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[전기전자] 막스 플랑크의 양자가설

플랑크의 양자가설A190025김 희 진Ⅰ. 빛이 소리나 물결과 같이 파동만이 가질 수 있는 회절과 굴절 등의 현상을 보인다는 사실은 19세기 말까지 과학자들에 의해 잘 밝혀져 있었다. 하지만 파동으로만 설명할 수 없는 여러 현상들이 발견되면서 빛이 파동이냐 입자냐 하는 문제는 물리학계의 한 쟁점으로 떠오르기 시작했다.입자이며 동시에 파동인 물질이라는 가설로 이 문제에 대한 최초의 이론적인 통합을 시도한 것은 1900년 독일의 물리학자 막스 플랑크였다. 그는 빛의 에너지는 입자로 설명할 수 있는 특정한 단위, 즉 양자를 가진다는 양자가설을 내놓아 빛의 파동성과 입자성을 하나의 이론 틀 안에 집어넣으며 현대 물리학으로의 전환점을 마련했다. 플랑크의 양자가설을 이해하기 위해 우선 흑체복사와 빛의 성질에 관한 것부터 살펴보도록 하자.Ⅱ. 스펙트럼은 온도와 관련이 있다.태양빛을 프리즘에 통과시키면, 여러 가지 색으로 나누어진다. 이렇게 한 가지 색으로 보이는 광원의 빛이 여러 가지 색으로 나누어진 것을 스펙트럼이라고 한다. 이 스펙트럼은 온도에 따라서 달라진다. 철을 뜨겁게 달구는 과정을 예로 들면, 온도가 낮을 때 철은 거의 검은색으로 보인다. 이때의 철은 가시광선 영역의 빛을 거의 내지 않는다는 것을 알 수 있다. 그런데 온도가 올라감에 따라 철은 빨갛게 되다가 점점 노란색에 가까워진다.한편, 빈은 물체가 내는 빛의 스펙트럼에서 가장 강한 빛의 파장은 그 때의 온도에 반비례한다는 법칙을 발표했다. 즉 어떤 온도에서든지 물체는 여러 가지 파장의 빛을 내지만, 전체의 색은 가장 강한 빛의 파장으로 결정되며, 가장 강한 빛의 파장은 물체에 상관없이 온도에 의해 결정된다는 주장이었다. 빈의 이론이 철의 온도에 따라 색이 변화하는 것을 설명하기는 했지만, 온도의 영향만을 지적했으므로, 실제는 정확히 맞아 떨어지지 않았다. 그래서 가정된 것이 광원의 성질에 영향을 받지 않고 온도에만 영향을 받은 이상적인 물체인 흑체였다.Ⅲ. 짧은 파장은 빈, 긴 파장은 레일리모든 물질은 자신이 온도가 높을 때는 빛을 내고 낮을 때는 흡수하는 성질이 있다. 그런데 각 물질은 자신이 온도가 높을 때 방출하는 빛을 온도가 낮을 때 다시 흡수하는 성질이 있다. 모든 물질이 자신이 뜨거울 때 내는 빛을 차가울 때 흡수하는 성질에 착안한 과학자들은 만일 차가울 때 모든 파장의 빛을 흡수하는 물체가 있다면, 이 물체는 뜨거워졌을 때 다시 모든 파장의 빛을 골고루 내놓을 것이라고 생각했다.과학자들은 우선 검은 빛을 띠는 물질로 결과가 정말 그러한지 실험했다. 그러나 검은색의 물질들이라고 해도 결과는 예상과 맞아떨어지지 않았다. 이 때 빈은 실제의 물질 대신 검은 상자(흑체)를 생각해냄으로써 그의 이론을 실험해 볼 수 있게 됐다. 실험 결과 상자의 재료가 무엇이든 상관없이 상자의 온도를 올릴 때, 상자의 구멍에서 나오는 빛의 스펙트럼에서 가장 강한 빛의 파장은 빈의 예측과 정확하게 들어맞았다.스펙트럼에서 온도에 따라 가장 강한 빛의 파장을 예측할 수 있게 되자 과학자들은 스펙트럼 전체의 모양을 예측할 수 있는 이론을 찾기 시작했다. 스펙트럼 중 파장이 짧은 쪽, 즉 보라색과 파란색을 아주 잘 예측하는 공식을 생각해낸 것이다. 