 다만 1조의 데이터 작성 중 두 곡선의 기울기에서 약간의 차이를 보였고, 실험도중 스트레인게이지를 조금 건드렸던 적이 있었는데 외부자극에 민감하다는 점을 고려해보면 그로 인해서 오차가 생겼을 가능성에 대해서도 생각해 볼 수 있었다.

공학/기술| 2013.05.18| 5페이지| 1,000원| 조회(655)

인장시험, 기계공학실험, 명지대 인장시험

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OP AMP

[ #2. OP AMP 응용 신호조화]1. 실험목적- 정밀 계측이나 시스템 제어를 위해서는 측정된 신호의 상태를 개선하는 신호 조화 기능이 필요하다. 본 실험에서는 수동 소자만을 사용한 HFT, LFT 실험과는 달리 OP AMP(연산 증폭기)를 사용하여 구성 가능한 능동형 미분기와 적분기의 기본적인 원리를 이해하고, 회로 구성을 통해 각 회로의 특성을 직접 경험해보는데 그 목적이 있다고 할 수 있다.또한 만능기판에 능동형 적분기를 구성하여 Breadboard에서의 회로와 신호를 비교해 본다.2. 관련이론1> OP AMP란?- OP amp는 연산 증폭기(operational amplifier)의 준말로써, 증폭도가 대단히 큰 전압증폭회로를 말하며 아날로그 IC의 일종이다. 기본적 증폭기는 필수적으로 매우 높은 개방 루프 이득과 고입력 임피던스 및 저출력 임피던스를 갖는 차동 증폭기이다. 초기에는 아날로그 계산기 등에 널리 사용되었으나 최근에는 능동필터, 미적분기, 비교기, 신호변환기, 함수 발생기, 서브 제어기, 통신 기기 등 응용범위가 광범위하게 쓰인다.- 바이폴러 트렌지스터나 FET를 사용하여 이상적 증폭기를 실현시킬 목적으로 만든 아날로그 IC(Integrated Circuit)로서 원래 아날로그 컴퓨터에서 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등을 수행하는 기본 소자로 높은 이득을 가지는 증폭기를 말한다. 이것은 (＋) 및 (－) 2개의 입력 단자를 가지며, 외부 되먹임 회로를 첨가하여 사용한다. 저항, 커패시터, 다이오드 등 연산증폭기의 외부회로에 붙은 몇 가지 소자를 바꿈으로써 여러 가지 선형 또는 비선형 동작을 안정되게 행할 수 있다. 연산증폭기는 증폭율이 매우 크게 트랜지스터 등을 미리 연결하여 놓은 직결식 차동증폭기로서 거꾸로 되먹임(negative feedback)을 함으로서 증폭율을 조정할 수 있고 또, 증폭율의 안정도를 높일 수 있는 이점이 있다. 전압 또는 전류신호의 더하기, 빼기, 곱하기, 나누기 및 미분, 적분 등의 연산작업에 쓰이기 때문에 연산증폭기라는 이름이 붙었다. 요즈음은 여러 종류의 연산증폭기가 아주 싼 값에 공급되고 있기 때문에 아날로그 시스템 설계에 있어서 연산증폭기가 차지하는 비중이 상당히 커졌다.※ 이상적인 연산 증폭기의 특징① 이득이 무한대이다.(개루프) │Av│= ∞② 입력 임피던스가 무한대이다.(개루프) │Av│= ∞③ 대역폭이 무한대 이다. Ro = 0④ 출력 임피던스가 0이다.⑤ 낮은 전력 소비⑥ 온도 및 전원 전압 변동에 따른 무영향 (zero drift)⑦ 오프셋(offset)이 0이다. (zero offset)⑧ CMRR이 무한대이다.