1. 실험 제목: 인장 시험2. 실험 목적: 인장시험은 재료강도에 관한 기초적인 자료를 얻을 목적으로 수행되는 공업시험중에서 가장 기본적인 시험으로 보통 환봉이나 판 등의 평행부를 갖는 시험편을 축방향으로 인장하중을 가해 하중과 변형을 측정한다. 보통 이로부터 측정할 수 있는 값은 연성재료에서는 주로 인장강도, 항복점 연신율 및 단면 수축률이고 취성재료에서는 인장강도와 연신율로 다르다.금속재료의 항복강도, 인장강도, 연신율, 단면수축률, 탄성계수를 측정하여 결함(defect)을 포함한 조직과 기계적 성질 사이의 관계를 확립하여 금속재료가 사용 및 사용조건에 적당한가를 시험하고 또한 일정한 하중의 한계와 재료의 변형 능력을 검토하는데 있다.이번 실험에서는 만능재료시험기를 사용해서 실험에 사용한 각 시편들의 재료에 따른 성질(인장강도, 항복강도, 연신율, 단면 감소율)을 알아본다.3. 실험 기구: 만능재료시험기(UTM), 철·알루미늄·황동으로 제조된 봉형의 인장 시험용 시편, 버니어캘리퍼스, 마이크로미터, 싸인펜(인장시험전의 본래 시편의 길이[ELL_0] 표시용)4. 실험 방법(1) 만능재료시험기를 세팅한다.(2) 만능재료시험기로 실험을 시작하기 전에 우선 미리 준비한 각 시편들의 표점 거리(버니어캘리퍼스 이용)와 표점 거리 부분의 두께(마이크로미터 이용)를 측정한다.(3) 싸인펜을 사용하여 시편에 2인치를 재어(2조의 실험시에는 60cm를 기준으로 삼았다) 가늘게 표시해 둔다.(4) 시편이 열을 받으며 안되므로 서늘한 곳에 놓아둔다.(시편이 열을 받으면 인장강도가 변하기 때문.)(5) 인장강도를 대략 예측하여 부하할 하중을 결정하는데, 경도만 아는 경우에는 Brinell 경도치와 인장강도의 환산표에 의하여 하중 범위를 결정한다.(만약 하중을 너무 크게 잡았을 경우 시편이 끊어지면서 시편의 파편이 날아가 시험자에게 부상을 입힐 수 있기 때문 -- 부록 1 참조.)(6) 만능재료시험기에 시편을 물리기 위하여 집게가 시편 크기에 맞도록 집게를 내린다. 인장 시험기에 변화가 시험 결과에 약간의 차이를 생기게 한다. 시편의 양단은 시험기에 있는 척에 고정하기 쉽게 만든다.척은 인장 시험에서 중요한 일부분으로, 정밀도가 높고 감도가 우수한 시험기라 할지라도, 시편을 고정할 적당한 척을 사용하지 않으면 좋은 결과를 얻기 곤란하다.척은 시편의 형상에 따라 봉재용, 평판재용, 선재용, 관용, 체인용 등으로 구분된다. 봉재는 고정부에 나사를 깎든가 두형을 갖게 한다.[Fig.3] 인장시편의 예[Fig.4]의 (a), (b), (c), (d)와 같이 봉재시편에는 봉재에 사용되는 척을 사용한다.또한 판재에는 [Fig.5]와 같이 쐐기형을 조립한 것을 사용한 것이 많다. 쐐기 부품을 바꾸면 봉재, 각재, 평판재의 시험에도 사용할 수 있어 만능시험기에는 [Fig.5]의 형식을 이용한 고정 장치가 널리 사용되고 있다.[Fig.6]은 와이어 또는 로프용이고, [Fig.7]은 체인에 사용되는 척이다. 시편이 준비되면 시험기에 고정하기 전에 직경 및 표점 거리를 마이크로미터 또는 버니어 캘리퍼스를 사용하여 치수를 정확하게 측정해야 한다.[Fig.4] 각종의 봉재용 척[Fig.5] 쐐기형 척[Fig.6] 와이어용 척[Fig.7] 체인용 척보통 봉재는 직경, 판재는 두께와 폭을 측정한다. 평행부는 전체 길이에 걸쳐 여러 번 측정한다.