빈은 검은 상자 속을 채우고 있는 빛의 에너지가 상자 속에서 움직이는 기체 분자의 에너지의 모양과 비슷할 것이라는 가정에서 하나의 식을 제안했는데, 이 식은 짧은 파장의 빛에 대해서는 잘 맞았다. 그러나 긴 파장의 빛에서는 식이 잘 맞지 않았다.그러자 이번에는 레일리가 긴 파장 쪽을 설명하는 식을 제안했다. 레일리는 빛이 파동이라는 성질을 이용해 물결 모양 한 개마다 어떤 일정량의 에너지를 갖는다는 가정에서 출발했다. 그런데 이 식은 파장이 긴 붉은색 빛은 잘 설명했지만, 빈이 설명한 가장 강한 빛의 파장을 예측하지 못하고, 짧은 파장의 빛의 분포도 설명하지 못했다. 그리고 빛의 파장이 짧아지면서 상자를 채울 수 있는 물결 모양의 개수가 점점 많아지는데, 그러면 점점 많은 에너지가 필요하게 된다. 그런데 상자 속에 있는 에너지가 그렇게 무한정 많다고 생각하는 것은 무리였다.Ⅳ. 양자가설로 흑체복사 해결이렇게 흑체복사의 문제가 풀리지 않고 있을 때, 플랑크는 새로운 제안을 했다. 플랑크는 빛의 에너지가 연속적인 값이 아니라 어떤 단위 값의 정수배인 특정한 값만 갖는다는 가정을 세웠다. 즉 각 빛은 진동수에 비례(파장에 반비례)하는 에너지만 주고받을 수 있다고 가정했다. 플랑크의 가정대로 에너지가 h의 정수배로 묶여서 전달된다면 파장이 짧을수록(진동수가 많을수록) 많은 에너지가 필요하다는 뜻이 되고 이것은 레일리의 식과 비슷하게 된다. 그런데 플랑크는 에너지가 클수록 그러한 빛이 존재할 확률이 적다는 가정을 추가했다. 때문에 레일리의 식에서 도출됐던 파장이 짧아지면 에너지가 무한정 많아지는 모순을 해결할 수 있었다. 이렇게 해서 만들어진 플랑크의 식은 모든 파장의 빛에 대해 잘 맞았고, 드디어 흑체복사의 문제가 풀리게 됐다.

공학/기술| 2004.11.22| 2페이지| 1,000원| 조회(831)

전자, 양자, 플랑크, 막스 플랑크, 양자가설

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[재료공학(금속)] 철강재료의 열처리 및 경도측정 평가A좋아요

철강 재료의 열처리(Heat Treatment) 및 경도 측정·실험목적현재 공업재료로서 가장 많이 이용되는 재료는 철강 재료임에 틀림없다. 이러한 철강 금속은 여러 성형공정을 통해서 가공을 한 후에 가공 후 공정을 하게 되는데, 그러한 공정 중 하나가 바로 열처리(Heat Treatment)라고 할 수 있다. 열처리(Heat Treatment)란 금속의 내부조직을 변화시켜서 그 금속 부품 또는 공구의 사용 시 필요로 하는 기계적 성질을 얻기 위해서 행하는 가열 및 냉각 과정을 말한다. 열처리에는 여러 가지 종류가 있다. 단지 냉각, 가열만으로 열처리를 하는 경우, 화학적인 방법을 사용하여 열처리를 하는 경우 등이 있는데, 냉각, 가열만으로 열처리를 하는 경우에는 어닐링(Annealing), 퀘칭(Quenching), 템퍼링(Tempering), 시효처리(Aging)가 있고, 화학적인 열처리는 대부분 표면 경화방법으로 금속, 비금속을 이용하여 피 재료에 산화 막을 입히는 공정이 사용된다. 이러한 열처리 방법 즉, 냉각방법에 따라서 철강 재료의 기계적 성질이 크게 달라진다. 금속 재료의 성질은 기본적으로 화학조성에 기초하여 결정되어 있다. 그리고 열처리 및 가공 등에 의해서 금속의 내부조직이 변화되는데, 이 내부 조직에 의해서 후차적으로 금속 재료의 성질이 결정된다.