본문내용
1. 인장 실험
1.1. 실험 목적
인장 실험의 목적은 재료의 인장강도, 항복점, 연신율, 단면수축률 등의 기계적인 성질과 탄성한계, 비례한계, 푸아송 비, 탄성계수의 물리적인 특성을 알아보는 것이다. 이 실험을 통해 일반적인 만능재료 시험기와 Extensometer의 사용법을 익히고 그 작동원리를 알아보며 계산된 값들을 비교한다.""
1.2. 실험 이론
1.2.1. 훅의 법칙
대부분의 재료는 힘을 가하였을 때 변형이 발생하게 된다. 이때 변형의 정도는 가해진 응력에 비례하게 된다. 이러한 관계를 훅의 법칙이라고 한다.
훅의 법칙에 따르면, 재료에 작용하는 응력과 변형률 사이에는 비례관계가 성립한다. 즉, 응력(σ)과 변형률(ε)의 비가 일정하다. 이 비례상수를 탄성계수(E) 또는 영률이라고 한다. 수식으로 나타내면 다음과 같다.
σ = E × ε
여기서 σ는 응력, ε은 변형률, E는 탄성계수이다. 이 관계는 재료가 탄성변형 구간 내에서만 성립하며, 응력이 증가하여 재료가 소성변형을 하게 되면 더 이상 성립하지 않는다.
훅의 법칙이 적용되는 구간을 탄성 영역이라고 하며, 재료에 가해지는 응력이 이 구간을 넘어서면 재료는 소성변형을 하게 된다. 이 때 응력과 변형률의 관계는 더 이상 직선적이지 않고 곡선 형태로 나타나게 된다.
따라서 훅의 법칙은 재료의 탄성변형 구간 내에서만 성립하는 중요한 관계식이며, 재료의 기계적 성질을 이해하는 데 있어 기본이 되는 개념이라고 할 수 있다.
1.2.2. 탄성 계수
탄성 계수는 재료의 강한 정도를 나타내는 값이다. 재료에 힘을 가하면 재료가 변형되는데, 이때 재료에 가해지는 힘과 변형의 정도는 비례관계를 갖는다. 이 비례관계의 기울기를 탄성계수라고 한다.
탄성계수는 재료의 단위단면적에 가해지는 힘과 그에 따른 단위길이당 신축량의 비율로 표현된다. 즉, 탄성계수 E = σ / ε 로 나타내며, 여기서 σ는 응력, ε은 변형률을 의미한다. 탄성계수가 클수록 재료가 같은 힘에 대해 변형이 적게 일어나므로 더 강한 재료라고 할 수 있다.
철사나 막대의 경우, 단위단면적당 인장력과 단위길이당 신축량의 비를 영률 또는 Young's Modulus라고 한다. 물체에 압축력이 가해질 때의 부피 변화와 관련된 탄성계수를 부피탄성률이라 하며, 물체에 전단력이 가해질 때의 변형과 관련된 탄성계수를 전단탄성률이라 한다.
일반적으로 재료의 탄성계수는 물질의 내부 원자배열과 결합력에 의해 결정되며, 같은 재료라도 제조 과정과 상태에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 따라서 정확한 탄성계수 값을 얻기 위해서는 실험을 통해 측정할 필요가 있다.
1.2.3. 푸아송비
푸아송비는 재료에 생긴 가로변형과 세로변형의 비를 나타내는 값이다. 재료에 어느 한 방향으로 단순한 수직변형력을 작용시키면, 그 방향에 세로변형 ε이 생김과 동시에 그것과 수직인 방향에 반대부호인 가로변형 ε'가 생기게 된다. 이 가로변형 ε'와 세로변형 ε과의 비는 탄성한도 내에서 같은 재료에 대해서는 일정한 값을 가진다. 이 비를 푸아송비라고 한다.
푸아송비는 모든 재료에서 0.5보다 작으며, 금속재료에서는 약 0.3 정도의 값을 갖는다. 즉, 재료에 인장응력을 가하면 길이방향으로 늘어나면서 동시에 그에 수직인 방향으로 수축하게 되는데, 이때 길이방향 변형률과 폭방향 변형률의 비가 푸아송비가 되는 것이다.
푸아송비가 낮을수록 재료의 형상 변화가 작고, 높을수록 형상 변화가 크다고 할 수 있다. 금속재료의 경우 약 0.3 정도의 푸아송비를 갖는데, 이는 금속 원자격자의 구조상 인장이나 압축방향으로의 변형이 상대적으로 크기 때문이다. 반면 고무와 같은 고분자 재료는 0.5에 가까운 푸아송비를 가지는데, 이는 고분자 사슬의 유동성이 커서 형상 변화가 크기 때문이다.
푸아송비는 재료의 구조와 밀접한 관련이 있으며, 이를 통해 재료의 거동을 이해할 수 있다. 또한 구조물 설계 시 재료의 푸아송비를 고려하여 적절한 단면 형상을 선정할 수 있다. 따라서 푸아송비는 재료역학 및 구조해석에 있어 중요한 물성 변수로 활용된다.
1.2.4. 항복 강도
항복 강도는 재료가 힘을 받아 소성변형(plastic deformation)을 일으키는 지점에서의 응력을 의미한다"". 재료에 외력을 가하면 처음에는 탄성변형(elastic deformation) 구간에서 응력과 변형률의 관계가 선형적으로 나타난다. 이 구간에서는 하중을 제거하면 재료가 원래 상태로 돌아간다. 그러나 외력이 더 증가하면 재료는 소성변형 구간에 들어가게 되고, 이 때의 응력이 항복 강도이다"".
일반적으로 항복 강도는 응력-변형률 선도에서 비례한도를 지나서 변형률이 급격히 증가하기 시작하는 지점의 응력으로 정의된다"". 이 지점 이후에는 재료가 영구적인 변형을 하게 되므로, 항복 강도는 재료의 소성변형이 시작되는 응력 수준을 나타낸다고 볼 수 있다"".
연성 재료의 경우 항복 강도가 명확하게 나타나지만, 취성 재료의 경우에는 뚜렷한 항복점이 존재하지 않아 항복 강도를 정확히 정의하기가 어렵다"". 이 경우에는 0.2% 오프셋 방법을 사용하여 항복 강도를 결정한다"".
항복 강도는 재료의 기계적 성질을 나타내는 중요한 지표 중 하나로, 기계 설계 시 허용응력 결정이나 부품의 강도 평가 등에 널리 활용된다"". 따라서 재료의 항복 강도를 정확히 파악하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다"".
1.2.5. 오프셋 법
오프셋 법은 금속이나 플라스틱과 같은 재료에서 탄성영역의 직선구간을 벗어나는 점을 찾기가 쉽지 않을 때 사용되는 방법이다. 이 방법은 재료의 항복강도를 알아내기 위해 사용된다.
오프셋 값은 연신율(% of strain)로 정하는데, 금속의 경우 대개 0.2%를, 플라스틱의 경우 2%가 사용된다. 즉, 탄성영역의 직선구간의 접선을 연신축을 따라 0.2% 수평이동하여 이 접선이 만나는 인장곡선에서의 응력값은 0.2% 오프셋 항...