특히 봉재는 직각된 방향을 여러 번 측정하여 평균치로써 원단면의 치수를 결정한다. 단면적의 오차는 1% 이내로 하도록 규정되어 있다. 표점 거리의 규정 치수는 적어도 0.1%의 차밖에 허용되지 않으므로, 50㎜에 대하여 0.05㎜의 정밀도를 가져야 한다. 그리고 표점 거리를 표시하는 점은 펀치로 가볍게 때려 표시하든가, 정밀한 분할기를 사용하는 것이 편리하다.보통 인장강도 및 항복응력은 0.1㎏/㎟까지 구하게 되므로, 시편의 단면적은 0.005㎟까지 정확하게 측정해야 한다.(3) 하중-신연선도응력-연율 곡선이라고도 부르며, 연강으로 된 시편을 인장시험기에 고정하고, 하중 발생 장치로 하중을 가하면, 축 방향에는 외력에 비ma_a = 실하중over{실제 단면적} = P_a over A_a[Fig.9]에는 각종 탄소강의 하중-신연 선도를 표시하고 있다. Fig.9에서 연강은 신연이 크고, 경강은 신연이 작다. 그리고 연강은 최고 인장강도가 작고 경강은 크다.[Fig.9] 각종 탄소강의 하중-신연곡선(by Cowdrey)인장 시험에서 시편이 파단될 때 재질에 따라 인장 파단면에 차이가 있다. 보통 인장응력은 외측에서 최대가 되고 중심에 대하여 감소되므로, 시편을 고정하는 척으로 인하여 시편 외부에 최대 전단 변형이 생기는 경향이 있다.[Fig.10]은 각종 재질의 인장 파단면의 특징을 표시한다.[Fig.10] 각종 재질의 인장 파단면(by Cowdrey)(4) 공칭응력과 실응력의 관계응력-스트레인 곡선 중의 실선상의 각 하중에 대응하는 연율은 자동 기록 장치에 의하던가, 또는 기계지주에 부착되어 있는 비교적 간단한 부착 스케일로, 정밀도는 작으나 용이하게 측정할 수 있다. 또 각 하중에 대응되는 시편의 직경 혹은 단면적의 변화를 측정하는 것은 어려운 일이지만 가능한 일이다. 따라서 이와 같은 직접적인 방법에 따라 실응력을 측정하던가 또는 국부 수축이 발생하기까지는 시편의 표점 거리 사이의 체적은 거의 변화가 없으므로, 이때 체적 변화는 없다고 가정하고, [Fig.11]과 같이 도해에 의하여 공칭응력으로부터 실응력을 결정할 수 있다.여기서 탄성 한계까지의 변형은 지극히 미소하므로, 공칭응력과 실응력 사이의 차이는 무시하고 공칭응력을 그대로 실응력으로 취하여도 무관하다.A0 = 시편의 원단면적A = 하중 P가 작용할 때의 단면적l = 처음의 표점 거리l = l + λ = 하중 P가 작용하였을 때의 표점 거리체적 불변의 조건에 따라서A0 l = A(l+λ)A over A_0 = l over {l+ lambda}={DeltaA " change in section area"}over{"original section area"}따라서 하중 P때의 단면수축률을phi라 하면phi= {{A_0}-족한 쪽에 실제 표점 거리가 있는 쪽의 실제 신연을 부가하여, 전체로써 최초의 표점 거리의 수에 일치하도록 부가한다.근사적 실제 연율 ε′는 [Fig.14] (b)에 따라 다음과 같이 계산된다.epsilon'={(l_1 + 2l_2 + l_3 )- l}over l times 1001) 균일연율(uniform elongation)최고 인장하중 M에 이르기까지 생기는 신연은 시편의 표점 거리에 대하여 대략 비례하여 전체 길이에 걸쳐 생긴다.2) 국부연율(local elongation)점 M을 지나면 급격한 단면 수축에 의하여 생긴다. 표점 거리의 장단에 좌우되는 동시에 시편의 단면적에 따라 변화한다. 