1. 실험 목적가. 인장시험을 통하여 시험방법, 시험기의 구조, 기능을 습득한다.나. 여러 시편( Al 6061, 탄소강, Polycarbonate )은 각각의 조건 하에서 어떤 물성치의 변화를나타내는지 알아본다.① Al 6061 - 인장시험시 cross head 속도변화에 따른 응력-변형율 그래프의 변화와 물성치의 변화를 알아보고 류더스 밴드의 형성을 관찰한다.② 탄소강 - 열처리조건 변화에 따른 인장시험시에 나타나는 응력-변형율 그래프의 변화와물성치의 변화를 알아본다.③ Polycarbonate - 시편의 size에 따른 인장시험시에 나타나는 응력-변형율 그래프의 변화와물성치의 변화를 알아본다.2. 실험 기구① Al 6061 시편 3개② 탄소강 시편 3개③ Polycarbonate 시편 2개④ 인장시험기 ( SHIMADZU )⑤ 버니어캘리퍼스⑥ 온도계⑦ 가열로⑧ 기 타3. 실험 방법) KS B 0802가. 탄소강 45C - 열처리 조건에 따라 달라지는 여러 물성치의 비교① ASTM, KS 규격에 맞는 탄소강 시편 3개1)를 준비한다.) KS B 0801② 시편 2개를 fig.2와 같이 열처리를 한다. 나머지 하나는 열처리를 하지 않는다.) 최신 금속학③ 각각의 시편의 나비, 표점거리, 평행부의 길이, 두께를 측정한다.④ 시편 하나를 인장시험기의 grip에 부착한다.⑤ 인장시험기를 setting하고 안전장치를 한다.- 이때 cross head speed{ V}_{c }( ㎜/s ), 온도, paper speed{ V}_{p }( ㎜/s ), 하중을 알맞게설정한다.⑥ Test버튼을 누르고 실험을 시작한다. 시편이 파괴될 때까지 기다린다.⑦ 인장시험기의 grip으로부터 파괴된 시편을 제거하고 frame을 원상태로 놓는다.⑧ paper에 나온 하중과 변형길이의 그래프를 공칭 응력과 공칭 변형율의 그래프로 바꿔준다.) 재료역학, 원창 출판사, 이창희 저, page 5공칭응력sP/A0항복강도σyPy/A0(㎏/㎟)공칭변형율eΔL/L0인장강도σuPmax/A0(㎏/㎟)진응}_{1 }=60mm{ P}_{2 }=30mm② 위의 시험 가.③∼⑩과 같이 시험을 한다.③ 시험조건에 따른 각 시편의 물성치의 변화를 비교 분석한다.4. 예상 결과가. 탄소강① 물성치 예상값항복강도인장강도연신율수냉시편표준보다 높음.표준보다 높음.표준보다 높음.공냉시편표준보다 낮음.표준보다 낮음.표준보다 낮음.표준시편278MPa540MPa20%② 응력과 변형율 곡선③ 인장강도{ sigma }_{B }는{ sigma}_{B }(㎏/㎟) ≒{ 1} over {3 }×{ H}_{B }≒ 3.2 ×{ H}_{R }C에서와 같이 인장강도는 경도 에 비례한다. 그러므로 quenching한 시편은 표준시편보다 좀 더 높은 인장 강도와 항복 강 도를 갖는다. 반면에 annealing한 시편은 이와 반대의 값을 갖는다.나. Al 6061① 물성치 예상값항복강도인장강도연신율{ V}_{c }=5mm/min표준보다 큰값표준보다 큰 값표준보다 큰 값{ V}_{c }=0.5mm/min표준보다 작은 값표준보다 작은 값표준보다 작은 값{ V}_{c }=2mm/min28 ㎏/㎟32 ㎏/㎟12 % in 5㎝② 응력-변형율 곡선③ Cross-head 속도{ V}_{c } = { dl} over {dt }이므로, 공칭변형율 속도와 진 변형율 속도와 비례한다. 이러한 이유로 fig.8과 같은 형태의 그래프가 나타난다. 공칭변형율 속도는{ epsilon }_{n}= { { V}_{c } } over { { l}_{ 0} }이고, 진변 형율 속도는{ epsilon }_{t }= { { V}_{c } } over {l }이다.다. Polycarbonate① 물성치 예상값항복강도인장강도연신율작은시편높다높다높다표준시편58∼70 MPa70 MPa80∼120② 응력-변형율 곡선③ Barba`s law에 의해서 재료는 길이와 단면적에 영향을 받는다. 시편의 길이가 짧을수록 응력집중 부근의 결함의 갯수가 많고 necking이 재료에 미치는 영향이 커진다. 