이번 실험은 탄소함량이 다른 철강 재료의 조직사진을 찍고, 그 철강 재료에 열처리를 하고 조직사진을 찍음으로써 철강 재료의 내부 조직이 어떻게 변화하는지를 알아볼 수 있고, 또 경도를 측정해보고 철강 재료의 강도를 알아보고 그것에 대해서 왜 그런 현상이 일어났는지를 알아볼 수 있다.·이론적 배경Fe-Fe3C계 평형상태도{그림 1. 철의 평형상태도(1) 페라이트철에 탄소가 함유되어 있는 고용체를 페라이트 또는 단순히 페라이트라고 부르며, BCC 결정구조를 가지고 있다. 상태도에서 나타내듯이 페라이트의 최대 탄소 고용도는 723 에서 0.02%이므로 페라이트에 고용할 수 있는 탄소량은 매우 적은 것을 알 트는 페라이트와 시멘타이트(Fe3C)의 혼합조직으로 변태하게 된다. 이 조직은 페라이트와 시멘타이트가 교대로 반복되어지는 층상조직(層狀組織, lamellar structure)을 형성하고 있다. 이 조직은 광학현미경으로 나타낸 것으로서, 그 형태가 진주(pearl)와 비슷하기 때문에 펄라이트(pearlite)라고 불리워진다.이와같이 펄라이트는 단상조직이 아니라 페라이트와 시멘타이트의 2상혼합조직이라는 사실에 유의해야 할 것이다. 따라서 서냉된 0.8%C의 공석강을 Ａ1 변태온도 직하에서 지렛대법칙(lever rule)을 적용시키면 이 합금을 구성하고 있는 페라이트와 시멘타이트의 중량분율을 알 수 있다. 즉,페라이트의 분율(wt%) = {시멘타이트의 분율(wt%) = {따라서 723 와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이가 거의 없기 때문에 펄라이트 조직은 상온에서 약 88%의 페라이트와 12%의 시멘타이트로 구성되어 있게 되고, 또한 페라이트와 시멘타이트의 밀도가 거의 비슷하기 때문에 펄라이트 조직에 나타나는 페라이트와 시멘타이트의 면적비율은 약 7:1정도가 된다.. 아공석강0.4%C의 아공석 탄소강을 900 (그림 2.3의 a)로 가열하여 충분한 시간동안 유지하게 되면 공석탄소강에서와 마찬가지로 균일한 오스테나이트로 된다. 그리고는 이 아공석강을 그림 2.3의 b점(약 775 )까지 서냉시키면 오스테나이트 결정립계에서 초석페라이트(proeutectoid ferrite)가 우선적으로 핵생성하기 시작한다. 이 강을 다시 c 점까지 서냉시키면 초석페라이트는 오스테나이트 속으로 계속해서 성장해간다. 이때 페라이트가 형성된 지역의 과잉탄소는 오스테나이트-페라이트 계면으로부터 오스테나이트 속으로 밀려나므로 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 점점 많아지게 된다. 따라서 Ａ1 변태온도 직상인 c 점에 도달되면 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 0.4%에서 0.8%로 증가하게 된다. 한편 Ａ1 변태온도인 723 직하인 d 점에 도달되면 남아있는 오스테나이트는 공석반응에 하부베이나이트(lower bainite)에서는 페라이트 내에 시멘타이트가 석출되어 있다.한편 그림 5는 공석강과 아공석강의 항온변태곡선을 Fe-C 상태도와 관련시켜서 나타낸 것이다. 그림 5의 (b)에서 보면 펄라이트가 형성되기 시작하는 시간과 종료되는 시간은 nose 부근에서 가장 짧고, A1선으로 온도가 올라갈수록 시간이 오래 걸린다. 또 그림 5의 (c)에서 보면 아공석강인 0.5%C강에서는 또 다른 곡선이 하나 존재하는데, 이것은 초석페라이트가 형성되기 시작하는 시간을 나타내는 곡선이다. 이와 비슷하게 과공석강에서도 초석시멘타이트가 형성되기 시작하는 곡선이 존재한다.