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금속 재료의 인장 강도 시험

1. 실험개요-실험목적 : 인장시험은 공업용 재료의 기계적 성질을 알기 위한 기본적인 시험으로써 일정한 속도로 반대방향으로 잡아당기는 힘에 대한 물질의 저항성을 측정하는 실험이다. 재료강도에 관한 기본적인 설계 정보를 얻기 위해 가장 널리 사용된다. 이를 통해 공업용 재료의 변형 과정과 응력의 변화를 조사하며, 재료의 항복강도, 인장강도, 연신율, 단면 수축율 등의 기계적인 특성과 탄성한계, 비례한계, 푸아송비, 탄성계수의 물리적 특성을 구하는 것을 목적으로 한다.또 인장시험에 의해 구해지는 재료의 강도는 횡단면에 수직으로 작용하는 응력에 대한 시료의 강도 값으로 Notch나 그 외의 원인으로 분포가 일정하지 않은 응력을 받는 경우의 항복점이나 파단강도는 재료가 항복이나 파괴에 따른 역학적 조건과 인장시험의 결과를 고려하여 대략 추정된다. 그리고 압축하중이나 반복하중에 의한 재료의 강도도 인장강도에 대한 비율로서 간주되는 예가 많다. 즉 시험기를 사용하여 시험편을 서서히 인장하여 항복점, 항복강도, 인장강도, 연신율, 단면수축율 등을 측정하는데 목적이 있다.- 실험일시 및 실험장소 : 2011년 10월 6일 6공학관 지하 인장실험실2. 관련이론- 강 및 스테인레스 강에 대한 기본적 이론 :a. 강의 특징 : 강은 학술적으로는 탄소를 0.035-1.7% 포함한 것이나 보통 0.04-0.6% 정도의 것이 많다. 강에는 다른 금속원소가 많이 포함되지 않고 주로 탄소만 함유된 것을 탄소강 또는 보통강이라 하고, 니켈, 크롬, 망간, 텅스텐, 몰리브덴 등의 특수 금속원소가 포함된 강을 특수강 또는 합금강이라 한다. 한편 강은 제강방법에 따라 전로강, 평로강, 전기로강으로, 탈산도에 따라 림드강, 반진정 (Semi-KiIled) 강, 진정 (Killed)강으로, 주입후 처리방법에 따라 압연(壓延)강, 단강, 주강으로 나뉘어진다. 또한 용도에 따라 구조용 강은 보통강, 저탄소강, 스프링강 등으 로, 공구강은 탄소공구강, 특수 공구강, 다이스강 등으로 특수용도강은 베어링 강소입에 의해 경화되지 않는다.오스테나이트 강종의 경우 냉간가공에 의해 경화되지만 가공에는 한계가 있으며, 가공경화가 증가할 수록 성형성은 불량해진다.용접성에 있어서는 페라이트강종과 마르텐사이트계 강종이 오스테나이트 강종에 비해 매우 불량하다. 이것은 단시간내에 Cr계 스테인리스강을 950℃ 이상의 온도에 급속 가열하면 결정립이 현저하게 조대화되어 고온취화의 원인으로 작용하기 때문이다.성형가공성은 오스테나이트강과 페라이트강이 거의 동등 수준이지만, 오스테나이트강은 페라이트강보다 가공경화성이 높기 때문에 심한 냉간 가공시 Strain누적과 마르텐사이트 변태 발생으로 강도가 증가하는 현상이 일어난다.- 물리적 성질 : 스테인리스강의 물리적 성질의 특징의 하나는 열전도율이 낮다는 것이고, 마르텐사이트계와 페라이트계는 탄소강의 약 1/2, 오스테나이트계는 약 1/3이다.한편, 열팽창계수는 마르텐사이트계 및 페라이트계가 탄소강과 거의 동인한 수준이지만, 오스테나이트계는 탄소강의 1.5배정도 크다. 이 때문에 오스테나이트계 스테인레스강은 용접시에 변형이 크다. 또 오스테나이트계와 페라이트계 이종 용접이음부는 온도변화가 심한 환경에서 열응력이 발생에 의한 균열 등이 발생하기 쉽기 때문에 주의를 요한다.특히 전기 저항치는 탄소강에 비해 매우 크고, 오스테나이트계에서는 약 5배에 이른다. 