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내연기관(추진기관) 평가A+최고예요

추진기관- 항공기에서 추력을 발생시키는 장치- 라이트형제(1903년) : 왕복기관제 2차 세계대전 전 : 성형기관제 2차 대전 이후 : 가스터빈( ※ 성형기관 : 한 개의 크랭크축을 중심으로 실린더를 별 모양으로 배열한 기관 )1.1 추진기관의 요구조건① 추력대 중량비가 작아야 함.- 항공기의 무게는 비행성능 및 경제적인 운용에 직접적인 영향을 미치기 때문에 항공기의 추진기관은 가볍고 높은 출력을 내는 것이 요구됨. 따라서 마력당 중량비가 작아야 함.② 높은 신뢰성- 첫째, 기관의 점검, 정비 및 작동조작이 적절하게 수행되었을 때 기관 고장이 없어야 하며, 둘째 부품이나 장비의 작동이 원활하고 수명이 길어야 하며 또한 교환이 쉽고 값이 싸야 함.③ 강한 내구성- 내구성은 기관의 수명을 말하며 내구성의 척도로는 TBO(Time Between Overhaul)를 사용.④ 높은 열효율- 추진기관의 열효율이 높을수록 연료소모율이 작아져 항속 거리가 증가 하거나 유효하중이 늘어남. 따라서 경제적 운용이 가능.⑤ 좋은 정비성.- 모든 기관은 주기적으로 검사 및 정비를 해야 함. 정비와 부품의 교환이 쉬우면 정비시간을 단축할 수 있어 항공기의 가동시간을 길게 할 수 있음.⑥ 환경변화에도 원활한 작동- 항공기는 기상에 따른 환경의 변화가 심한 곳을 비행해야 하기 때문에 추진기관은 온도와 밀도의 변화에 따라 작동 상태나 출력의 변화가 작아야하고 완속(idle)으로부터 최대 출력 범위에 걸쳐 원활하게 작동 할 수 있어야 함.⑦ 저진동과 저소음.1.2 추진기관의 분류1.2.1 가스터빈 기관의 종류(1) 터보제트(turbojet) 기관- 터보제트 기관은 비교적 소량의 공기를 고속으로 분출시키기 때문에 소형 경량으로 큰 출력을 얻을 수 있음.- 비행 속도가 빠를수록 효율이 좋고 특히 천음속으로부터 초음속에서 우수한 성능을 나타냄- 그러나 저속에서는 효율이 감소하고, 연료 소모율이 증가함.- 또한 배기가스를 고속으로 분출시키기 때문에 배기소음이 심한 결점임.- 에프터 버너를 병용하면 도록 개발된 기관.< 터보프롭 엔진(Turboprop Engine) >(4) 터보축(turboshaft) 기관- 터보축 기관은 가스터빈의 출력을 100% 모두 축동력으로 발생시킬 수 있도록 설계된 기관으로 주로 헬리콥터용 동력장치로 사용됨.- 대개의 경우 압축기용 터빈과는 기계적으로 독립된 자유터빈에 의하여 감속기어를 거쳐 회전동력을 얻게 됨.- 배기가스의 폐열을 이용하여 효율을 최대로 얻도록 한 후 자동차, 선박, 및 발전기 구동용으로도 많이 이용되고 있음.< 터보축 기관 >< 터보축 엔진(Turboshaft Engine) >1.2.2 왕복기관의 종류- 항공기용 왕복기관은 라이트 형제의 동력비행 이래 가스터빈 기관이 나오기까지 40여 년간 발전해 온 동력 장치로서 현재는 물론 앞으로도 계속 많이 사용될 것임.- 가스터빈 기관에 비해 여러가지 단점이 많기 때문에 소형기관만이 생산되고 있는 실정임.(1) 항공기용 왕복기관의 종류① 사이클- 4행정 기관과 2행정 기관으로 분류되나, 특수한 경우를 제외하고는 4행정기관이 사용됨.② 냉각 방법- 공랭식과 수냉식 기관으로 분류되며 현재 항공기용 왕복기관은 공랭식 기관이 사용됨.③ 실린더 배열 방식- 직렬형, 수평대향형, V형, X형, 이중 V형, 성형(radial type) 및 2열 성형 등으로 분류되며, 현재는 거의 대부분 수평대향형과 성형기관 만이 사용됨.- 수평대향형 기관은 크랭크 케이스 양쪽에 수평으로 실린더를 마주 보도록 배열한 것으로 경비행기에 널리 사용됨. 이 기관은 구조가 간단하고 기관의 전방면적이 작아 공기의 저항을 줄일 수 있는 장점 이 있으나 실린더를 많이 장착하면 기관의 냉각이 어렵기 때문에 큰 마력의 기관에는 적합하지 않음.- 성형기관은 장착된 실린더의 수에 따라 200∼3,500 마력의 동력을 낼 수 있음. 성형기관의 장점은 기관당 실린더의 수를 많게 할 수 있어 진동이 적고, 다른 형식에 비하여 마력당 중량비가 작기 때문에 대형 및 중형 기관에 적합함. 그러나 전면면적이 넓어 공기의 저항이 큰기관에만 한정됨. (2) 로켓 추진 원리- 제트 추진의 한 형태인 로켓 추진은 가스 분출에 의해 발생하는 후방추진력에 대한 물체의 반작용에 기초를 두고 있음. 추진력은 비행체가 지나가는 매질과 전혀 상관없음.- 물리적 원리는 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 존재한다는 뉴턴의 운동 제3법칙에 의해 설명됨.- 화학추진제 로켓의 제트는 추진제 혼합물이 추력실(연소실)에서 태워져 연소 가스가 생성되어 노즐을 통해 초음속으로 분출. 적절히 설계된 수축-확산 노즐에서의 가스 속도는 노즐 목(가장 좁은 지점)에서 음속이 되고, 노즐이 확산(분출)되는 끝부분으로 이동하면서 초음속이 됨.- 분사추진 장치의 특별한 형태인 로켓은 터보제트 기관, 펄스제트 기관, 램제트 기관과 관련이 있으나, 추진 분사에 필요한 요소(연료와 산화제) 모두를 비행체 내부에 싣는 점이 다름.- 추진력은 근본적으로 가스의 운동량과 같으므로 배출 가스의 무게와 속도의 곱과 같음.