서론목적비틀림(Torsion)이란 모터의 축이나 동력장비의 토크관과 같은 구조부재가 종축을 회전시키는 모멘트(Moment)에 의하여 비틀림 작용을 받는 것을 말한다. 이러한 경우 강도에 대한 부재를 설계할 때 허용 전단응력이 옳게 선정되어야 하며, 비틀림하중하의 탄성한도(비례한도), 항복점 및 탄성계수를 파악함은 중요하다.실험방법먼저 E101 Meter의 0점을 맞추기 위해 Load arm을 걸고 Load arm을 대략의 수평을 맞춘다. E101 Meter의 단위계 선택에서 SI단위계를 선택한다. E101 Meter의 표시부에 0을 맞춘다. 그리고 5kgf의 하중을 가한다. E101 Meter에 24.5가 나오지 않아서 24.5로 맞추었고 하중을 제거했다. 그러나 Meter는 0으로 다시 돌아오지 않았다. 다시 하중을 가하고 제거하여 0점을 맞추는 작업을 했다. 0점을 맞추는 작업은 Load arm의 수평을 맞추는 것이 목적이다. Load arm의 수평이 맞지 않으면 축에서부터 하중까지의 수평거리가 짧아져서 Torque가 작게 나온다. 0점을 맞추는 동안 시험편의 표면을 사포로 매끈하게 다듬었다. 조교님이 사포로 표면을 다듬는 이유를 생각해보라고 했다. 이유는 표면에 만약 요철과 같은 불연속한 곳이 있으면 그곳에 응력이 집중되어 그곳에서 정확한 임계하중보다 작은 값에서 파단이 일어날 것이다. 그 후에 핸들을 돌려서 하중을 가하고 그때의 변위와 Torque를 기록했다.시험편형상ab시험편 수치 (mm)ab7:3황동6.0548.3강(Steel)1차6.0548.12차6.0547.4결과 토의고찰비틀림으로 인해 파단이 일어날 때 파단각이 중심축과45 DEG혹은90DEG로 일어난다. 이 것은 재료의 성질이 연성인지 아니면 취성재료인지가 결정하게 된다. 연성재료의 경우 취성재료에 비해서 파괴진행속도가 느리고 파면에 딤플이 가득해서 파괴되는 순간 소리가 작다. 또한 재료가 이미 항복점을 넘는 응력을 받아도 다시 하중이 제거되면 파괴가 전진하지 않을 수 있다. 그에 비해 취성재료는 일단 파괴가 시작되면 걷잡을 수 없이 진행하며 파면에서 에너지를 소리로 많이 방출한다. 취성재료는 보통45 DEG로 파단면이 나타나고 연성재료는90DEG로 나타나게 된다. 이 비틀림 실험의 시험편인 7:3 황동과 강은 연성재료이다. 실험도중에 황동은 '빡'하는 소리와 함께 순간적으로 파단이 일어났지만 강은 파단이 되고도 파단면이 전부 깨지지 않고 남아있었다. 그 순간에는 시험편에 가해지는 Torque값이 많이 떨어졌다. 이러한 실험결과를 보면 황동이 강보다 더욱 취성에 가까운 것 같다. 일반적인 통념으로는 강이 취성에 가까울 것 같았지만 결과와는 달랐다.기록한 데이터를 전산화하고 그래프로 출력하는 과정에서 황동의 그래프는 어느정도 항복점과 강성률을 눈으로 확인할 수 있었지만 강의 실험에서는 뚜렷한 강성률과 항복점을 찾기가 어려웠다. 마치 강은 처음 하중을 주었을 때부터 항복이 일어난 것 처럼 보였다. 그런 이유를 생각해 보았지만 딱히 이유라고 할 만한 것이 없었다. 만약 시험편이 매우 연한 조직을 가진 강이거나 다른 어떤 하중에 의해 거의 항복점에 도달했던 재료라면 가능한 결과일 것이다.황동과 강의 파단면을 관찰 해 보았다. 황동은 중심에 점이 있고 그 점을 중심으로 매우 옅은 동심원이 거의 정확하게 그려져 있었다. 그리고 단면이 매우 깨끗했다. 순간적인 파단이 일어났다는 증거이다. 그러나 강은 가장 비틀림응력을 많이 받는 바깥쪽은 동심원이 있는 것처럼 보이지만 순간적인 파단이 아니고 바깥쪽이 파단된 가운데 안쪽은 그대로 붙어있으면서 또다시 하중을 받아서 비틀리는 거동을 보임으로써 마지막에 붙어 있던 파단면이 울퉁불퉁한 모양을 보였다. 파단면을 관찰해 보면 황동은 강에 비해서 연성에 가깝고 강이 취성에 가까운 것을 알 수 있었다.