따라서 피복 아크 용접에서 대전류를 사용하면 봉 과열이 일어나기 쉽기 때문에 적정전류는 탄소강에 비해 상당히 낮게 관리해야 한다. 그러나 최근에는 피복제를 개량하여 탄소강의 경우와 동일한 높은 전류를 사용해도 봉과열에 의한 피복제 탈락 현상이 일어나지 않는 용접봉도 개발되어 있다.마르텐사이트계 및 페라이트계 스테인레스강은 보통강과 마찬가지로 강자성을 갖는 자석에 붙지만, 오스테나이트계 스테인레스강은 통상 자성이 없고 자석에 붙지 않는다. 그러나 오스테나이트계 스테인레스강도 냉간가공 등에의해 마르텐사이트 변태가 일어나 자성을 띄게 된다. 또 용접금속에서 오스테나이트에 델타 페라이트(δ-ferri나누어줌으로써 응력-변형률 선도를 얻을 수 있다. 연강에 대한 대표적인 응력-변형률 선도는 그림과 같다.☞ 응력-변형률선도상의 각 점은 다음과 같은 특성을 나타낸다.① 비례한도(Proportional limit) : 응력에 대하여 변형률이 일차적인 비례관계를 보이는 최대응력. 응력변형률곡선에서 훅의 법칙에 의해 직선부가 변화되어 곡선으로 변화하기 시작하는 부분의 응력.② 탄성한도(Elastic limit) : 비례한도 전후에서 부과했던 하중을 제거했을 때 변형이 없어지고 완전히 원상 회복되는 탄성변형의 최대응력. 정확한 탄성한도를 결정하기 어렵기 때문에, 실제 어떤 정도의 영구변형이 생기는 응력을 탄성한도로 규정하고 있다. 영구변형의 변형률 값으로 0.01～0.03%사이의 값을 채택하는 경우가 많다. 외부 하중에 의해 변형된 재료가 그 하중을 없앤 후 영구변형을 남기지 않고 본래의 형태로 되돌아가는 최대 하중.③ 종탄성계수(Longitudinal elastic modules, Young's modules) : 변형의 초기에는 응력과 변형률의 비가 비례한도내에서는 일정하다. 이 일정한 관계를 후크의 법칙(Hook's law)이라 하고 응력과 변형률 관계를 E=σε으로 표시된다. 여기에서 E값을 종탄성계수라 하며 응력-변형률 선도에서 비례한도 이내의 직선부분의 기울기를 의미한다.④ 항복점(Yield point) : 응력이 탄성한도를 지나면 곡선으로 되면서 응력이 증가하다가 하중을 증가시키지 않아도 변형이 갑자기 커지는 지점이 발생하는데 이를 상 항복점이라고 한다. 이때 금속 내부에 슬립으로 인하여 소성유동이 생겨 큰 내부 전위를 일으키면서 하항복점이 발생하는데, 하항복점을 지나면 영구변형은 더욱 증가한다. 일반적으로 항복점은 하 항복점을 의미한다.⑤ 0.2% 항복 강도 : 동, 알루미늄과 같이 항복점이 확실치 않은 재료에서 0.2%의 영구 변형률을 가지는 점을 항복점 대신으로 생각하는데 이것을 0.2% 옵셋 항복강도 또는 내력(0.2% offset yield st확실하게는 나타나지 않는다.시험을 정확하게 하기 위해서는 시편의 표면을 정밀하게 가공하여야 한다. 왜냐하면 응력 집중을 방지하기 위해서이다P=proportional limit E= elastic limitYU=upper yield point YL= lower yield pointM= maximum point F= failure■ Elastic limit: 응력을 제거하면 strain 이 0으로 복귀하는 응력의 상한치(0.03%또는0.0005%가될때의응력)■ nominal stress:(where := 공칭응력, P= 하중,= 원단면적 )■ actual stress :(where := 실제응력 , P= 하중,= 연신된 단면적 )■ strain:(where ::원래 길이 ,= 늘어난 길이 )■ tensile strength :■ yield strength:(where :: 상부항복 하중 )■ elongation: 시편 중간에 선을 긋는다. 