추진력 : F = W/g×Ve여기서 F는 추력, W는 추진제 유동률, g는 중력가속도, Ve는노즐 분출속도.- 로켓 기관의 운동 에너지는 연소에 의한 화학 에너지가 전환되는 것이므로 추진제의 단위 무게당 높은 열화학 에너지가 필요함. 실제 로켓에서 분출되는 제트의 운동 에너지는 추진제의 연소로 생기는 이론적인 열 에너지의 40~70％에 불과함.- 효율적인 장거리 로켓을 설계할 때는 로켓 구조물의 무게를 최소로 줄이고 추진제의 백분율 무게를 최대로 증가시켜야 함. V-2의 경우에는 이륙중량의 69%가 추진제였지만, 현대의 저단 부스터들은 94％ 정도가 추진제임.- 로켓 추진장치 가운데 화학추진제를 사용하지 않는 2가지 형태는 핵과 전기를 사용하는 것이 있는데, 이 장치들은 제2차 세계대전 이후에야 진지한 관심이 모아졌으며, 우주비행계획에 특별히 응용됨.(a) 로켓 모터(고체추진제)◈ 특징- 로켓 모터는 구조가 비교적 간단하고 사용하기 편리함.- 모든 추진제는 분사 노즐이 부착된 연소실(추력실)에 저장되고, 전기나 이러한 물질들은 공급이 부족하고 가격이 매우 비쌈.- 1926년 고다드는 역사적인 로켓 시험비행에 액체산소와 상업용 가솔린 을 사용했음. 독일인들은 V-2 로켓에 액체산소와 알코올을 사용했음.- 1970년대초까지 미국에서 가장 널리 사용된 2원 추진제는 액체수소와 액체산소, 액체산소와 RP-1, 에어로진 50과 사산화질소 등이 있음.- 비록 수천 가지의 연료와 산화제에 대한 실험이 수행되었지만, 완전히 이상적인 추진제는 발견되지 않았음.- 액체추진제는 반응열, 연소 생성물의 평균분자량, 열이나 충격에 대한 안정성, 반응속도, 점화특성, 농도, 점도, 증기압, 비열, 침식성 등이 로켓 설계자들에게 기술적으로 중요함.(c) 하이브리드 로켓◈ 특징- 하이브리드 로켓은 고체 연료와 액체 연료를 같이 사용하는데, 조절이 용이한 액체 연료의 장점과 사용이 편리하고 강한 추진력을 내는 고체 연료의 장점을 살린 것.- 하이브리드 로켓은 이전에 사용하였던 고체연료 Terrier-Brant 로켓에 비해 추력조절이 가능하므로 공기 흡입식 실험에서 궤적을 맞출 수 있다는 점에서 대단히 매력적임.- 하이브리드 연료 로켓은 추력조절이 될 수 있고 비행중에 연소 중지와 재시동이 가능함.- 하이브리드 로켓은 고체연료의 후퇴율이 낮음.(다고포트를 가진 그레인 을 사용하여 단점 보완)- 연소기 내부 표면의 선단과 끝단까지 분포하는 산화제의 양이 다르므로 연소되는 고체연료의 양이 다르며, 연소말기에는 연소되지 않은 추진제 가 남아있게 됨.◈ 하이브리드 추진제- 관측로켓 비행에 사용된 비활성 연료인 HTPB(Hydroxyl-Terminated PolyButadiene)는 AP(Ammonium Perchlorate)와 기타 대단히 폭발하기 쉬운 화학제품을 기반으로 하는 표준 고체추진제에 비해 취급하기가 훨씬 더 안전함.(d) 다른 추진장치들◈ 핵 추진장치- 신뢰할 수 있는 핵 분열원자로가 개발되어 로켓용 동력원으로서 핵 에너지가 고려됨.- 에너지는 화학반응의 연소열로 얻는 것이 아니고 핵 분열로 소비가 적음.- 왕복기관은 옥탄가가 높은 고급 휘발유를 사용하지만, 가스터빈 기관은 가격이 싼 연료를 사용함.- 가스터빈 기관은 비행속도가 커질수록 효율이 좋아져 초음속 비행도 가능함.- 가스터빈 기관은 연료의 소비량이 많고, 소음이 심한 결점이 있음.(1) 가스터빈 기관의 구조- 가스터빈 기관은 압축기, 연소실 및 터빈으로 구성되어 있음.< 가스터빈 엔진 >◈ 압축기(compressor)- 원심 압축기(centrifugal compressor)와 축류 압축기(axial compressor) 등이 있음.- 압축기는 제한된 체적의 연소실에서 가열되어 터빈을 통과하면서 팽창 하게 될 공기를 최대한의 압력으로 상승시켜주는 장치로, 터빈에서 공급 되는 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 전환시켜 공기의 퍼텐셜을 높임.- 압축기는 공기를 압축할 때 최소한의 온도상승으로 최대한의 압축을 얼마나 효율적으로 할 수 있는가 하는 것이 전체엔진 성능을 결정하는 주요인자임. (자동차에서는 터보 인터쿨러 이용)- 압축기 효율은 일정유량 공기의 압력상승에 요구되는 동력에 따라 결정 되며, 연소실 내부에서 발생하는 온도변화에도 상당한 영향을 줌.(a) 원심 압축기(centrifugal compressor)① 구 성- 임펠러, 디퓨저, 매니폴드② 작동 원리:- 중심의 흡입 매니폴드에서 공기를 흡입하여 임펠러 회전에 의해 원주 방향으로 가속되고 디퓨저의 확산 통로를 통해 속도 에너지가 압력 에너지로 변환되어 매니폴드를 통해 연소실로 공급.③ 장 점- 단당 압력비가 높음.- 제작이 쉽고 값이 저렴.- 구조가 튼튼하고 가벼움.④ 단 점- 압축기 입, 출구의 압력비가 낮음.- 효율이 낮음.- 많은 공기를 처리할 수 없음.- 전면 면적이 커서 항력이 큼.- 다단 제작이 곤란(보통 2단까지 사용).- 주로 소형 기관에 사용< 원심 압축기 >(b) 축류 압축기(axial compressor)① 구 성- 로터(rotor; 동익, 회전자), 스테이터(stator; 정익, 고정자)- 로 터 : 여러 층의분사

