본문내용
1. 재료역학 실험
1.1. 인장 시험
1.1.1. 공칭응력-공칭변형률 선도와 기계적 성질
인장 시험에 사용된 시료로는 알루미늄, 황동, 강의 3종류가 사용되었다. 각 시료의 공칭응력-공칭변형률 선도를 그려 탄성계수, 항복강도, 인장강도를 측정하고 이를 KS 표준 기계적 성질과 비교하였다.
알루미늄의 경우 KS 표준 기계적 성질은 탄성계수 70GPa, 항복강도 50MPa 이상, 인장강도 120MPa 이상이다. 반면 실험에서 측정한 알루미늄의 기계적 성질은 탄성계수 20GPa, 항복강도 325MPa, 인장강도 341.511MPa로 나타났다. 탄성계수는 표준값보다 크게 낮았지만, 항복강도와 인장강도는 표준값을 크게 상회하였다.
황동의 경우 KS 표준 기계적 성질은 탄성계수 110GPa~130GPa, 항복강도 160MPa 이상, 인장강도 250MPa 이상이다. 실험에서 측정한 황동의 기계적 성질은 탄성계수 17.943GPa, 항복강도 320.291MPa, 인장강도 430.951MPa로 나타났다. 탄성계수는 표준값보다 크게 낮았지만, 항복강도와 인장강도는 표준값을 크게 상회하였다.
강의 경우 KS 표준 기계적 성질은 탄성계수 200GPa, 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 500MPa 이상이다. 실험에서 측정한 강의 기계적 성질은 탄성계수 30.59GPa, 항복강도 594.527MPa, 인장강도 655.624MPa로 나타났다. 탄성계수는 표준값보다 크게 낮았지만, 항복강도와 인장강도는 표준값을 크게 상회하였다.
각 재료의 실험 결과를 종합해 보면, 탄성계수는 KS 표준값보다 모두 크게 낮게 나왔지만 항복강도와 인장강도는 표준값을 상회하는 결과가 나왔다. 이러한 차이는 시료의 제조 과정에서의 문제, 측정 장비의 오차, 실험 방법의 한계 등 다양한 요인에 의한 것으로 추정된다. 실험값과 이론값의 차이를 최소화하기 위해서는 반복 실험과 측정 장비의 정확도 향상, 실험 조건의 개선 등이 필요할 것으로 보인다.
1.1.2. 연신율과 단면감소율, 연성 비교
시험 전 표점 거리와 초기 상태의 지름을 측정한 결과, 알루미늄은 51.5mm와 8mm, 황동은 49.3mm와 8mm, 강은 50.1mm와 8mm였다. 시험 후 측정 결과, 알루미늄은 59.2mm와 6mm, 황동은 59.3mm와 6.4mm, 강은 53.5mm와 5.5mm로 나타났다.
이를 바탕으로 연신율과 단면감소율을 계산하면 다음과 같다. 알루미늄의 연신율은 14.95%, 단면감소율은 25%였다. 황동의 연신율은 20.284%, 단면감소율은 20%였다. 강의 연신율은 6.786%, 단면감소율은 31.25%였다.
이를 통해 알루미늄, 황동, 강 순으로 연성이 높다는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 황동은 알루미늄보다 연성이 더 높고, 알루미늄은 강보다 연성이 더 높다는 것이 이론적 배경이다. 따라서 실험 결과는 이론적 예상과 일치한다고 볼 수 있다.
1.1.3. 진응력-진변형률 선도
인장 시험에서는 공칭응력-공칭변형률 선도를 통해 재료의 기계적 성질을 알아볼 수 있었으나, 이는 시험 전 시료의 초기 단면적을 기준으로 계산한 값이므로 실제 시험 과정에서 변화하는 단면적을 고려하지 않은 것입니다. 따라서 진응력-진변형률 선도를 그려 실제 변형 과정에서의 응력-변형률 관계를 살펴볼 필요가 있습니다.
진응력-진변형률 선도는 공칭응력-공칭변형률 선도와 달리 시험 도중 감소하는 실제 단면적을 고려하여 계산한 것으로, 공칭응력-공칭변형률 선도와 비교했을 때 전체적인 응력 값이 증가함을 알 수 있습니다. 이는 실제 단면적의 감소를 반영한 결과로, 공칭응력-공칭변형률 선도가 실제 재료 거동을 충분히 설명하지 못하는 한계를 보완할 수 있습니다.
실험 결과, 알루미늄, 황동, 강 세 가지 시료 모두 진응력-진변형률 선도를 통해 공칭응력-공칭변형률 선도에 비해 응력 값이 증가한 것을 확인할 수 있었습니다. 이는 재료의 실제 단면적 감소를 반영한 것으로, 공칭응력-공칭변형률 선도만으로는 재료의 거동을 정확하게 파악하기 어려움을 보여줍니다.
알루미늄의 진응력-진변형률 선도는 일정 구간까지 공칭응력-공칭변형률 선도와 유사한 양상을 보이다가 그 이후 응력 값이 크게 증가하는 것을 알 수 있습니다. 황동과 강의 경우에도 진응력-진변형률 선도가 공칭응력-공칭변형률 선도에 비해 전반적으로 응력 값이 증가한 것을 확인할 수 있었습니다.