데이터를 정리하고 그래프를 출력하는 과정에서 이 그래프가 과연 책에서 보던 금속재료의 탄,소성거동을 나타내는지가 의심스러웠다. 그래프를 (0,0)부터 그리지 않았더라면 과연 강성률을 구할 수 있었을까 하는 의문이 들었다.그래프의 기울기를 대략적으로 구했다. 원점에서부터 두 번째 실험까지를 기울기가 일정하게 고려하였다. 그러면 기울기는 55.41이다.{ T} over { PHI } = { G*J} over { L}이론치로 기울기를 구하면{ T} over { PHI } = {40* { 10}^{9 }* { pi * { 6.05}^{ 4} * {10 }^{-12 } } over {32} } over { 48.3* { 10}^{-3 } } =108.93실험오차가 크게 나타났다. 오차는{ 108.93-55.41} over { 108.93} = 0.491%오차는 49.1%이다.전단응력을 구했다. 대략적인 항복점의 Torque는 11.6Nm라고 읽었고{tau }_{y } = {T* { d} over { 2} } over {J}} ={11.6*{5.06* { 10}^{-3 } } over {2} } over { { { { 6.05}^{4 } * {10 }^{- 12}} over {32 } }}=70.1MPa으로 구해졌다.강의 경우 실험을 하는 도중에 계속 파단이 일어나지 않아서 이상하다는 생각을 하게 되었다. 그러다가 갑자기 Torque와 변위가 떨어지는 현상이 발생되어서 시험편을 잘 살펴보니 한쪽 끝이 이미 파단되어 있었다. 하지만 완전한 파단이 일어나지 않고 소음도 없이 파면중의 조그마한 부분이 계속 붙어있었다. 실험을 시작하기 전에 시험편에 길이방향으로 선을 그어놓았는데 그 선이 파단이 일어난 곳에서 끊겨서 아래쪽으로 돌아가 있었다. 우리는 더 이상 핸들을 돌려 Torque를 주는 것이 무의미하다고 판단하고 실험장치를 풀었다. 시편을 들고 살펴보니 거의 파단이 일어나 있었고 조금만 붙어있었다. 당시에 작은힘으로 굽혀서 부러뜨렸다. 데이터도 엉망인 것 같다. 입력각이 1.7정도를 넘어 간 후에는 파단이 일어나기 시작한 것 같다. 이 그래프에서는 초반에 기울기가 일정한 구간을 찾아볼 수가 없다. 그래프를 (0,0)부터 그리라고 했던 이유가 이것 때문인지는 잘 모르겠다. 원점에서부터 첫 데이터사이의 기울기를 읽었다. 그래프의 선형구간의 기울기는 79.3이었다.{ T} over { PHI } = { G*J} over { L}{ T} over { PHI } = {80* { 10}^{9 }* { pi * { 6.05}^{ 4} * {10 }^{-12 } } over {32} } over {48.1* { 10}^{-3 } } =218.8오차는{ 218.8-79.3} over { 218.8} = 0.638%오차는 63.8%이다.{tau }_{y } = {T* { d} over { 2} } over {J}} ={20*{5.06* { 10}^{-3 } } over {2} } over { { { { 6.05}^{4 } * {10 }^{- 12}} over {32 } }}=120.9MPa항복이 일어난 점을 대략적으로 읽고 전단응력을 구했다.먼저의 강실험에서 마지막 순간에 파단이 명확하게 일어나지 않고 흐지부지되어서 다시한번 실험을 했다. 그러나 이번에도 명확하고 순간적인 파단은 일어나지 않았다.{ T} over { PHI } = { G*J} over { L}{ T} over { PHI } = {80* { 10}^{9 }* { pi * { 6.05}^{ 4} * {10 }^{-12 } } over {32} } over {47.4* { 10}^{-3 } } =222.0이론치는 강의 1차실험과 거의 같았다. 실험치에서 기울기는 80.7정도였다.
![[기계공학실험] 비틀림 실험](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2002/04/04/data1079044-0001.jpg)