(차동증폭회로)- offset voltage : 입력 회로의 신호가 제로 임에도 불구하고 출력이 발생하는 경우,이것을 조정하여 출력을 제로로 하기 위해 입력 단자에 가하는 전압.2> 적분회로 (교류 적분기)- R1이 적분기의 입력 임피던스이므로 신호원의내부 임피던스를 고려하여 최소치를 정하게되는데, 이로 인해 적분 캐패시터의 상한 값도제한함.- 교류 적분기 : 입력 오프셋 전압과 입력 오프셋 전류의 영향으로 인해 출력 전압이 포화될 수 있 으므로, 이러한 직류 성분에 대해 이득을 제한함.- 교류 적분기의 보드 선도로부터 회로가 연산적분기로 동작하는 주파수영역을 알 수 있다.- R3는 오차를 보정하기 위해 존재하므로 회로 구성시에는 무시한다.※적분기가 동작하는 주파수영역 ※연산 적분기의 출력 파형 예3> 미분회로- 반전 입력 단자에 키르히호프 전류 법칙을 적용정리하면,따라서 출력전압이 입력전압의 미분값에 비례한다.- R2C1 : 미분기의 시간상수와 이득을 나타낸다.※미분기가 동작하는 주파수영역 ※연산 미분기의 출력 파형 예3. 실험방법① 회로를 구성하고 오실로스코프로 함수 발생기의 신호 파형을 확인한다.② 상기 신호를 회로의 입력부에 연결한다.③ 필터를 거친 출력신호의 파형을 오실로스코프로 확인한다.④ 입력파의 주파수를 변경해가면서 출력파의 변화를 확인한다.→ 능동형 적분기 연결방식- 병렬로 구성된 R1과 C를 R2와 직렬로 연결한다.- 이론적인 회로 상에서의 R3는 오차를 보정하기 위해 존재하므로 무시한다.- OP AMP의 1번, 5번, 8번 PIN은 사용하지 않는다.- OP AMP의 2번 PIN을 통해 입력전압의 신호를 확인한다.- OP AMP의 3번 PIN은 Ground로 사용한다.- OP AMP의 4번 PIN을 통해 DC 전원 공급 장치로부터 -15V를 입력받는다.- OP AMP의 6번 PIN을 통해 출력전압의 신호를 확인한다.- OP AMP의 7번 PIN을 통해 DC 전원 공급 장치로부터 +15V를 입력받는다.→ 능동형 미분기 연결방식- 미분기 회로를 구성하고 OP AMP의 연결방식은 적분기와 같다.4. 실험결과1> 능동형 적분기① 교류 적분기 회로 구성 모습 ( Bread board )- 저항 R1 : 220Ω- 저항 R2 : 100Ω- 커패시터 C : 0.1μF② 오실로스코프를 통해 확인한 신호 파형 ( Bread board )→ 약 30kHz(실제 29.920kHz)의 주파수를 통과시켰다.→ 적분기가 동작하여 입력된 사각파가 삼각파의 모습으로 출력되는 것을 확인했다.③ 만능기판을 이용한 적분기 회로 구성 모습- 납땜을 이용해서 회로를 구성- 저항과 커패시터는 Bread board에서와같은 용량을 사용한다.저항 R1 : 220Ω저항 R2 : 100Ω커패시터 C : 0.1μF④ 오실로스코프를 통해 확인한 신호 파형 ( 만능기판 )→ 약 30kHz(실제 29.58kHz)의 주파수를 통과시켰다.→ 적분기가 동작하여 입력된 사각파가 삼각파로 출력되는 모습을 확인했다.→ Bread board로 구성한 회로에서의 모습과 비슷하긴 하지만 nosie가 발생했다.2> 능동형 미분기① 미분기 회로 구성 모습- 저항 R : 20000Ω- 커패시터 C : 0.1μF② 오실로스코프를 통해 확인한 신호 파형→ 약 4kHz의 주파수를 통과시켰다.→ 미분기가 동작하여 입력된 삼각파가 사각파의 모습으로 출력되는 것을 확인했다.→ 능동형 미분기에서의 주파수 응답여기서,즉,의 관계가 성립하는지 확인해 볼 수 있다.