이처럼 진응력-진변형률 선도는 실제 재료 거동을 보다 정확하게 반영할 수 있는 중요한 지표로, 공칭응력-공칭변형률 선도와의 비교를 통해 재료의 특성을 보다 깊이 있게 이해할 수 있습니다. 이는 재료의 설계 및 활용 측면에서 유용한 정보를 제공할 수 있을 것입니다.
1.1.4. 시료의 파단면 특성
시료의 파단면 특성은 재료의 연성과 취성을 판별할 수 있는 중요한 요소이다. 실험을 통해 관찰한 바에 따르면, 알루미늄 시료의 파단면은 Cup and Cone 형태로 나타나 큰 네킹(Necking)이 발생하였음을 알 수 있다. 이는 알루미늄이 연성 재료라는 것을 보여준다. 반면 강 시료의 파단면도 Cup and Cone 형태를 보였지만, 알루미늄에 비해 상대적으로 네킹이 적게 발생하였다. 황동 시료의 경우 네킹이 거의 일어나지 않았고 Cup and Cone 현상도 뚜렷하게 관찰되지 않았다.
이를 통해 세 가지 시료 모두 연성 재료이지만, 알루미늄이 가장 높은 연성을, 황동이 가장 낮은 연성을 나타냄을 확인할 수 있다. 재료의 연성은 변형 능력을 의미하는데, 네킹 발생 정도와 Cup and Cone 형태 정도로 연성을 비교할 수 있다. 따라서 알루미늄, 강, 황동 순으로 연성이 우수하다고 볼 수 있다.
1.1.5. 실험 결과 요약 및 토의
인장 시험에는 알루미늄, 황동, 강을 사용하였고 이 시료들의 공칭응력-공칭 변형률 선도 그래프를 그리고 시험을 통해 구한 탄성계수, 항복강도, 인장강도를 KS 표준 기계적 성질 값과 비교를 해보았으며 또한 연신율과 단면 감소율, 연성 비교를 해 보았으며 마지막으로는 진응력-진변형률 선도 그래프를 그려보았다.
우선 탄성계수, 항복강도, 인장강도를 보면 세 시편 모두 다 항복강도와 인장 강도는 KS 표준 기계적 성질 값과 거의 유사하지만 탄성계수는 모두 KS 표준 기계적 성질 값과 너무 다른 시험 값이 나왔다. 시험은 어쩔 수 없이 오차가 발생하기 마련인데 그 이유를 몇 가지 들어보자면 시료가 제조 과정에서 잘못 만들어졌을 수도 있으며 이에 따른 물리적, 화학적 특성에 의해 결괏값이 잘못 나왔을 수도 있으며 측정 장비에 의해 오차가 발생하여 시험 결괏값에 오차를 초래했을 수도 있지만 세 시료가 모두 같은 추세를 보이는 것으로 보아 측정 장비가 문제가 있을 것 같다는 생각이 든다.
연신율과 단면감소율에 대해서 보면 연신율은 황동 > 알루미늄 > 강이며 단면 감소율은 강 > 알루미늄 > 황동 순이다. 연신율은 이론적으로도 황동 > 알루미늄 > 강 순으로 되어야 하여 단면 감소율 또한 이론적으로 황동은 20~40%, 알루미늄은 10~30%, 강은 15~40%가 되어야 하므로 성공적인 시험을 했다고 볼 수 있다.
진응력-진변형률 선도를 보면 초기 단면적이 아닌 실제 시험 과정을 통해 감소한 단면적으로 계산을 해서 그래프를 보면 공칭응력-공칭변형률 선도와 비교했을 때 전체적인 응력 값이 모두 증가함을 볼 수가 있다.
파단면을 살펴보면 알루미늄이 가장 큰 네킹을 보이고 Cup and Cone 형상을 띄고 있음을 관찰할 수 있었으며 그다음으로는 스틸이 네킹을 보이며 Cup and Cone 현상을 띄고 있음을 알 수 있었지만 황동은 네킹이 거의 일어나지 않음을 볼 수 있었고 Cup and Cone 현상 또한 눈에 엄청나게 띄게 보이지 않음을 시험을 통해 알 수 있었지만 세 가지 시료가 모두 연성 재료임을 알 수 있다.
결론적으로 시험은 여러 조건과 상황에 따라 값이 항상 달라지므로 여러 번의 반복 시험을 통해 결괏값의 정확도를 높이는 것이 중요하다고 볼 수 있다.
1.2. 비틀림 시험
1.2.1. 토크-단위길이당 비틀림각 관계
토크-단위길이당 비틀림각 관계에서는 비틀림 시험을 통해 토크와 단위길이당 비틀림각 사이의 상관관계를 확인할 수 있다.
비틀림 시험은 재료의 전단응력-전단변형률 특성을 파악하고 소성 변형 영역에서 재료의 전단강도를 측정...
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