따라서 길이가 짧은 시편이 소성변형의 시작점이 높게 나타나가) 인장특성▶ 상 항복점 ( σSU ; U-YP ) : 시편의 평행부가 항복을 시작하기 이전의 최대하중을 평행부 원단면적으로 나눈 값 ( N/㎟ or ㎏f/㎟ ).▶ 하 항복점 ( σSL ; L-YP ) : 시편의 평행부가 항복을 시작한 후에 유지되는 거의 일정한 하중상태에서의 최소하중을 평행부의 원단면적으로 나눈 값.( N/㎟ or ㎏f/㎟ ).▶ 항복강도 ( σε; YS ) : 규정된 영구 연신율을 일으킬 때의 하중을 평행부의 원단면적으로 나눈 값 ( N/㎟ or ㎏f/㎟ ). 특별한 규정 없으면 영구 연신율을 0.2%로 본다.▶ 최대 인장 하중 ({ F}_{max }) : 시편이 견딘 최대 하중 값. ( N or ㎏f ).▶ 인장강도 ( σB ; TS ) : 항복후의 최대 인장 하중을 시편 평행부의 원단면적으로 나눈 값.( N/㎟ or ㎏f/㎟ )▶ 전연신율 (λ) : { ( 하중을 가한 상태에서 표점 간 길이 - 표점거리 ) / 표점거리 } × 100▶ 영구연신율 (ε) : { ( 하중을 가하고 제거한 후의 표점 간 길이 - 표점거리 ) / 표점거리 } ×100▶ 항복 연신율 ( λr ; Y-El ) : 시편 평행부가 항복을 시작할 때부터 일정 응력 상태에서 변 형률 증가 후에 뒤이어 일정하게 응력이 증가할 때까지의 표 점 간 길이 변화의 표점거리에 대한 백분율.▶ 파단 연신율 (δ) : 시편 파단 후의 영구 연신율이다. 혼돈되지 않을 때는 연신율이라 해도 좋음.▶ 단면 수축율 (ψ) : { ( 원 단면적 - 시편 파단 후의 단면적 ) / 원 단면적 } × 100나) 시험 하중 부여 방법 : 하중은 가급적 균일하게 가하는 것이 바람하며, 그 지정은 다음 중 어느 하나의 방법에 따른다.1 응력 증가율 : 상, 하 항복점 및 항복강도를 측정하는 경우에는, 그 측정치에 대응하는 하중 의 1/2 하중까지는 적당한 속도로 하중을 가해도 되지만, 1/2 하중을 초 과한 후에는 상, 하 항복점 및 항복강도까지의 평균 응력 증가율은 강의 경우 1∼3 ㎏f/㎟·s 로측정해야 한다.3 상, 하 항복점 및 항복강도 산출▶ 상 항복점 :시편 평행부가 항복을 시작하기 이전의 최대 하중, 예를 들면 하중 지침을 가 진 시험기에서 지침이 일시 정지 또는 역행하기 이전의 최대 하중, FSU ( ㎏f or N )을 구하여 원 단면적{ A}_{0 }로 나눈다. < σsu = Fsu / Ao ( N/㎟ or ㎏f/㎟ ) >.▶ 하 항복점 : 시편의 평행부가 항복을 시작한 후에 유지되는 거의 일정한 하중상태에서의 최소 하중, 예를 들면 하중 지침을 가진 시험기에서 지침이 일시 정지 또는 역행한 다음에 다시 일시 정지하는 최소 하중, FSL ( ㎏f or N )을 원 단면적{ A}_{0 }로 나눈다. < σSL = FSL / Ao ( N/mm2 or Kgf/mm2 ) >▶ 항복강도 : 아래에 있는 방법 중에 하나로 구함.< σε or YS ( N/㎟ or ㎏f/㎟ ) >(a) Off-set : 규정된 영구 연신율( ε% )에 해당하는 연신율축 상의 점에서 시험 초기의 직 선부에 대해 평행선을 긋고, 이것과 교차하는 점을 나타내는 하중 Fε을 구한 후에 원 단면적{ A}_{ 0}로 나눈다. < σε= Fε/{ A}_{0 }( N/㎟ or ㎏f/㎟ ) >통상적으로 0.2%의 영구 연신율에서 구하며,{ sigma }_{0.2 }= { F}_{0.2 }/{ A}_{0 }로 계산한다.(b) 영구 연신율법 : 항복강도가 규격에 맞는지 여부만 판단할 때 사용. 규정된 연신율에 원 단면적을 곱한 하중을 15초 동안 가하여 얻은 표점간 영구 연신율규 정치 이하인지의 여부만으로 판정함.(c) 온 연신율법 : 규정된 영구 연신율 ε% 가 얻어지는 하중에서 온 연신율 λ% 가 명백할 때는 이 방법으로 항복강도를 결정해도 좋음.