실험결과를 통해임을 알 수 있었고,이므로정확하진 않지만 관계식에 적용해보면가 14V보단 작은 값이 나와야 한다.실험에서 통과시킨 주파수는이므로 관계식에가까워지기 위해서는 통과시킨 주파수를까지 낮췄어야 한다.→ dB = 20 log ()값을 위 log식에 대입해서 dB값을 구한다.4kHz에서이다.5. 결론 및 고찰- 본 실험은 OP AMP를 이용하여 능동형 적분기와 미분기를 구성해봄으로써 기본적인 개념과 원리를 이해하고, 결과를 통해서 특징을 살펴보는데 그 목적이 있다고 할 수 있겠다.수동소자만을 가지고 HPF와 LPF 회로를 구성하고 차단주파수를 기준으로 위상차를 통해 미분 혹은 적분의 여부를 확인했었던 저번 실험과는 달리, 사각파 혹은 삼각파를 통과시킴으로써 적분기와 미분기의 기능에 대해서 확인해 볼 수 있는 실험이었다. 이론적으로는 적분기를 구성하고 사각파를 통과시키면 삼각파로 출력되고, 미분기를 구성해서 삼각파를 통과시키면 사각파로 출력이 되어야 했고 실험을 통해 그 결과를 확인해 보기로 했다.먼저 능동형 적분기를 구성하기 위해서 breadboard에 OP AMP를 장착하고 8개의 핀 중 3개의 핀을 제외하고 각 각 오실로스코프와 함수발생기, DC전원 공급 장치와 연결을 했다.사용된 저항 R1은 220Ω, R2는 100Ω, 커패시터C는 0.1μF이었고 R1과 C를 병렬로 연결한 후에 다시 R2와 직렬로 연결하는 방식이었다. OP AMP와의 연결방법이 처음에는 이해하기가 어려워서 실수가 많았지만 여러 번을 반복한 끝에 입출력의 신호를 확인해 볼 수가 있었고, 한 번 회로 구성을 하고나니까 연결 방법도 이해가되고 원리만 알면 생각보다 복잡하지 않은 것 같다고 생각되었다. 능동형 적분기의 회로를 완성하고 함수발생기를 통해 주파수를 사각파로 통과시켰고, 약 30kHz에서 정확한 형태는 아니지만 삼각파가 출력되는 모습을 확인할 수 있었다. 이 사실을 바탕으로 적분기 회로의 구성이 잘 되었다고 판단을 했고, 다음으로 만능기판에 회로를 구성함으로써 같은 결과가 나오는지 비교해 보았다.만능기판에도 역시 breadboard에 사용했던 똑같은 용량의 저항들과 커패시터를 사용했고,차이점은 breadboard에서는 전선을 꼽기만 하면 내부적인 연결이 가능한 반면 만능기판에서는 납땜으로 회로 구성을 하기 때문에 납땜여부에 따라 결과가 잘못 나올 수가 있었다.납땜을 하는 과정에 실수는 없었다고 생각했지만, 오실로스코프를 통해 확인한 신호에서는 breadboard에서와 비슷한 적분의 원리가 작용되긴 했지만 noise가 발생하는 모습을 확인할 수 있었다. 이번 실험에서는 정확한 차단주파수를 찾아 주파수의 높낮이를 바꿔가면서 낮은 주파수대역을 차단하고 고주파 대역을 통과시키는 모습을 확인하는 것 보다는, 연산증폭기를 사용해서 신호를 증폭시켜 적분기의 원리가 작용하는지 확인하는데 중점을 두었다고 생각된다. 그리고 직접 만능기판에 회로를 한번 더 구성해봄으로써 원리를 이해하는데 도움이 되었고 납땜여부에 따라서도 원하는 신호가 출력되는가에 대해서 생각해 볼 수가 있었다.

공학/기술| 2013.05.18| 7페이지| 1,000원| 조회(259)

기계공학실험, 명지대, OP AMP 응용신호조화

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