표점 거리가 증가함에 따라 전체 연율 및 단면 수축의 영향은 다음의 [Fig.15]와 같이 변화한다. 따라서 실험을 할 때 표점 거리를 명시한다는 것이 가장 필요한 일이다.[Fig.15]는 표점 거리와 연율의 관계를 표시한다. 여기서 표점 거리가 크면 연율은 감소되고, 단면수축율에는 대차가 없다.[Fig.15] 표점 거리와 연율의 관계실제로 재질이 일정하면 기하학적으로 유사한 시편은 동일한 연율을 가져야 한다는 상사 법칙(Barba's law)에 준한다. 하중으로 인한 균일 신연을 λG, 국부 신연을 λL이라고 하면, 전체 신연 λ는λ = λG + λLepsilon = lambda over l times 100연율에 대한 시험 결과를 비교하려면 시편이 항상 상사형이라야 한다. 단면이 원형이 아닌 시편에 대해서는 표점 거리 l0와 단면적의 평방근SQRT {A}의 비가 일정하면 동일한 재질에서 연율 ε은 대략 일정하다는 것이 나타나 있다.즉,K = L_0 over sqrt{A_0} = {표점 거리} over sqrt{시편의 단면} = constant(일정)[Table 2]는 각국의 규격에 나타난 표점 거리에 대한 규준이다.[Table 2] 각국 시편규격[Fig.16]은 각국 시편에 대한 연율과 표점 거리의 관계를 표시한다. 직경 0.564 inch와 표점 거리 2 inc가 전위의 운동속도에 간접적으로 영향을 미치기 때문이다. 즉, 소성변형율이 일정할 경우 가동전위밀도가 증가하면 평균전위속도는 감소하게 되고 이것은 비교적 완전한 결정에서의 항복 현상의 중요한 특징 중의 하나이다. 항복의 초기 단계에서는 가동전위밀도가 낮으며 따라서 전위의 운동속도는 크다. 그러나 항복이 진행됨에 따라 전위는 증식하게 되며 그리하여 전위밀도 ρ가 증가되어 평균전위속도는 감소하게 된다.이제 비교적 완전한 결정(perfect crystals)에서의 항복에 대한 간단한 모형을 만들어 보자. 시험 초기에는 가해진 응력이 대단히 작기 때문에 전위가 움직이지 않거나 움직인다고 해도 그 속도를 무시할 수 있다. 따라서 소성변형율은 0이 되고 시편이 탄성적으로만 변형된다고 결론지을 수 있다. 응력이 충분히 커져서 초기 가동전위밀도와 결부된 평균전위속도가 증가하여 소성변형율의 크기가 탄성변형율의 크기와 거의 비슷하게 될 때까지는 훅의 법칙(Hook's law)에 따라 변형이 증가하면 응력도 증가한다. 소성변형율의 크기가 탄성변형율의 크기와 거의 비슷하게 되는 현상이 발생하면 응력-변형곡선은 낮은 응력에서 적용되었던 직선관계로부터 벗어나게 된다. 변형의 증가와 함께 응력이 계속 증가함에 따라 평균전위속도는 한층 더 커지고 그리하여 응력-변형곡선에서 소성변형율의 비중이 더욱 커지게 된다. 응력이 계속 증가하여 소성변형율이 전체 변형율과 같게 되면 응력-변형곡선의 기울기는 0이 되며 항복점에 도달한 것이 된다. 완전결정과 몇 가지 BCC 금속의 경우 이 점을 항복점이라 하며 응력의 급속한 감소가 뒤따르게 된다. 항복점에서의 응력값은 초기가동전위밀도와 속도응력지수에 따라 달라진다는 사실을 주시해야 한다. 가동전위밀도가 낮은 경우에 항복 응력이 큰 이유는 일정한 소성변형율을 유지하기에 충분한 크기의 높은 전위속도를 생성해내기 위해서는 큰 응력이 필요하기 때문이다. 속도응력지수 값이 클 경우에 항복응력이 낮은 이유는 속도응력지수 값이 크면 낮은 응력만으로도 주어진 전위속도