공석강과 아공석강의 항온변태곡선에서 나타나는 또 하나의 차이점은 마르텐사이트(martensite)가 형성되기 시작하는 온도인 Ms 온도가 다르다는 것이다. 일반적으로 탄소함량이 적을수록 Ms 온도는 올라간다.{그림 3.2 Fe-C 상태도(a)와 공석강의 항온변태곡선(b) 및 0.5%탄소강의 항온변태곡선과(c)의 관계펄라이트의 형성공석강을 850 로부터 750 까지 냉각해서 이 온도에서 항온유지시키면 어떠한 변태도 일으키지 않는다. 그러나 650 까지 냉각시켜서 항온유지하면 1초 후에 펄라이트 변태가 시작되고 10초 이내에 변태가 완료된다(그림 6.(a)의 곡선 II). 펄라이트 형성온도가 낮아짐에 따라 층상펄라이트는 점점 미세해지고 조직은 더욱 경화된다.{{그림 6.(a) 0.80%C (b) 0.45%C (c) 1.0%C를 함유한 강에 대한 여러 가지냉각프로그램으로부터 얻어지는 조직상의 상태;A=오스테나이트, B=베이나이트 C=시멘타이트 F=페라이트 P=펄라이트M=마르텐사이트 Ms= 마르텐사이트 생성 개시온도펄라이트 형성과정을 시멘타이트의 형성으로부터 시작된다고 가정하면, 오스테나이트에서 시멘타이트가 형성되기 위해서는 탄소원자가 확산 이동해 와야만 하고, 동시에 시멘타이트의 인접한 지역은 탄소가 고갈되므로 페라이트가 형성되어, 시멘타이트와 페라이트층이 나란히 성장해간다.공석강을 860 에서약간 낮기 때문에 펄라이트 조직은 좀더 미세해진다. 이와 같이 공랭에 의해서 형성된 미세 펄라이트를 소르바이트(sorbite)라고 부른다.더욱 빠른 냉각속도인 v3의 냉각속도에서는 변태온도가 더욱 낮으므로 형성된 펄라이트는 소르바이트보다 더욱 미세해진다. 이와 같이 가장 미세한 펄라이트를 트루스타이트(troostite)라고 부르며, 트루스타이트 변태가 시작되는 온도를 Ar'이라고 한다.이와 같은 이유로 해서 v3보다 빠른 냉각일 경우에 냉각곡선은 단순히 변태개시선과 a4에서 교차될 뿐이며 종료선과는 교차되지 않는다. 이것은 펄라이트 변태가 시작되었을 뿐 종료되지 않았다는 것을 의미한다. 다시 말하면 일부의 오스테나이트는 펄라이트로 변태되지만 나머지는 펄라이트 조직으로 변태할 만한 시간적 여유가 없었다는 것을 나타내는 것이다. 따라서 펄라이트로 변태되지 못하고 남아 있는 오스테나이트는 그대로 냉각되고 m4점에 도달되면 마르텐사이트로 변태하게 된다. 이와 같은 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도를 Ar'', 또는 흔히 Ms점이라고 한다. 그러므로 v4의 속도로 냉각하면 트루스타이트와 마르텐사이트의 혼합조직을 얻을 수가 있고 이때의 냉각속도는 유냉에 해당된다.냉각속도가 v5보다 클 때에는 오스테나이트는 전혀 페라이트와 시멘타이트로 분해되는 일 없이 모두 마르텐사이트로 변태된다. 탄소강에서는 이러한 냉각속도가 수냉에 해당된다. v3와 같이 펄라이트를 형성함이 없이 전적으로 마르텐사이트를 형성시키는 최소의 냉각속도를 임계냉각속도(臨界冷却速度, critical cooling rate)라고 한다.그림 3.4에서 연속냉각변태를 설명할 때 주의해야 할 사항이 한가지 있다. 즉 그림에서 냉각속도 v3 v1은 도면상에서 마르텐사이트 변태개시온도인 Ms점을 통과하고 있다. 예를 들면 냉각곡선 v3는 m3점에서 Ms선과 교차하고 있지만 마르텐사이트로 변태하는 것은 아니다. 왜냐하면 이 냉각곡선은 이미 펄라이트 변태개시선과 종료선을 통과했기 때문에 전부 펄라이트로 변태되어 마르텐사이트로 사용되는 냉매로는 드라이아이스(-78 )나 액체질소(-196 ) 등이 있다.