1) 서론인장시험은 재료의 변형에 따른 저항성의 크기를 측정하는 실험으로, Stress-Strain curve를 얻을 수 있다. 이 그래프를 분석하여 재료의 인장강도 및 항복강도, 파괴강도, 연신율, 탄성계수 등을 구할 수 있다. 이 정보들은 재료의 기계적 성질과 연관되므로 중요하다.인장강도는 Stress-Strain curve에서 최대 응력점이다. 최대 인장점까지는 시편의 게이지 길이의 모든 부분에서 균일하게 변형이 일어난다. 그러나 최대 인장점 이후에는 시편의 어는 한 부분이 수축하고, 그 부분에 변형이 집중되는 necking 현상이 일어난다. 이 necking 부분에서 파괴가 일어나게 되고, 파괴가 일어나는 응력을 파괴강도라고 한다. 항복강도는 소성변형이 일어나기 시작하는 응력으로, Stress-Strain curve의 탄성 영역과 같은 기울기를 가지는 선을 그어 변형률 축을 따라 0.002만큼 수평 이동했을 때 곡선과 만나는 점이다. 연신율은 파괴가 일어날 때까지의 소성변형의 정도를 나타낸다. 시편의 초기 게이지 길이와 파괴 후 길이를 측정하여 구할 수 있다. 탄성계수는 Stress-Strain curve의 탄성변형 구간에서의 기울기로부터 구할 수 있다.금속의 열처리 공정은 금속의 물성이 달라지게 한다. 우리는 미세조직 관찰을 통해 열처리 방법에 따라 열처리 전후 금속의 기계적 물성이 어떻게 변하는지에 대하여 예측할 수 있다. 본 실험의 목적은 Fe-0.2wt%C와 미지시료(순철)의 열처리가 진행되면서 미세구조가 어떻게 변화하고, 변한 미세구조가 기계적 성질에 어떤 영향을 끼치는지를 비교하기 위함이다.인장시험에서는 인장 시험기와 제어컴퓨터(UTM) 그리고 시편이 필요하다. 인장 하중 하에서 응력-변형률 시험이 행해지는데, 시편의 장축을 따라 인장 하중을 점차 증가시키면 시편이 변형되다가 끊어지게 된다. 인장 시험기는 시편을 일정한 속도로 잡아당겨 작용 하중과 그에 따른 변형량을 측정한다.인장시험을 통해 얻은 Stress-Strain curve는 공칭응력과 공칭변형률로 나타낸다. 그러나 공칭응력은 necking 부분의 면적 감소를 고려하지 않기 때문에 부피가 일정하다는 가정이 틀리게 되어 정확한 응력 값이 아니다. 따라서 진응력과 진변형률 값을 구해 소성변형으로 인한 단면적 감소를 고려하는 실제 값을 얻을 수 있다.2) 실험방법?시험시료시료1: 열처리 전 Fe-0.2wt%C시료2: 열처리 후 Fe-0.2wt%C시료3: 열처리 전 순철시료4: 열처리 후 순철버니어캘리퍼스를 이용하여 인장시편의 length, thickness, width를 측정한다.[시편의 모양]?인장시험 방법시편의 인장시험은 인장 시험기와 제어컴퓨터(UTM)을 사용하여 진행한다. 응력집중이 생기지 않도록 시편 표면의 산화막과 다른 이물질을 샌드페이퍼에 갈아 제거한 후 인장시험을 한다. 인장시험에서 변형속도는 0.3702mm/min의 속도로 하였다. 시료의 양 끝은 인정시험기에 고정하고, 컴퓨터의 프로그램을 실행한 후에 0.3702mm/min의 속도로 천천히 양 끝을 잡아당긴다. 인장시험이 진행됨에 따라 그래프가 그려지는데, 이 그래프를 분석하여 시편의 물성을 알아낼 수 있다.?항복강도/연신율/인장강도 평가 방법인장시험을 통해 측정된 값으로 만들어진 Stress-Strain curve를 분석하여 항복강도, 연신율, 인장강도 등의 기계적 물성을 평가할 수 있다. 탄성변형에서 소성변형으로 바뀌는 시점으로 항복강도, 최대 인장 하중을 받는 시점으로 인장강도, 끊어지는 시점으로 파괴강도, 파괴되는 시점의 변형률로 연신율을 측정할 수 있다. 