< σε(λ) = Fλ /{ A}_{0 }( N/㎟ or ㎏f/㎟ ) >.4 인장강도( σB or TS ) 산출▶ 최대 인장 하중{ F}_{max }( ㎏f or N )를 원 단면적{ A}_{ 0}( ㎟ ) 로 나눈다.▶{ sigma }_{ 점 간의 중심에서 표점 거리의 1/4 이내에서 파단한 경우, B는 A 부분을 제외한 표점 내에서 파단한 경우, C 는 표점 외에서 파단한 경우를 각각 나타낸다.3. 인장시험에서 최적시험조건의 결정가) 규격 상에 나타난 시험조건1 시험조건에서 가장 중요한 것은 시험속도이다. 시험속도는 각 규격에서 응력 속도와 변형율 속도로 제한하고 있으며, 규격마다 조금씩 다르기 때문에 산업체마다 적용 값이 다소 차이가 나므로 통일시킬 필요가 있는 부분이다.2 각종 규격에서 제시하는 시험속도에 대한 규정은 다음의 Table 1 및 Table 2 와 같다.표준규격KSJISASTMBSDINISO응력속도(㎏/㎟·s)상한 : 3하한 : 1상한 : 3하한 : 1상한 : 1.17하한 : 0.12상한 : 3상한 : 3상한 : 3하한 : 0.3cross-head 속도(about, mm/min)상한 : 7하한 : 1.5상한 : 7하한 : 1.5상한 : 2.5하한 : 0.5상한 : 7상한 : 7상한 : 7상한 : 0.8Table 1. 규격에서 제공하는 시험속도 ( 응력 속도 ) 범위에 해당하는 cross-head 속도* cross-head 속도는 박판재 (mild steel, CQ, 0.7∼1.2t)를 대상으로 시험한 결과를평균한 개략적인 값임.* 상기 내용은 강을 기준으로 하였으며, KS 및 JIS에서 알루미늄 및 그 합금의경우는 하한 규정이 없음.표준규격KSJISASTMBSDINISO변형율속도(%/min)상한 : 80하한 : 20상한 : 80하한 : 20상한 : 50하한 : 5상한 : 90상한 : 90상한 : 90cross-head 속도(about, mm/min)상한 : 60하한 : 15상한 : 60하한 : 15상한 : 35하한 : 3.5상한 : 70상한 : 70상한 : 70Table 2. 규격에서 제공하는 시험속도(변형률 속도) 범위에 해당하는 cross-head 속도* cross-head 속도는 박판재 (mild steel, CQ, 0.7∼1.0t)를 대상으로 시험한 결과를평균한 개략적인다.
실 험 계 획 서3조원: 한정욱(1999706012)김중희(1996106021)김준식(1996106020)오영근(1998106033)1. 실험 목적스트레인 게이지를 사용하여 Al 6061의 E(Young`s modulus)와{nu(poisson`s ratio)를 구한다.2. 실험 기구1 Al 6061 시편2 스트레인 게이지(2축게이지)3 인장시험기(SHIMATZU)4 샌드페이퍼5 세척제(아세톤)6 접착제7 스카치테이프3. 실험 방법1 시편에 묻어 있는 이물질 및 기름기를 제거 한다.2 샌드페이퍼를 이용 시편을 사포질을 한다. 작업면에 기계가공면이나 흠집등이 없어질 때 까지 사포질한다.3 게이지를 붙일 곳에 날카로운 것으로 직각이 되도록 금을 긋는다. 도구를 사용할때는 너무 깊이 상처가 나지 않도록 주의한다.4 시편을 깨끗하게 닦고 중화후 건조시킨다.5 스카치 테이프를 이용하여 스트레인 게이지를 고정시킨 후 접착제(에폭시계열, 순간접 착제)를 이용 스트레인 게이지와 시편을 접착한다. 이때 미리 Scripe한 것을 보면서 정확히 접착시킨다.6 스트레인 게이지와 시편이 접착이 될 때까지 고정시킨다.7 인장시험기와 결선- 인장시험기 매뉴얼을 이용하여 내용을 숙지한 후 실험에 들어간다.8 step loading 방법을 이용하여 실험을 한다.{{{하중{60Mpa{{{{{{{{{{{{20Mpa{{{{10Mpa{시간fig.1- AL6061의 항복강도가 82Mpa1)이므로 탄성적으로 거동 할 것 같은 범위를 60Mpa이하라 가정하고 응력을 각 10Mpa씩 6단계를 거처 일정 시간을 유지한후 응력과 변형률을 구해낸다.9 위 실험에서 얻어진 응력과 변형률을 이용하여 탄성계수를 구한다.