· 실험장비시편(철사, 못, 철사열처리, 못열처리, SM45C(아공석강), SK5(공석강), SK3(과공석강), SKD11(과공석강), 주철, SK5 열처리(1100 ,1000 ), SK3 열처리, SKD11 열처리), 노, 로크웰경도기, 연마지, 연마기, 부식액, 현미경실험결과경도값열처리 전{시편열처리 전 (경도)평균1철사131315{13.67{철사열처리6.556{5.83{못414141.5{41.17{못열처리1315.515{14.50{2SM45C(아공석강)19.518.520{19.33{3SK5(공석강)15.51115.5{14.00{4SK3(과공석강)2012.515{15.83{5SKD11(과공석강)15.515.514{15.00{6주 철4.586{6.17{7SK5212023{21.33{8SK5-15-13-13{-13.67{9SK3131415{14.00{10SKD1126.527.526.5{26.83{♣ 경도 - 100Kg / C scale (1번 시편) , 150Kg / C scale (2~10번 시편)노냉{시편열처리 후 (경도)평균1철사철사열처리못못열처리2SM45C(아공석강)211{1.33{3SK5(공석강)182120{19.67{4SK3(과공석강)1921.520{20.17{5SKD11(과공석강)23.521.522.5{22.50{6주 철-21-24-21{-22.00{7SK5-13-13-12{-12.67{8SK511.51510{12.17{9SK3141820{17.33{10SKD11182019{19.00{♣ 경도 - 150Kg / C scale공냉{시편열처리 후 (경도)평균1철사철사열처리못못열처리2SM45C(아공석강)12.51313{12.83{3SK5(공석강)302929{29.33{4SK3(과공석강)272828.5{27.83{5SKD11(과공석강)58.559.559{59.00{6주 철-4.5-9-4.5{-6.00{7SK5531.5{3.17{8SK526.526.530{27.67{9SK325.5된다.

공학/기술| 2004.09.09| 19페이지| 1,000원| 조회(4,222)

철강재료, 경도측정, 평형상태도, 철평형상태도, 철강조직

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[재료공학] 비파괴시험 (초음파탐상법) 평가B괜찮아요

비파괴 검사 (초음파 탐상법)=NDT(Non-Destructive Testing)실험목적초음파탐상법이란 가청 주파수 이상의 주파수를 갖는 초음파를 이용하여 소재의 내부결함을 검출하거나 두께측정에 이용하는 비파괴 검사의 일종으로, 탐촉자에서 발생한 초음파는 소재의 내부로 침투되어 진행하며 초음파의 경로상에 결함이 존재할 경우, 그 결함에 의해 초음파는 반사되어 되돌아오고 그 신호를 받아 초음파가 진행한 거리만큼 CRT 화면에 신호로 나타나게 된다. CRT 화면에 나타난 신호의 위치 및 크기를 읽어 그 결함이 존재하는 깊이 및 크기를 평가한다.실험장비그림 1. 초음파탐상법 실험 장비그림 2. 표준 시험모형이론적 배경1. 비파괴 검사비파괴검사[非破壞檢査, NDT : Non-Destructive Testing]란 간단하게 말하자면 문자 그대로 재료나 구조물을 깨뜨리지 않고 특성을 평가하여 제품의 신뢰성을 향상시키고, 시설물의 안정성 진단과 수명예측 등 안전진단 및 품질관리의 검사업무를 수행하는 것을 말한다.