그리고 표점거리를 50mm로 설정한다. 인장을 하게 되면 표점거리가 늘어나게된다.(where ::파단시의 표점거리 )■ reduction of area:■ 실응력과 공칭응력과의 관계 :■ 진변형률()과 공칭변형률(ε)의 관계 :▣ 실험조건■ 시험속도(인장속도): 2mm/min■ 하중시간: 시험시편에 따라 파단이 일어나는 시간을 알지 못 한다.■ 표시:: (하중/시간)경도치 {(30/30)250 }응력-변형율 선도(STRESS-STRAIN DIAGRAM)이라고도 하며. 연강으로 된 시편을 인장시험기에 고정하고, 하중 발생 장치로 하중을 가하면, 축 방향에는 외력에 비례되는 신연이 생기고, 이와 직각 방향에는 수축이 생기면서 횡단면적이 변한다. 시험 초기에는 하중의 증가에 비례하여 신연의 증가가 생겨 그림 1에 표시된 바와 같이 직선 부분이 생기게 되면서 탄성 한계(limit of elasticity) E에 이르게 된다. 이 탄성 한계 내에서 하중을 제거하면 신연은 대략 0(zero)가 되어 원상으로 복귀한다. 이 성질을 탄성(el기까지의 재료의 성질을 고찰하는 데 그 주목적이 있는 것이다. 최대하중에 대한 강도를 그 재료의 인장강도(tensile strength) 또는 최대 인장응력(ultimate tensile stress)이라고 부른다.점 M까지 소성 변형이 생기는 사이에 단면적은 길이의 증가와 더불어 감소되면서 전체 길이를 통하여 균일하게 변형이 생긴다. 최대 응력점 M에 달하면 변형 상태의 균형이 파괴되어 국부 수축이 생긴다. 이 부분을 파괴하는 데 필요한 하중은 국부 수축이 생기기 전에 필요한 하중보다 더욱 작아도 좋도록 실제 단면적이 감소되어 있다. 그럼에도 불구하고 작은 하중을 큰 원단면으로 나누었으므로 하중은 감소한 상태가 된다. 실응력(actual stress)에 대해서는 후에 다시 설명하기로 한다. 재료 시험 결과는 재료의 성분에 따라 많은 영향을 받는다.연강은 신연이 크고, 경강은 신연이 작다. 그리고 연강은 최고 인장강도가 작고 경강은 크다.인장 시험에서 시편이 파단 될 때 재질에 따라 인장 파단면(tensile fracture)에 차이가 있다. 보통 인장응력은 외측에서 최대가 되고 중심에 대하여 감소되므로, 시편을 고정하는 척으로 인하여 시편 외부에 최대 전단 변형이 생기는 경향이 있다.② 공칭(nominal)응력과 실(actual)응력의 관계응력-스트레인 곡선 중의 실선상의 각 하중에 대응하는 연율은 자동기록장치에 의하던가, 또는 기계지주에 부착되어 있는 비교적 간단한 부척 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 측정하든가 또는 국부 수축이 발생하기까지는 시편의 표점 거리 사이의 체적은 거의 변화가 없으므로, 이 때 체적 변화는 없다고 가정하고, 공칭응력으로부터 실응력을 결정할 수 있다.그림 2. 실응력 - 실형변율 곡선여기서 탄성 한계까지의 변형은 지극히 미소하므로, 공칭응력과 실응력 사 이의

공학/기술| 2011.10.12| 20페이지| 1,500원| 조회(1,443)

강도, 재료, 실험, 기계공학실험, 금속, 인장

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좋은 주강 주물 만드는 방법