공학/기술| 2008.01.05| 20페이지| 1,000원| 조회(1,119)

내연기관, 엔진, 로켓, 가스터빈, 추진

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플라즈마 평가A+최고예요

제..........목?플라즈마 질화 / DLC 코팅 처리한 고속도강의 표면특성에 미치는 펄스비의 영향제..목(영문)?Research Paper : Surface Treatment / Effects of Pulse Ratio on the Surface Characteristics of the Plasma Nitrided and DLC Coated High Speed Steels저..........자?정구환 , 황민선 , 김명호 , 이종무 , 박주승 ( Goo Hwan Jeong , Min Sun Hwang , Myung Ho Kim , Chong Mu Lee , Joo Seung Park )발 행? 년 도?1999발 행? 기 관?대한금속재료학회 ( 구 대한금속학회 )발 행? 정 보?대한금속재료학회지(대한금속학회지), Vol.37, No.1, ??Startpage 84, Endpage 90, Totalpage 7주제 키워드?High speed steels, Pulse ratio, Micro-pulsed plasma nitriding, Duplex treatments, Diamond-Like carbon films, Adhesion, Scratch test.1. 목적(서론)세라믹 코팅막들은 높은 경도와 고온 안정성등의 장점이 있으나 강(steel)에 대한 마찰계수가 0.3~0.8정도로서 비교적 높은 값을 보인다. 반면에 DLC 막은 높은 경도(3000~4000kg/mm)와 낮은 마찰계수(0.1~0.2)의 조건을 모두 만족시킬 뿐만 아니라 DLC막의 증착조건도 상온에서 단시간이면 충분하기 때문에 매우 경제적이다. 그러나 막내의 응력(internal stress)이 높고 강에 대한 접착력이 나쁜 단점이 있기 때문에 DLC막의 강에 대한 계면 접찹력(adhesion)을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다. 이러한 연구의 대부분은 모재와 DLC막 사이에 중간층(interlayer)을 형성시킴으로써 접착력 향상을 도모한 것이다. 일반적으로 계면 접착력은 증면개질 처리의 대표적 방법으로 많이 이용되고 있으며, 현재 펄스질화 저압질화 복합처리 등의 새로운 처리기법 및 장치의 개발과 더불어 발전이 계속되고 있다. 펄스 이온질화는 종류의 직류전원(DC)질화시 발생되었던 아크(Arc)에 의한 처리물의 손상(Damage)을 극소화 할 수 있으며, 복잡한 형상을 가진 부품의 질화처리시 형상제한성을 극복할 수 있고, 또한 펄스비(Pulse ratio)의 적절한 조절을 통화여 화합물층내 기공의 발생 억제 및 낮은 표면조도에 기인한 윤활성의 향상등을 도모할 수 있다. 한편 복합처리(duplex treatment)는 일반적으로 확산에 의한 방법과 증착에 의한 방법의 조합으로 이루어지는데 예로서는 플라즈마 질화처리를 한 다음 천이금속의 질화물, 산화물, 탄화물 등을 증착시킨 것을 들 수 있다.* 플라즈마의 어원플라즈마라는 말은 그리스어에 근원을 두고 있다. 고대 그리스어에 plassein이라는 말이 있었다. 이것은 '형태가 있는 것을 만든다(즉 성형한다.)'는 의미의 동사였다. 그 어간은 plas이나 이로부터 파생된 말에 plasma(형태가 만들어진 것)나 plastikos(형태를 만드는 것의, 형태를 만들 수 있는)등이 있었다.그런데 이 두 그리스어 중에서 plastikos 쪽은 현재도 원래대로의 의미로 쓰이고 있는데, 예컨대 영어의 plastic art(조형 미술), plastic surgery(정형외과), plastic(열이나 압력을 가하여 성형되는 재료, 또는 그 제품, 이른바 플라스틱) 등은 그런 의미로부터 생긴 말이다.그러나 plasma라는 말은 약간 복잡한 과정을 거쳐 왔다. 중세 교회 용어로는 '인간에 의해서가 아니고, 조물주에 의하여 만들어진 것'이라는 의미로 쓰이기 시작했고, 인공으로는 만들 수 없는 신비성을 지닌 창조물이라는 의미를 띠었던 것 같다.* 플라즈마의 상태플라즈마 상태는 그 밀도와 온도를 그 주 파라미터로 사용하며 이 두가지 요소에 따라 우리주변에서도 쉽게 찾아 볼 수 있는 플라즈마 상태들, 즉, 네온hemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등 에서 이용되고 있으며, 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며, 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다.*DLC*대표적 플라즈마 현상(1) 전리층전리층은 영어의 이온(ion)이란 단어와 영역(sphere)이라는 단어가 결합되어 이루어진 것으로 고층 대기 구성물질의 이온화 정도에 따라 구분되는 영역을 일컫는 말이다. 즉, 물리적으로 보면 구성 입자들의 이온화 정도가 매우 중요한 물리적 요인으로 작용하는 영역이다. 전리층의 영역의 범위는 전리층을 보는 시각에 따라 차이가 있다. 