즉, 어떠한 재료의 원래 모습과 기능에 전혀 영향을 끼치지 않으면서 시험체의 건전성(품질)여부 또는 성질, 상태 내부구조 등을 알아내는 여러 가지 방법의 시험을 말한다.비파괴 검사의 목적1) 신뢰성 향상오늘날 각종 구조물은 급속히 대형화, 고압화, 고속화되어 있어 그것의 품질과 규모에 큰 변화를 가져오고 있으며, 아울러 안전성(安全性)에 대한 신뢰도가 중요한 문제로 대두되고 있다.모든 재료는 완전무결할 수 없기 때문에 수명이 영구적일 수가 없다. 재료로부터 결함이 있을 뿐만 아니라 가공 중 및 사용 중에도 결함이 발생하고 성장함으로 재료의 수명에 영향을 준다. 그러므로 시험체에 어느 정도의 결함이 존재하는지도 알아야 되고 그 결함이 이들의 사용조건에서 얼마나 유해한지도 알아야 한다. 이 판단의 자료를 제공하는 것이 비파괴 검사이다.즉, 비파괴 검사로 시험체의 상태를 확인하여 위해하다고 판단되는 결함 등을 미리 기록하여 수명을 연장시킬 수 있고 안심하고 사용할 수 있함 검출 곤란⑤ 입도가 크고 기포가 많은 재료의 검사곤란⑥ 접촉매질⑦ 표준시험편(Standard Test Block), 대비시험편(Referance Block)필요3) 초음파탐상법의 응용초음파탐상검사는 기본적으로 기계적인 진동현상을 이용하는 것으로서 물체의 구성물질 즉 물성 파악에 적합한 방법이며 그 응용에는 다음과 같은 방법이 있다.(1) 결함검사(2) 두께측정(3) 탄성율 측정(4) 금속조직연구(5) 피검체의 제조변수의 영향평가4) 초음파탐상검사 방법(1) 초음파의 진행원리에 의한 분류초음파가 시험체내에서 진행할 때 불연속부와 같은 경계면에서는 투과 및 굴절 또는 반사를 한다. 이때 불연속부에서 반사하는 초음파를 분석하여 검사하는 방법을 펄스반사법, 투과한 초음파를 분석하여 검사하는 방법을 투과법, 펄스반사법과 유사하지만 공진 현상을 이용한 공진법이 있다.(2) 탐촉자 접촉 방법에 의한 분류탐촉자에서 발생시킨 초음파를 시험체에 전달하는 방식에 따라 분류하는 방법으로서, 탐촉자를 시험체에 직접 접촉시켜 초음파를 전달하는 방법을 직접 접촉법이라하고, 시험체를 물과 같은 액체 접촉 매질 속에 넣고 초음파의 진동을 액체를 통해 시험체에 전달하는 방법을 수침법이라 한다.(3) 파의 종류에 의한 분류펄스반사식접촉법에 의한 파의 적용방식을 표현하면, 수직법, 사각법, 표면파법, 판파법 등으로 분류 할 수 있다.(4) 표시 방법에 의한 분류초음파 탐상검사에서 반사파에 대한 정보를 CRT화면 또는 다른 기록장치에 나타내는 표시방법에 따 라 A-Scan, B-Scan, C-Scan, M-Scan, 도플러 등으로 분류한다.(5) 탐촉자수에 의한 분류사용하는 탐촉자의 수에 따라 분리하는 방식으로 탐촉자를 1개 사용하여 검사하는 1탐촉자법, 2개를 사용하는 2탐촉자법, 또한 여러개를 동시에 사용하는 다탐촉자법등이 있다.5)초음파의 기초 이론·전위현상(Displacement) : 입자가 에너지를 받아 변형되는 거리를 전위라 하고 탄성에 의해 원래위치로 돌아온다. 이 전위에 의해서 음파가 음향 임피던스가 다른 두 매질사이의 계면 에 부딪칠 때어떤 파에너지는 진동의 양식이 변화하는데 이러한 변화를 진 동양식의 변화 즉, 파형변환이라 한다.파형변환 (종파 횡파) 시에 초음파의 입사하는 각도 (=입사각) 에 따라 파형변환이 형성 될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. (파형변환이 형성됐을 경우에는 입사하는 파와 동일한 파형과, 새로운 파형 형식 2가지가 존재한다.)Snell의 법칙.