좋은 주물을 만들기 위해서는 기계의 종류, 제작 회사의 규모, 경영상의 특색 등에 따라 공정과 방법이 다를 수 있다. 일반적으로 그림과 같은 공정으로 작업이 이루어지고 있으며, 그 공정관리도 그림과 같이 자동화 되고 있다.이번 과제를 수행하기 위해 우선 주강제품을 소재로 선택하여 제작방법에 대해 조사해보자. : 구조용, 고온용, 저온용, 내마모용, 내식용, 내열용으로 구분한다.- 저온용 : 상온이하 극저온까지의 사용온도에서 인성을 요하는 구조용 강- 고온용 : 보통 550℃까지 사용- 내열용 : 600℃이상에서 사용※ 주강을 보통주강과 특수주강으로 구별하기도 하는데, 이는 탄소강주강과 합금강주강과의 구별로 보면 된다.1. 탄소강주강(보통주강)탄소강주강은 Carbon을 주성분으로 하고 Si, Mn, P, S 5대 원소로 구성된다.Mn은 S의 영향을 감소시키기 위해 첨가되기도 하고, Si은 deoxidation을 위해 첨가 되지만 기본적으로는 장입재료로 부터 들어오는 불순물로 간주된다.S의 주된 source는 Blast furnace(고로) 또는 cupolar(용선로)에서 사용하는 코우크스로부터 들어온다. P,Mn,Si의 주된 source는 flux로 사용하는 철광석 석회석, 환원제로 사용하는 첨가제이다. Si은 주조품의 유동성(fluidity) 확보를 위해 어느정도 최소량이 필요하다. 타성분, 특히 Cu,Ni 등과 같이 쉽게 산화되기 어려운 원소는 장입재로부터 회수된다.1) 저탄소강주강 : C가 0.2%이하, 철도차량, 자동차부품, 용접구조물등 외에 내마모용으로써 표면침탄경화 기어등에 사용된다.2) 중탄소강주강 : C가 0.2%∼0.5%범위 이며, 열처리에 의해 우수한 기계적성질이 얻어지는 것과 용접성이 비교적 양호하다는 등의 잇점을 갖고 있는 관계로 보통주강중에서는 사용범위가 가장 넓으며 선박, 철도등의 수송기계, 공작기계, 제철.제강 설비, 토목건설기계, 석유화학공업, 발전관계, 건축 구조물등 모든 분야에 사용되고 있다.3) 고탄소강주강 : C가 0.5%이상은 martensite(저합금)계와 austenite계(고망간계)로 분류할 수 있다.재질을 신중히 선정한 후 주조를 하기 위해서 목형을 제작해야 한다.1. 모형의 종류와 재질1) 목형목형에는 현형, 부분목형, 골조목형, 회전목형, 고르개 목형, 코어목형 등이 있다.주물의 형에 따라 목형제작 방법이 다 다르기 때문에 그에 알맞은 목형을 제작해야 한다.2)모형의 재질모형재료에는 일반적으로 목재가 가장 많이 사용되나, 이 밖에 금속, 합성수지, 석고, 시멘트 등도 사용된다. 그리고 그 밖의 단 1회용 모형으로서 로스트 왁스법에 쓰이는 밀납 및 풀 모울드법에는 발포수지 등이 사용되고 있다.목형에 쓰이는 목재의 구비조건은 다음과 같다.- 변형이 적고, 내구력이 클 것- 질이 균질하고, 가공이 용이할 것- 목재로서의 결함이 없을 것- 가격이 쌀 것이들 조건은 목형 제작 수량이 적을 때는 연질 목재를, 그리고 제작 수량이 많을 때에는 경질 목재를 사용한다. 우리 나라에서는 연질 목재로서 미송, 소나무, 낙엽송 등의 침엽수, 그리고 경질 목재로서 벚나무, 박달나무, 전나무 등의 활엽수 등이 쓰이고 있다. 나왕이나 티이크 및 마호가니 등은 재질이 치밀하며 가공하기 쉽고 마멸도 적어 정밀한 목형에 적합하나 가격이 비싸다.2. 목형제작일반 주물용 모형재료응 가격이 싸고 제작이 쉬우므로 목재가 가장 많이 사용된다. 