전리층을 이용한 통신을 연구하는 사람의 관점에서 보면 최고 높이가 600-800km 사이지만 전리층의 물리적 특징을 연구하는 관점에서 보면 최고 2,000km까지 확장할 수 있으므로 전리층 영역은 지표면 상공 65km부터 2,000km까지의 공간이라고 할 수 있다.전리층은 태양으로부터 복사되는 극자외선(EUV : Extreme Ultra-Violet)과 X-선과 같은 전자기 방사(빛의 일종)와 먼 은하로부터 오는 우주선(cosmic ray)이 지구의 상층 대기의 구성 원자를 이온화시킴으로써 생성된다. 고층 대기 높이에 따른 이온화 정도는 빛의 파장 함수로써 간단히 나타낼 수 있으므로 태양 복사세기와 전리층을 이루고 있는 중성가스의 이온화 정도에 의존한다. 따라서 태양복사가 대기를 투과하는 복사 경로가 길어질수록 복사강도가 약해지므로 결과적으로 태양의 천정 각에 의존하며 최대 이온화가 나타날 때는 천정 각이 0■일 경우이다. 즉, 태양이 머리 위에 있을 때가 전리층 구성 원소들의 이온화 정도가 가장 크며 이 때가 전리층의 전자밀도가 가장 높게 나타나게 되는 것이다.(2) 거대한 플라즈마 구, 태양태양은 지구에서 평균거리 1억 4960만km에 있으나, 지구가 근일점(近日點)을 지나는 1이 수소, 다음이 헬륨이고, 이 밖에 극히 적은 양의 나트륨, 마그네슘, 철 등 지구상에서 알려진 원소 약 70종이 기체상태로 존재하는 것이 확인되었다. 육안으로 보아 둥글고 빛나는 부분을 광구(光球)라고 하는데, 이는 물론 기하학적인 면이 아니고, 표면에서 깊이 약 300km까지의 층으로 그 온도는 약 6,000℃ 이다. 이보다 더 깊은 곳으로부터 나오는 빛은 도중에 있는 물질에 흡수되어 밖으로 나오지 못한다. 따라서 태양의 내부는 직접 관측할 수 없고, 표면의 상태로부터 이론적으로 추정한다. 현재 태양의 중심부는 온도 1500만℃, 압력은 약 30억atm인 초고온 ?초고압의 기체로 이루어졌고, 가장 많이 있는 수소의 원자핵(양성자)이 충돌해서 열핵융합반응(熱核融合反應)을 일으켜, 양성자 4개가 헬륨의 원자핵(α입자)으로 뭉치고, 이 때 질량의 0.7 %가 소실하여 에너지로 바뀌는 원리로, 태양이 매초 방출하는 방대한 에너지를 생산하고 있는 것으로 생각된다. 온도는 광구의 아래쪽에서 상층으로 가면서 내려갔다가 채층(彩層)에 들어가면 다시 오르기 시작한다. 채층은 광구 밖으로 이어지는 극히 얇은, 두께 약 1만km의 층으로, 개기일식에서 광구가 달에 가려질 때 붉은 색으로 빛나는 데서 그 이름이 유래한다. 또, 바깥쪽에는 역시 개기일식 때 태양의 반지름 또는 그 2배 정도까지 희게 빛나는 코로나(corona)가 있다. 온도는 100만℃나 되는 고온이지만, 극히 희박하기 때문에 가장 밝은 아래 부분에서도 광구의 밝기의 100만분의 1 정도로 매우 약하다.(3) 번개번개의 줄기 부분이 빛나는 것은 플라즈마 상태의 일종이다. 번개가 나타나는 현상의 원인중 하나인 ‘전자 사태’가 진행하는 곳에 가느다란 선 모양의 플라즈마 상태의 부분이 남는다. 이것이 ‘스트리머’이고 여기서 심한 충돌이 반복하여 일어나 높은 온도로 되어 있어 플라즈마 상태가 형성된 것이다. 이런 스트리머 현상이 자연계에서 일어나는 번개인 것이다.3.실험방법①시편 전처리SKH-9 강종은 Mo계열의 고속실험에서는 펄스의 미세제어를 위하여 펄스 인가(Pilse on time) 및 휴지(pulse off time)시간을 15us~30,000us까지 자유롭게 변화시킬 수 있도록 설계 제작된 플라즈마 질화처리 장비를 이용하여 실험을 행하였다. 질화처리시 펄스비 변화에 따른 질화처리후 표면의 상태가 복합처리층의 표면 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 처리변수로는 펄스비만을 설정하였다. 여기서 펄스비는((플라즈마 유지시간)/(플라즈마 유지시간 + 플라즈마 휴지시간))으로 정의되는데 보통 Cyclic rato 또는 Duty cycle과 동일하게 사용된다. 질화처리의 세부적인 조건은 표2에 나타내었다. 한편 질화처리한 시편은 450℃에서 30분간 Ar스퍼터링을 거쳐 CH4:N2:H2=66:24:10(vol%), 20min, 80W의 조건으로 r.f-PACVD(Plasma assisted chemical vapor deposition)장치에서 DLC막을 합성하였으며 펄스비의 영향을 살펴보기 위해 DLC막의 합성조건 역시 각각의 시편에 대하여 동일하게 실시하였다.③질화층 및 복합층 특성평가마이크로펄스 플라즈마 질화처리의 영향을 살펴보기 위하여 질화처리한 후와 복합처리한 후로 나누어 각 단계마다 특성평가를 행하였다. 우선 시편의 수직 절단면을 경면연마한 후 4% Nital 용액으로 부식하여 화합물층 및 확산층의 미세 조직을 광학현미경 및 주사전자현미경으로 관찰하였따. 질화층의 경도 분포는 마이크로비커스 경도기를 이용하였고 이때 층정하중은 100g으로 하였으며 경도값(Hv0.1)은 각 깊이마다 5회이상 측정하여 최소, 최대값을 제외한 값의 산술평균값으로 삼았다. 질화층의 두께는 부식 후 미세조직상에 나타난 모재/질화층영역 간의 뚜렷한 명암차이로써 파악이 가능하였으며, 또한 경도분포곡선경도값이 급격히 저하되는 지점으로부터 구할 수 있었는데 그 두 방법으로 구한 값은 거의 일치하였다. 표면에 생성된 상의 변화는 Cu-K∝선을 사용한 X선회절시험기(Model: PW3040, PHI