{{{{σ σ{xxxxx-{xxx{ε εfig.2 fig.3- step loading 방법으로 얻어진 응력과 변형을 fig.2과 같이 도시한후 최소자승법2)을 이용하여 fig.3처럼 다시 도시한다. 그후 fig.3에서 hook`s의 법칙3)을 이용하여 탄성계수를 계산해낸다⑩ 가로축과 세로축에 변형률을 이용하여 poisson`s ratio를 구한다.- {v= { - epsilon _d} over { epsilon _l }(εl : 축방향 변형, εd : 직각방향의 변형)식을 이용하여 poisson`s ratio을 구한다.4)⑪ 얻어진 결과와 예상 결과 차이점을 비교분석한다.4. 결과 예상주어진 시편 Al6061의 정확한 함량과 실험조건들이 이상적이라면 통상 실험상에서 얻을 수 있는 E(Young`s modulus)와 {upsilon(poisson`s ratio)를 구할 수 있을 것이다.5. 실험의 원리1) strain의 정의외력에 대한 물질의 변형 정도를 말하며 'ε' 로 표시 (Strain = ΔL / L = in / in = ㎜/㎜)통상 미세한 변형률을 측정하므로 'microstrain' 용어 사용- 0.000001 ㎜/㎜ 의 변형률을 1 microstrain 이라 하며 1 ue 로 표시한다. 이는 1 meter에 대하여 1 micrometer의 변형을 말함.2) Poisson's Ratio외력에 의해 발생되는 종방향의 변형과 동시에 횡방향의 수축 현상이 발생.-->>이때의 종방향의 변형과 횡방향의 변형의 비율을 Poisson's ratio 라 하며 'ν' 로 표시.응력 측정 및 기타 필요한 항목의 측정에 중요한 인자로 사용됨.- 통상의 값은 0.28 - 0.33 의 범위에 있으며 Poisson's Ratio 를 모르는 경우에는 (대개의 복합 소 재로 구성된 물질 또는 non-homogeneous material) Tee rosette gage 나 두 개의 single axis gage를 이용하여 그 값을 구하여 사용.3) Young's Modulus응력과 스트레인 사이의 비례 상수를 물질의 탄성 계수(Young's Modulus)라 하며 E'로 표시.- Hooke에 의해 17세기에 발견되어 Hooke 법칙이라 불리며 그 식은 다음과 같다.σ = E × ε4) Gage FactorGage Factor은 일반 sensor와 같이 Strain gage가 가지는 특유의 특성(Sensitivity)을 말함.-Strain gage를 만들 수 있는 모든 재료에 대하여 각각의 Gage Factor는 아래식으로 계산.저항(R) = 저항율(ρ) ×도선의 길이(L) / 도선의 단면적(A)Gage Factor (F) = ( ΔR/R) / (ΔL/L) = (ΔR/R) / ε= 1 + 2ν + (Δρ/ρ) / (ΔL/L)-통상 Gage Factor는 2.0을 기준으로 제작되어지며 주로사용되는 것은 아래와 같음Constantan alloy (45% Ni, 55% Cu) : 일반용에 많이 사용Annealed Constantan alloy : High-elongation에 많이 사용Isoelastic alloy (36% Ni, 8% Cr, others) : Fatigue용으로 많이 사용Nickel-chrome alloy (80% Ni, 20% Cr) : 고온용으로 많이 사용5) Strain Gage의 원리Strain gage의 종류는 수천 가지가 있으며, 대표적으로 단축 게이지와 Rosette 게이지 두 가지로 분류할 수 있고 application하고자 하는 목적 및 실험 환경, 온도 등을 잘 고려하여 선택하여야 한 다. 미세한 저항값의 변화를 정확히 측정해야 하기 때문에, 게이지를 부착하기 위해 사용되는 각종 액세서리의 올바른 선택 및 사용에 유의해야 함.R = ρ ×L/A(R = Resistance, ρ= Resistivity, L = Length, A= Area (x Section)F = ( ΔR/RG ) / (ΔL/L) = (ΔR/RG ) / ε(R = Resistance Change, RG = Gage Resistance, ε= Strain)6) Strain gage의 구분 및 종류-갯수에 따른 분류하나의 base에 몇 개의 gage로 구성되어 있는가로 분류되며 주로 single gage(하나의 gage로 구성)와 2개 이상의 gage로 구성되어지는 rosette gage로 구분함.