그러므로 목재로 된 모형 제작에 관련된 목재의 수축 등에 대하여 알아보자.목채를 벌체하면 다량의 수분을 함유하나, 공기중에 방치되면 공기의 습도와 목재에 함유된 수분이 평형상태를 유지하려고 하여 수분은 점차 증발되어 건조 현상이 생긴다. 목재를 건조하면 먼저 함유 수분의 대부분을 차지한 유리 수분이 증발을 끝내고, 다음에 세포 수분이 증발함에 따라 목재가 수축하기 시작하여 무수분 상태까지 수축이 계속된다. 수축의 정도는 나무의 종류, 수령 및 벌채시기 등에 따라 다르다.목재의 수축을 방지하려면 다음과 같은 조건이 필요하다.- 양재를 선택할 것- 장년기의 수목을 동기에 벌라서 주물사에는 내화성이 크고, 통기성이 양호한 모래를 사용하며, 도포재료로 내화도가 큰 것을 사용하게 된다. 주강용 주물사는 내화도가 큰 것이 필요하므로 규사(SiO)와 점결제로 배합된 것이 사용된다. 점결제로서는 내화점토 또는 벤트나이트가 많이 사용된다. 내화 점토는 점착력이 크고 내화도는 1600~2700℃이며 약 10%를 배합한다. 벤트나이트는 점결력, 건조강도 및 열간강도 등이 크고, 또한 통기성이 양호하여 보통 3~8%를 배합한다. 수분은 최대 6%로 하며, 때에 따라서 전분, 합성수지게 등의 점결제를 첨가하여 사용한다.주물사의 구비조건 으로는 천연사 또는 배합사가 주물 제작에 적합한 성질을 가졌는가를 알기 위하여, 용융금속을 주입하여 실제로 정확히 조사하는 것이 필요하다. 그러나 종래의 경험과 연구 결과로써 대략 그 성질을 판단할 수 있다. 그러므로 주형 작업, 주입에 대한 영향, 주물사의 적부는 직접 주물에 영향이 있으므로 이것의 선택, 배합, 연구 등은 대단히 중요하다.1) 주물사의 구비조건은 다음과 같다.① 내화성이 크고, 화학적 변화가 생기지 않을 것② 주형 제작이 용이할 것③ 통기성이 좋을 것④ 적당한 강도를 가져서 쉽게 파손되지 않을 것⑤ 가격이 싸고 구입이 쉬울 것2) 주물사의 주성분: 석영, 장석, 운모, 점토3) 배합제① 당밀, 유지, 인조수지: 통기성 증가, 주형 표면을 경화- 주형 파손에 따른용융금속의 혼입 방지② 톱밥, 볏짚, 왕겨, 수모, 마분: 균열 방지, 통기성 양호③ 흑연, 석탄, 코우크스 : 주물 표면을 깨긋하게④ 점토: 성형성, 통기성 증가, 점결성 향상4)주물사 시험법① 수분 함류량 = {시료무게(g)-건조무게(g)}/{시료무게(g) } x 100 (%)② 입도: 모래 입자의 크기를 mesh로 표시- 입도(%)= 체 위에 남아 있는 모래의 무게(g)/시료의 무게(g)X100- mesh: 길이 1inch 내에 있는 체의 눈 수③ 통기도: 시험편을 통기도 시험기에 넣어 일정 압력으로 한 쪽에서 2000cc의공기를 보낼 쇳물 부족 보충-압탕, 라이저(riser) 등도 같은 역할- 주형내에 쇳물에 압력을 준다.- 금속 응고시 수축으로 인한 쇳물 부족 보충- 불순물과 용재의 일부를 밖으로 밀어낸다.- 주형내의 공기 제거, 주입량도 알 수 있다.⑥ 플로우 오프(flow off):쇳물 관찰이 주 목적, 가스뽑기 역할-주형에서 높은 곳, 탕구에서 먼 곳에 설치주물을 제조하려면 먼저 고체 상태의 원료 금속을 용해하고, 주물의 성질에 알맞은 재질이 되도록 화학 조성을 조정하거나 불순물을 제거한 다음, 주형 각 부분에 쇳물이 잘 주입될 수 있는 온도로 승온 유지하여야 한다.따라서 주조용 금속에 따라 용융점에 도달하여 용해되면 가시 어떤 목적 온도 이상으로 가열하여 필요한 성분으로 조성하게 된다. 