공학/기술| 2008.01.05| 11페이지| 1,500원| 조회(373)

기계공학실험, 플라즈마, 증착법, DLC

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creep

1.크리프 정의시편에 일정하중이나 응력을 특정온도에서 오랜 시간 유지하면 시간이 경과함에 따라 추가적인 strain이 발생하는데 이것을 크리프(creep)라 한다. 즉, 외력이 일정하게 유지되어 있을 때, 시간이 흐름에 따라 재료의 변형이 증대하는 현상을 뜻한다.재료가 일정한 온도하에서 일정한 응력의 영향을 받을때 특정 시간 동안 발생하는 변형으로 금속에서 크리프는 일반적으로 고온에서 발생한다. 실온에서의 크리프는 소성 재료에서 더 일반적이며, cold flow 나 deformation under load로 불리운다. 크리프 시험에서 얻어진 데이터는 보통 일정한 응력과 온도에서의 크리프 대 시간 그래프로써 표현된다. 곡선의 기울기는 크리프율이고 곡선의 끝점은 파단 시간이다. 표시되는 그래프에 따르면 재료의 크리프는 3단계로 나누어질 수 있다.① 제1기(제1크리프)에는 빠른 속도로 시작하고 시간에 따라 느려진다.② 제2기(제2의) 크리프는 비교적 일정한 속도이다.③ 제3기(제3의) 크리프는 속도가 가속되고 파단 시간에 재료의 파괴에 의해 종결된다.* 가스터빈 ·로켓엔진과 같이 고온에서 운전되는 것에는, 설계할 때 크리프에 대해 고려할 필요가 있다. 갖가지 재료의 내(耐)크리프성(性), 크리프 한도 등을 알기 위한 시험을 크리프 시험이라고 한다. 크리프 곡선의 형(型)은 온도나 변형력(응력)에 따라 다르다.1) Creep Test (크리프 시험)응력을 일정하게 하고 변형률의 시간변화를 조사. 크리프나 응력이완 성질을 측정하기 위한 방법. 크리프의 특성들을 측정하기 위해서 재료는 일정한 온도에서 긴시간 일정한 인장이나 압축하중을 받는다. 일정 시간 간격으로 변형이 기록되고 크리프 대 시간의 그래프를 그린다. 어떤점에서의 곡선의 기울기가 creep rate(크리프율)이다. 만약 파괴가 발생하면, 시험은 종료되고 파단시간을 기록한다. 만약 시편이 시험 기간 이내에 파단되지 않는다면, creep recovery(크리프회복)를 측정할 수도 있다. 재료의 응력이완을 측정하기 위해서, 시편은 주어진 양만큼 변형되고 일정한 온도에서 특정기간 동안 노출된 응력의 감소가 기록된다.그림(a) : 시험의 변형률-시간관계의 전형예.그림(b) : 정변형률 속도시험의 응력-변형률관계의 전형예.(ε0 : 순간변형률), (εx :천이 creep변형률), (εs :정상 creep변형률)(εa : 가속 creep변형률),?(εe : 탄성변형률)?(a) B곡선 - Creep 곡선(Ⅰ단계) - 하중을 가할 때 순간적으로 발생하는 변형률 εo이며 순간변형률(instantaneous strain)이라고 한다. 이 순간변형률에는 탄성 변형률 외에도 비탄성 변형률이 포함 되 있다.(Ⅱ단계) - 변형률은 시간에 따라 증가하나 변형률속도는 감소해 가며 천이크리프(transient creep) 또는 1차 Creep(primary creep)라고 한다.(Ⅲ단계) - 변형률속도가 일정하게 되는 구간으로 정상크리프(steady state creep) 또는 2차 Creep(secondary creep)라고 한다.(Ⅳ단계) - 변형률 속도가 가속화되고 파괴에 이르는 단계로 가속 크리프(accelerating creep) 또는 3차 Creep(tertiary creep)라고 한다.=> 수직 바에 하중이 작용할 때 변형이 생기는 데 일정시간보다 시간이 더 흐르면 하중을 증가하지 않아도 strain이 더 생기게 된다. 그래서 크리프율이라는 것은 크리프 곡선에서 접선의 기울기를 뜻하는데 이것으로 인해 어떤 하중이 작용할 때 크리프율에 의해 하중의 증가없이 일정시간 후에 재료가 파단되게 된다* Creep 곡선의 형태는 물질이나 조건에 따라서 변화한다.(A곡선) - 응력이 작고 변형률의 시간변화가 거의 나타나지 않는 곡선(C곡선) - 연성이 증가하고 정상크리프만이 탁월한 경우(b) 정변형률 속도 시험에서의 응력변형률 곡선은 취성파괴의 F나 연성영역(준연성영역)에서의 가공 경화에 의해 변형률과 함께 강도가 증가하는 E등으로 된다. D는 본질적으로 B곡선과 등가이며 탄성변형률 Ⅰ단계, 천이 크리프 Ⅱ단계, 정상크리프 Ⅲ단계에 대응된다.?정상 Creep 단계에서는 식 1과 2로부터 점성률을 구할 수 있다. 점성률 η는 전단점성률로써 전단속도와 전단응력에 대해서 정의되고 있다. 전단속도와 전단응력을 변화시켜도 다른 조건이 같으면 일정한 점성률로 되는 유동을 Newton 유동(Newton flow)이라고 하며 점성률이 전단속도 또는 전단응력에 의해 변화하는 우동을 비 Newton 유동(Non-Newton flow)이라고 한다. 이 경우에도 점성률은 전단응력과 전단속도의 비율로 주어지며 겉보기 점성률(apparent viscosity)이라고 한다. 정수압적인 압축 또는 팽창등의 체적변화가 시간적인 늦음이 발생할 경우, 식 1의 응력을 압력변화, 변형률 속도를 체적변형률 속도에 치환해서 정의되는 점성률 ηo는 체적 점성률(volume viscosity)이라고 한다.암석 등의 고체의 creep 시험에서 측정되는 것은 일반적으로 압축 또는 인장응력에 대한 축소 또는 신장 변형률 속도이다. 그 경우의 비례정수는 λ로 표시되고 종점성률(normal viscosity), 신장점성률(coefficient of viscous traction)등으로 불린다. 정상 일축 유동에 대하여 점성률 λ와 전단 점성률 η 사이에는 λ=3η의 관계가 있다. 이것에 의해 Creep 시험으로부터 암석의 전단 점성률이 구해지고 있다. 이와 같이 해서 구해진 점성률 은 등가 점성률(equivalent viscosity)라고 한다.2. 크리프의 예1) 크리프 시험기 (수평 시험기)*정의시편에 장시간 일정한 하중과 온도를 가한 후 시험편의 늘어난 길이를 측정하는 장치*특징- 기체를 이용한 축압하중 방식- 컴퓨터 시스템화로 데이터의 입?출력 및 처리 용어- 온도편차. 소음 및 크기 최소화- 진동으로 인한 영향 없음2) 크리프 현상외력이 일정하게 유지되어 있을 때, 시간이 흐름에 따라 재료의 변형이 증대하는 현상으로 크리프의 예를 들면, 고무줄에 추를 매달면 순간적으로 고무는 늘어나지만 그대로 방치해두면 시간이 흐름에 따라 고무는 서서히 늘어난다. 이와 같은 현상은 고분자물질인 플라스틱에서 현저히 나타나지만, 철강과 같은 금속재료 또는 콘크리트 등에서도 일어난다. 일상생활이나 주변에서 크리프가 나타나는 예로는 장기 처짐을 들 수 있다. 쉽게 볼 수 있는 것은 건물의 벽에 금이 가는 현상과 창틀의 뻑뻑해짐, 페인트의 갈라짐, 그리고 마감재의 변형 및 파괴, 보의 배불림 현상 등이다.