항복강도는 변형률 0.2% Offset 법에 따라 결정하였으며, 인장강도는 최대 하중을 시편의 초기 면적으로 나누어 결정하고 연신율은 시편이 파괴되었을 때의 변형률에서 탄성변형으로 인한 변형률을 회복하는 것을 고려하여 결정하였다.?열처리 방법1시간 동안 900℃까지 온도를 올린 후, 30분 동안 가열을 유지하고, water quenching 한다. (수냉)1시간 동안 900℃까지 온도를 올린 후, 9시간 동안 가열을 유지하고, 8시간 동안 furnace 안에서 노냉한다.3) 실험결과?변형률-응력 그래프?항복 응력, 연신율, 인장 응력Fe-0.2wt%C 열처리 전(시료1)Fe-0.2wt%C 열처리 후(시료2)순철 열처리 전(시료3)순철 열처리 후(시료4)항복강도(MPa)약 230약 770약 355약 170시료2 > 시료3 > 시료1 > 시료4인장강도(MPa)약 438.55약 952.62약 444.68약 278.6시료2 > 시료3 > 시료1 > 시료4연신율(%)약 29.35약 16약 38.95약 27.04시료3 > 시료1 > 시료4 > 시료2?열처리 전후 기계적 물성 비교Fe-0.2wt%C 시료의 수냉을 이용한 열처리 전후를 비교했을 때, 항복강도와 인장강도는 증가하였고, 연신율은 감소하였다. 순철 시료의 노냉을 이용한 열처리 전후를 비교했을 때, 항복강도와 인장강도는 감소하였고, 연신율 또한 감소하였다.수냉 후 Fe-0.2wt%C의 인장강도는 952.62MPa, 노냉 후 순철의 인장강도는 278.6MPa로 인장강도는 노냉보다 수냉에서 더 큰 값을 얻었다. 항복강도 또한 노냉보다 수냉에서 더 큰 값을 나타냈다.순철의 열처리 전 연신율은 38.95MPa이고, Fe-0.2wt%C의 열처리 전 연신율은 29.35MPa로 순철일 때의 연신율이 더 크다. 이를 통해 탄소가 연신율에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 탄소가 고용될수록 연신율은 감소하는 것으로 생각된다. 열처리 후의 연신율은 수냉에서보다 노냉에서 더 크게 측정되었다.?열처리 후 미세조직 변화 기술아공석강이므로 열처리 전의 미세조직에는 페라이트와 펄라이트가 존재한다. 수냉한 시편에서는 침상형 마르텐사이트가 관찰된다. 마르텐사이트 결정립 내에 존재하는 슬립면 등의 단차에 의한 부식 차이 때문에 마르텐사이트가 어둡게 관찰되었다. 미세한 침상형 마르텐사이트가 형성되어 많은 결정립계가 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서 수냉 후의 시편은 마르텐사이트가 주를 이루기 때문에 높은 기계적 강도와 낮은 연성을 나타낼 것이라고 예상할 수 있다.노냉 열처리 후에는 8시간 동안의 느린 냉각속도로 인해 결정립들이 합쳐져 조대한 결정립이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 노냉 후의 시편은 결정립의 크기가 커지기 때문에 결정립계가 적어진다. 따라서 낮은 기계적 강도를 나타낼 것이라고 예상할 수 있다.4) 토론 및 결론?강도가 “열처리 후 Fe-0.2wt%C” > “열처리 전 Fe-0.2wt%C” > “열처리 전 순철“ > “열처리 후 순철“인 이유Fe-0.2wt%C는 수냉 열처리를 하였고, 순철은 노냉 열처리를 하였다. 수냉은 냉각속도가 빨라 미세구조가 매우 작은 상태로 냉각되어 결정립계가 많다. 이는 전위의 이동을 방해하여 소성변형이 일어나기 힘들게 하므로 강도가 커진다. 노냉은 천천히 냉각하여 미세구조가 커져 결정립계가 적다. 이는 전위의 이동을 더 쉽게 하여 소성 변형이 비교적 잘 일어나게 하므로 강도가 작아진다. 따라서 수냉 처리한 Fe-0.2wt%C의 강도가 노냉 처리한 순철의 강도보다 크다.