이와 같이 용해 작업은 용해용 금속 재료에 따라 알맞은 용해 작업이 이루어져야 하는 점에서 주조 공정 중 중요한 작업이다. 용해 작업에는 용해로를 비롯한 장입설비, 주입용구, 온도계 등 각종 부대 설비와 기구가 필요하다.1. 주강용 용해로주강용 용해로의 대표적인 것은 직접 아크식 전기로 이다.1) 전기로 : 전류의 열작용에 의하여 금속을 용해하는 노를 전기로라 하며, 노벽을 고온으로 유지할 수 있고, 용해 금속에 불순물이 혼입되는 일이 적어 특수강의 용해에 사용된다.2) 전기로는 일반적으로 다음과 같은 특징이 있다.① 쇳물의 온도를 저온에서 고온까지 광범위하고 정확하게 조절 유지할 수 있다.② 열효율이 약 60% 가량으로서, 작은 용량의 노에서부터 큰 용량의 노까지 설치할 수 있다.③ 주조용 금속의 용해 손실이 매우 적다.④ 쇳물의 성분 조절이 쉽고, 인건비가 절약된다.3) 아크로 : 아크로는 전극과 장입 재료 사이에서 아크를 발생시켜 열원으로 직접 이용하는 직접 아크로 방식과, 전극간에 아크를 발생시켜 그 복사열을 이용하는 간접 아크로 방식이 있다.- 에로우식 아크로직접 아크로의 대표적인 것으로서, 그림과 같이 2~3개의 탄소 전극과 장입 재료사이에 아크를 직접 발생시켜 용해하는 방식이며, 제강지 못하고, 원가가 비사므로 일반 기게 제품 생산에는 비경제적인 주조법이다.3) CO법CO법은 규사에 규산나트륨을 주성분으로 한 점결제 4~6%를 첨가한 주물사로 주형을 만들고, 여기에 그림과 같은 방법으로 이산화탄소를 약 20초 동안 불어 넣으면 신속하게 경화된 주형을 얻게 된다. 이 때 일어나는 화학 반응식은 다음과 같다.4) 풀 몰드법풀 몰드법은 발포성 폴리스티렌으로 만든 소모성 원형에 내화재를 바른 후 건조하여 원형으로 사용하는 방법으로, lost-foam 또는 lost-pattern 주조법이라 한다. 이 주조법은 조형하여 원형을 주형에서 빼내지 않고 주물사 속에 묻힌 상태에서 주입구를 통하여 쇳물을 주입하면, 그 열에 의하여 소실되고, 그 자리에 쇳물이 채워져서 주물을 만드는 방법으로 일반 주조개념과 다른 특징을 갖고 있다.풀 몰드형은 복잡한 형상의 주물도 원형을 빼내지 않고 만들 수 있으며, 코어도 별도로 만들 필요가 없다. 쇳물은 원형이 주입에 따라 서서히 기화되면서 생긴 주형 내 공간에 주입된다. 풀 몰드법은 비교적 크고 단순한 주물로, 주입온도가 높은 주철 주물에 이용되고 있으나 최근에는 소형주물과 경합금의 대량 생산에 적용하는 방법이 연구 실현되고 있다. 그림은 일반 조형과 풀 몰드법을 비교한 것이다.2. 특수 주조법1) 원심 주조법고속으로 회전하는 원통형의 주형에 용융 금속을 주입하고, 주형의 안쪽 면에 밀착한 상태에서 응고시켜, 치밀하고 건전한 원통형 주물을 생산하는 방법을 원심 주조라 한다. 이 주조법은 원래 대량 생산을 필요로 하는 주철관과 같은 원통형 주물의 주조를 위하여 개발된 것인데, 요즈음에는 소형 실린더 라이너, 또는 구리 합금의 원통형 주물 및 베어링 메탈 등의 구조에도 이용되고 있다.원심 주조법에는 기본형으로 수평형과 직립형이 있으며, 수평형은 주철관과 같이 긴 원통형의 주조에 알맞고, 직립형은 피스톤 링, 기어 등의 높이가 낮은 주물, 또는 원통형이 아닌 쇳물을 가압 주조하는 경우에 이용된다. 주형은 원심력에 견딜 수 있 된다.

공학/기술| 2010.12.16| 17페이지| 1,500원| 조회(923)

기계공작법, 주물, 주강

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