공학/기술| 2008.01.05| 4페이지| 1,500원| 조회(878)

응력, creep, 크리프, 변형률

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열유체

제 목일반원고 : 기능성 열유체의 열에너지 수송성저 자박 기 원발 행 년 도2 0 0 1발 행 기 관대한설비공학회 (구 공기조화냉동공학회)발 행 정 보설비저널, Vol.30, No.8, Startpage 45, Endpage 53, Totalpage 9주 제 키 워 드열 유 체1. 본문 요약열유체에 대한 관심을 가질 필요가 있다는 것을 말하고 있는데 열에너지의 효율적인 저장기술이나 지역에 편재되어 있는 열에너지를 면적으로 이용한다는 차원에서 고밀도 열에너지 수송기술의 확립이 필요하고, 이와 같은 각종 열에너지를 효율적으로 이용할 수 있도록 하기 위해 필요하다고 말하고 있다. 그리고 기능성 열유체에 요구되는 기능을 말하고 있는데 고밀도 축열 및 축냉, 고밀도 열에너지의 고속 수송, 열교환기에서의 전열 촉진, 열에너지 수송시의 유동저항 경감, 열적 이용 온도 폭의 확대, 이용 열량의 증대, 열손실의 경감, 열관련기기 및 설비의 소형화를 들었다.1. 현열 이용 열유체① 고분자 첨가 수용액의 관내 유통저항 경감효과고분자 화합물에 의한 유동저항 경감은 톰스효과라 불리는 난류의 층류화 현상에 의해 일어난다고 설명한다. 톰스효과에 대해 또한 설명해 놓았으며 일반적으로 분자량이 5000정도 이상인 사슬모양 고분자화합물에서 톰스효과가 관찰된다고 했다. 위의 그림의 내용은 실험 횟수가 증가하면서 유동저항 경감효과가 감소되어 이런 종류의 고분자화합물은 반복 사용하지 않는 조건에서 사용해야 한다는 것이 바람직 하다는 것을 이해하기 쉽도록 해주었다.② 계면활성제 첨가수용액의 관내유동저항과 열전달 특성계면활성제 등과 같은 양친매성 물질을 물에 녹이면 일정 농도(임계 미셀농도) 이상에서 친유기를 안쪽, 친수기를 바깥쪽으로 하여 모이는데 이것을 미셀이라고 부른데 이러한 계면활성제가 봉상미셀구조를 형성하면 톰스효과에 의한 유동 저항 경감효과가 발휘한다. 계면활성제 농도의 증가에 따라 경감효과가 증가하지만 1127ppm 이상의 농도에서는 효과에 변화가 없다는 것을 알리고 있다.분단, 분산된 봉상미셀이나 조합구조는 저 유속인 상태에서 다시 모이거나 결합하여 원래대로 복원 재생된다. 따라서 계면 활성제를 첨가한 온수나 냉수는 열에너지의 순환수송에 적합한 기능성 열유체라고 말한다.③ 그 외의 유동저항경감 첨가제ⓐ 미세섬유질을 열유체에 혼합- 난류에너지 흡수작용으로 관내 유동저항을 감소시킬수 있음ⓑ 기체 등 저 점성유체의 혼합- 기포분사에 필요한 동력의 경감법 필요ⓒ 강자성 유체에 의한 유동저항 경감- 점성저층의 두께를 두껍게하여 유동저항을 감소시키는 것이 가능하다.ⓓ 전기점성유체(electrorheological fluid, ER 유체)- 전장을 걸어주면 분극에 의한 응집작용으로 인해 난류구조의 층류화 가능④ 고체 입자와 기능성 열유체의 혼합효과ⓐ 유동저항경감- 혼합한 고체입자의 체적농도가 같을시 입자 직경이 크고 혼합액의 점성이 작아질수록 유동저항이 상대적으로 감소한다고 한다. 구형일수록 항력계수 또한 작아져서 유동저항이 감소한다.ⓑ 열전달률 향상- 유체 층에 열전도율이나 비열이 큰 미리 미립자를 혼합 분산함으로써 겉보기 전도율이나 비열을 증대시켜 열전달율을 증대시킬 수 있다.2. 잠열 이용 열유체① 빙수 슬러리의 관내 유동특성ⓐ 빙수 슬러리의 배관축소효과- 냉수의 관내수송에 비해 관 직경을 크게 줄일 수 있어 배관설비 시공비용 경감ⓑ 빙수 슬러리의 관내 유동거동빙수 슬러리는 밀도가 작은 얼음 입자와 물의 혼합체이고, 관내 수송 시에는 그 유속에 따라 얼음조각과 물이 분리되어 흐르는 경우도 있어 그 유동사애는 다양한 변화를 가지게 된다. 그림으로 빙수슬러리의 관내유동 압력손실과 흐름상태, 빙수슬러리 수송동력비와 관내 빙수 슬러리 유속의 관계, 빙수 슬러리의 압력손실비와 빙충진율의 관계에 대해 설명하고 있으며 시그마효과나 윤활액막효과 등에 의해 빙수 슬러리의 압력손실이 감소하였다고 생각 할 수 있어 앞으로의 연구가 필요하다.ⓒ 잠열 마이크로 에멀젼기름과 물처럼 서로 섞이지 않는 2가지 액체의 한 쪽 액이 다른 쪽 액으로 분산한 것을 에멀젼이라 하는데 물속에 기름을 적상으로 미세화 하여 분산시킨 것을 O/W형 에멀젼 또는 마이크로 에멀젼이라 하며, 이러한 잠열 마이크로 에멀젼에는 비이온 계면 활성제인 폴리에틸렌글리콜이나 스테아릴 에테르 등이 사용된다고 한다. 또한 이러한 물질들은 수송성이 풍부하고 미세축열재를 펌프로 반송 할 수 있어 종래 축열재를 고정하고 열매체로 열에너지를 수송하던 방법보다 배간경의 축소나 설비의 경감을 얻을 수 있다.ⓓ 잠열 마이크로 캡슐연속상으로서의 물 등에 분산상으로서의 잠열 축열재를 고분자막으로 피복하여 캡슐화 한 것으로 이 글에서는 잠열 마이크로 캡슐의 압력손실과 관 평균유속의 관계를 그림으로 설명하고 있다. 농도=20.4%까지는 물과 동등한 압력손실값을 나타내지만=40.8%에서 급격하게 압력손실이 증가하는 것을 보여준다. 그리고 마이크로캡술은 충전축열재와 열매체가 완전히 분리하여 상호간의 순도를 유지하므로, 축열재와 축냉열재를 별개의 마이크로캡슐에 충전하여 축열기능과 축냉열기능을 가지는 마이크로캡슐 슬러리를 이용할 수도 있고, 큰입자 일수록 유동저항의 경감효과도 기대된다.