-Gage length에 따른 분류실제 측정할 gage의 길이에 따라 분류되며, 작게는 0.4 ㎜ 에서 크게는 50 ㎜까지의 크기가 있 다. 작은 gage는 홈 등의 국수적인 부분에 사용되며, 큰 gage는 토목 및 건축용으로 이용된다.통상 3.2 ㎜ gage가 가장 널리 이용된다.7) Strain Gage의 부착Strain gage의 응용은 gage의 부착으로부터 시작되며 보다 정확한 부착이 측정한 데이터의 신뢰 도를 높여주게 되는데, Gage의 부착은 부착 위치를 선정한 다음 부착할 곳의 표면처리를 시작으 로 보호제의 사용까지, 다섯 단계를 거쳐 그 작업이 완료되며 그 순서는 다음과 같다.- 표면처리 : Degreaser를 이용하여 시료의 표면의 oil 등의 불순물제거 후 매끄럽게 연마.- 위치의 선정 : gage를 측정 위치에 정확히 위치하기 위한 작업으로서 사용도구는 연필, 스카치 테잎, cotton swab, neutralizer 등이 이용.1. Gage를 붙일 지점을 연필(또는 볼펜 등)로 눈에 보일 정도로 선을 그어주되, 만약 현장(야 외) 작업시 거의 정확히 붙일 수만 있다면 이 작업은 생략이 가능. 너무 깊게 선을 그을 경 우 이는 gage의 측정치에 영향을 줄 수 있음.2. Gage를 스카치테잎 등을 이용하여 정해진 위치에 옮긴 다음 접착제를 붙일 준비.- Gage의 접착 : 위치가 선정된 gage는 시료와의 접착을 하게 되며 접착에는 Strain gage용의 특 수한 bond가 이용된다. 일반 bond의 경우는 접착제, 촉매제 및 Solvent로 구성이 되며, 고온용의 경우에는 Resin, Curing agent 및 혼합도구 등이 이용됨.- Gage의 결선 (lead wire 부착) : Strain gage를 사용할 amplifier와의 결선을 위해 납땜을 하게 되며 이 부분은 실제로 gage의 부착에 있어 중요한 역할을 하 게 된다. (즉, 납땜시 gage 의 grid를 손상시키거나 서로 연결 되어 통전이 되기도 하며, 단선이 되기도 한다.) 결선에 사용 되는 도구로는 납, 납땜기, lead wire, terminal, flux 등8) 축방향 하중(axial loading)에 의해서 축하중 방향에 수직인 방향에도 변형률(lateral strain)이 발 생하는데 이 변형률을 ε"이라 하면, 이 변형률은 축방향 응력 σ에 비례하고, 부호는 반대가 된 다. 즉, ε" 비례 -σ, 비례정수를 1/E"이라 하면,ε" = - σ / E" = -Eε / E"다음과 같이 축방향 변형률 ε과 축방향에 수직인 방향의 변형률 ε" 의 비의 절대치를 포아손 비(Poisson's ratio)라 하고, 일반적으로 ν (nu)로 나타낸다.재료 탄성계수 E :대표치 (GPa) 포아손 비ν 밀도ρ(g/cm3)철강(鐵鋼) 193∼212 : 207 0.27∼0.30 7.87주철(鑄鐵) 104∼186 0.26∼0.28 7.12∼7.45알루미늄(Al)합금 69∼76 : 70 0.33∼0.35 2.70동(銅, Cu)합금 104∼124 : 110 0.34∼0.35 8.96티타늄(Ti)합금 107∼120 : 107 0.32∼0.36 4.51니켈(Ni)합금 180∼214 : 207 0.31 8.9마그네슘(Mg)합금 45 0.29 1.74텅스텐(W)합금 407∼411 : 411 0.28∼0.29 19.3금(Au) 78 0.42∼0.44 19.32표에서 보는 바와 같이, 포아손 비는 금, 은을 제외하고는 거의 0.3 부근의 값이 되고 있어, 금속재 료의 대표값으로 0.3을 사용.Al6061의물성치{AlloyTemperTensile strength, psiTensile yield strength(a), psiElongati-on % in 2 in.