공학/기술| 2008.01.05| 3페이지| 1,500원| 조회(331)

열유체, 에멀젼, 잠열, 빙수, 슬러

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인장시험

1. 실험제목-인장시험2. 실험제목 및 배경기계 및 구조물을 설계 제작하는 경우에 가장 경제적이고 충분한 안전성을 위해서는 사용할 공업재료의 정적, 동적, 하중에 대한 기계적인 성질 즉 강도(strength), 연성(ductility), 인성(toughness), 경도(hardness) 등을 충분히 파악하여야 한다.현재 기계의 설계는 컴퓨터를 응용한 역학적인 해석과 시뮬레이션을 이용하여 더욱 해석적이고 경제적인 방향으로 발전해 나가고 있다. 이러한 해석과 시뮬레이션의 기본이 되는 데이터가 재료의 특성이다. 재료의 특성인 고유값을 시험에 의하여 정확하게 산출하여야 기계설계 및 제작이 가능한 것이다. 최근에는 합금기술의 진보와 더불어 다양한 종류의 금속재료가 만들어 지고 있다. 기계재료는 다양화 되고 있는 실정이다. 재료의 특성을 파악하기 위한 재료시험도 다양화되고 그 범위가 광범위하게 되었다. 재료시험의 영역은 재료의 단순한 기계적 성질의 파악뿐만 아니라 기계설계를 위한 재료의 개선 및 기존 구조물의 신뢰성 향상을 위한 보수, 유지 및 관리에 대한 구체적인 대안을 제시할 수 있다. 인장시험에서는 동적 및 정적인 시험이 있다. 동적인 인장시험은 충격시험에서 주로 취급된다. 정적인 인장시험은 구조물에 인장력이 작용할 경우에 여러 방향의 응력을 받는 경우가 많지만 변형거동이나 실험결과를 해석하기가 단순한 단축(1축)인장응력시험이 가장 기본적으로 사용되고 있다. 그러므로 인당시험이라고 하면 보통 단축인장시험을 의미한다. 이번 실험에서는 기계재료가 1축 인장하중을 받을 때 하중과 연산 사이의 상관 관계로부터 인장강도, 항복점, 연신율, 흡수에너지 등 기계적 성질에 의해서 측정하고 시험기의 구조, 기능 및 조작법을 습득한다. 또한 파괴점까지 강도를 측정하고 예상할 수 있다.3. 재료 및 실험방법1)재료① 시험편은 KS B 0801(금속 재료 인장 시험편)에 따른다. 단, 별도로 규정 되어 있는 것은 이에 따르지 않아도 좋다.② 시험편의 채취, 제작은 각각의 재료의 규격에 따라 시행한다. 시험편 부 분의 재질에 변화를 생기게 하는 것과 같은 면형 또는 가열은 피하여야 한다. 상항복점, 하항복점 또는 항복 강도를 측정할 때는 이 사항이 필요 하다. 전단, 펀칭 등에 따른 거친 가공을 시행할 경우에는, 그 영향을 받은 영역을 절삭하여 제거하고 평행부를 다듬질 한다.③ 선의 교정은 될수록 피하는 것이 좋다. 교정을 필요로 할 경우에는 손으 로 시행하는 등 재질에 영향을 미치지 않는 방법을 사용한다.④ 표점은 펀치 또는 스크라이버로 긋는 것을 표준으로 한다. 단, 시험편의 재질이 표면 홈에 대하여 민감하거나 또는 매우 단단한 재질인 경우에는 도료칠을 한 도료 위에 그어 표시한다.*시험편 그림 (치수)L(40㎜)Dd(14㎜)인장 시편의 대표적인 것은 아래 그림과 같고, 시험기에 고정되는 시험편 근처에 응력 집중이 발생하며 단순한 인장에 의한 변형과는 다른 현상을 나타내므로 끝부분을 굵게 하여 측정하려는 부분에만 단순인장에 의한 변형이 생기도록 한다. 측정 부분의 단면적은 일정하게 절삭하고 이 부분에서 연신률을 측정하는 기준 길이를 설정하며, 이것을 표점거리라 한다.- 인장 시편 -2) 전자식 버니어 캘리퍼스버니어 캘리퍼스는 KS B 5203 (버어니어 캘리퍼스)에 규정하는 최소 눈금 길이 0.05㎜ 또 는 이와 동등 이상의 정밀도를 갖는 것을 사용한다.3) 시험기 4)시마즈4) 실험 방법① Main Switch를 넣는다.② Range selector를 돌려 실험 하중에 적합한 하중을 선택한다.③ 시편을 상부 Cross Head의 Chuck에 장착시키고, Handle로 고정한다.④ 좌측의 Stop Valve를 돌려 잠근 후 우측의 Lead Valve를 좌로 조금씩 열면서 Table을 상승시키고 우측 상부에 있는 Rack Bar로 게이지가 0점을 지시하도록 조정 한다.⑤ Cross Head Adjust로 시편을 고정하도록 하부 Cross Head를 움직인다.⑥ Handle을 돌려 시편을 Cross Head에 부착시킨다.⑦ 하중 게이지의 적색침과 흑침을 모두 0점에 일치시킨다.⑧ Lead Valve를 조금씩 열어 시편에 하중을 가한다.⑨ 지침은 항복점을 지나 최대하중점을 지시한 후 다시 마지막 파단점에 이른다.⑩시편이 파단되었을 때 우측 Lead Valve를 잠그고 좌측 Stop Valve를 열어 Cross Head를 원위치 시킨다.4.결과 및 고찰 -왼쪽과 비교했을 때 사진에서 보는바와 같이 오른쪽 그림에서 확실히 끊어진 것을 볼 수 있다.*결과 그래프 및 시험편그림1)모재(scm440)2)경도 57~58(SCM440)모재(scm440)경도57~58(SCM440)최대하중(Max-Load)13592kgf22620kgf최대변위(Max-Disp)3.66875 mm0.5875 mm최대응력(Max-Stress)104.806 kgf/174.42 kgf/연신률(Max-Strain)7.3375 %1.175 %파단하중(Break-Load)9020 kgf22610 kgf파단변위(Break-Disp)11.6375 mm0.5875 mm파단응력(Break-Stress)69.5521 kgf/174.342 kgf/직경(Dimension)12.85→10.1 mm12.85→12.7 mm표점거리50→59.1 mm50→50.6 mm1) 인장 강도시험편이 절단 되었을 때의 하중 즉, 최대 인장 하중을 시험편 평행부의 원단면적으로 나눈 값,즉 재료의 강도는 단면적에 대한 저항력으로 표시된다. 최대인장강도는 공칭응력-변형률 곡선에서 최대값에 이른 강도이다. 시편이 표면적에 국부적으로 감소(necking이라 함)하게 되면 공칭응력은 더 많은 변형을 보이며 시편의 원래 단면적을 사용하여 결정된 공칭응력으로 파괴가될 때까지 감소한다. 금속이나 합금은 파괴에 이르는 응력에 이르기까지 응력의 증가가 계속된다는 사실이다. 인장시험 후반부에 공칭응력이 감소하는 것은 단지 초기 단면적을 사용하여 공칭응력을 결정하기 때문이다. 금속의 최대인장강도는 응력-변형률 곡선에서 최고점에서 응력축으로 수평선을 그어서 결정한다. 최대인장강도는 연성합금의 경우에는 그전에 너무 많은 소성 변형이 있기 때문에 많이 사용되지는 않으나, 결함의 존재를 알려줄 수도 있다. (∵ 금속이기공이나 개재물을 포함하고 있으면 이 결함으로 인해 정상보다 낮은 최대인장강도를 야기시킬수 있다)2) 항복강도항복강도는 탄성변형이 일어나는 한계응력을 말한다. 그래프에서 B점 이 항복점이고 그때 응력이 항복강도라 한다. 0.2% 업셋을 시키는데(점선으로 표시된부분) 대부분의 산업현장에서는 0.2% 소성변형까지는 과다한 영구변형이 아니라고 간주할 수 있기 때문에 이 정도의 변형을 발생시킬 수 있는 응력을 '0.2% 오프셋' 항복응력이라고 부른다.3) 파단 강도재료가 파괴될 때의 응력4) 연신률 (Elongation Percentage)인장시험시 시험편이 파괴되기 직전에 있어 표점거리를 측정하고, 늘어난 후의 길이를 L'(mm)와 처음 표점거리 L(mm)와의 차를 처음의 표점거리 L로 나눈값을 백분율(%)로 나타낸 것을 말한다. 시험하는 동안 인장 시편이 겪는연신의 양은 금속의 연성에 대한 값을 나타낸다. 일반적으로 연성이 높으면(금속이 더욱 변형되면) 연신율은 더욱 높아진다. 기공이나 개재물이 금속에 존재하거나 금속을 과열하여 발생한 결함이 있다면, 시험되는 시편의 연신율은 정상보다 낮게 측정된다.5) 단면 수축률 (Reduction of area)인장시험시 시험편의 파괴 직전에 최소 단면적 A 와 원단면적 A0 와의 차를 원단면적 A0 에 대한 백분율로 나타낸 것을 단면 수축률이라 한다. 초기와 최종 직경의 크기를 이용하여 단면수축율은 다음의 식으로 결정될 수 있다. 면수축율은 연신율과 같이 금속연신 측정값이며 금속질의 지표가 된다. 단면수축율은 금속시편내에 개재물과 기공 같은 결함이 존재하면 감소한다.5. 파면관찰1)연성과 취성파면의 특성ⓐ 취성재료의 파면은 최대 수직응력이 작용하는 방향으로 파면이 형성.인장실험에선 힘의 방향과 수직하게 파면이 형성ⓑ 연성재료가 최대 전단응력이 작용하는 방향으로 파면이 형성.인장실험에선 힘의방향과 π/4 만큼의 각을 형성하고 파면이 형성.2) 이번 인장실험에 의해 구해진 파면 분석이번 인장 실험 통하여 재료과학 및 실험 시간에 배웠던 응력-변형률 곡선의 거동을 확인할 수 있었다. 처음 시편을 잡아당기면 우리의 육안으로는 확인할 수 없지만 조금씩 인장되어 탄성한도까지 계속 된다. 탄성한도를 지난 후 즉, 항복점에 도달하면 소성변형을 일으키기 시작한다. 이 항복점을 지나면 재료는 처음상태로는 돌아가지 않고 변형된다.이때 하중을 제거하여도 원상으로 복귀하지 않고 일부는 영구변형으로 남게 된다. 계속적으로 하중을 가한다면 파단이 된다. 절단된 면에서 넥킹 현상)을 관찰 할 수 있었다. 우리가 한 실험은 취성재료와 연성재료를 각각 실험하였는데 그래프에서 볼 수 있듯이 연성재료는 늘어나다가 파단 되고 취성재료는 강하게 견디다가 순간적으로 파괴되는 것을 알수 있다. 그 결과로 인해 취성재료와 연성재료의 절단면 부위가 달랐다. 경도가 큰 게 더 깨끗하게 잘려져 있는 걸 알 수 있다. 결과 식을 보면 수업시간에 배웠던 대로 연성재료는 늘어나다가 파단 되고 취성은 별로 늘어나지 않고 파단됨을 확실히 알 수 있다. 표점거리를 보면 확실히 연성재료는 늘어나다가 파단됨을 알수 있었다. 연신률 또한 연성재료가 더 높은 %를 나타내었다. 파단 응력 및 각종 하중을 견디는

공학/기술| 2008.01.05| 8페이지| 1,500원| 조회(397)

인장시험, 기계공학실험, 인장실험, 인장

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