음파가 경계면에서 경사지게 입사하는 경우에는 한 종류의 입사파가 입사되어도, 입사각에 따라 다른 파로 변형되어 굴절되는 현상이 나타나며 이러한 굴절의 법칙을 나타내는 것이 Snell의 법칙이다.sin / sin = V2/ V1( :입사각, :굴절각, V1:제1매질에서의 속도, V2:제2매질에서의 속도 )·임계각(Critical angle).①임계각 : 굴절각이 90 가 될 때 그때의 입사각을 임계각이라 한다.②제1임계각 : 종파 굴절각이 90 가 될 때의 입사각.③제2임계각 : 횡파 굴절각이 90 가 될 때의 입사각.④전반사 : 입사각이 임계각 이상일 때 제2매질에서는 종파, 횡파 어떠한 파도 존재하지 않게 되는데 이 때를 입사파가 100%반사하여 '전반사'라고 한다. 입사파가 임계각도에 이르면 제3의 파가 발생되는데 이때 발생하는 파가 표면파(Surface wave)로 입자의 운동이 타원형이다.·반사와 통과.* 수직입사시 반사와 통과.계면에 수직으로 음파가 입사할 때 매질의 음향 임피던스 차이에 의해 반사, 통과하는 성분으로 나누어진다.음향 임피던스(Z): 매질의 밀도( )와 음속(V)을 곱한 것으로 물질에 따라 달라진다.Z = V음압(P) : 각 매질의 음향 임피던스 차이로 인해 생기는 입사되는 음파와 반사, 통과되는 음파의 크기차이. ( P = Z₂- Z₁, Z₁, Z₂: 제1, 2매질의 음향 임피던스).음압반사율(r) : 입사파의 음압에 대한 반사파 음압의 비.r = P₂/ P₁ = [( Z₂- Z₁) / ( Z₁+ Z₂)] 100 주의)절대값만을 나타낸다. 현상은 원거리 음장영역에서만 적용된다.· 지향성① 지향성 : 초음파가 어느 각도 범위 안에서 강하게 방사되는 성질. 지향성이 예민한 초음파는 빛과 같이 직진성을 갖는다. 지향성의 각도에 음이 강하게 나오는 (초음파속이 집속되어 있는 것) 범위를 빔(Beam)이라 한다.② 지향각( ) : 빔과 다음의 작은 산과의 경계선의 음압이 일단 영이 되는 방향과 중심축 간의 각도(근거리 원장내에서 빔의 중심을 이루게 하는 음압의 작은 산과의 접선을 그엇을 때 이 접선과 중심축과의 각도). 근거리 음장영역 포함된다.= 70 ( / D ) = V / F = 70 ( V / FD ) D : 진동자의 직경.③ 같은 주파수에서는 진동자의 직경이 클수록 지향각이 감소한다. (지향성이 예민해 진다)④ 같은 직경의 진동자 직경에서는 주파수가 클수록 지향각이 감소한다.· 빔의 분산 및 감쇠.① 원거리 음장영역에서 지시의 강도가 지수적으로 감소하는 것은 빔의 분산(Beam spread)과 감쇠(Attenuation)라는 두 가지 이유때문이다.② 분산(Beam spread) : 빔이 근거리음장 한계거리를 벗어나면 일정한 각도로 확산되어 음압이 손실되는데 이를 분산(Beam spread)이라 한다(확산손실).확산이 이행(■의 각도로)되는 경계거리는 1.6X0이다.③ 감쇠(Attenuation) : 빔이 나아가는 매질의 결정구조에 의해 산란, 반사, 흡수되어 음압이 손실된다. 즉, 결정구조가 조대할 경우 음파가 더욱 산란, 반사되고 흡수 되어 버린다. (산란감쇠)진동자에 따라 결정되는 확산손실과 시험편의 결정조직에 의해 결정되는 산란감쇠와는 혼동을 하면 안된다.이러한 분산과 감쇠는 원거리 음장영역에서만 언급되고 근거리 음장영역에서는 근거리 음장효과에 의해 충분히 상쇄되어 언급하지 않는다.분산각( ) : 진동자의 중심과 근거리 음장이 끝나는 빔의 경계를 연결하는 선과 중심축과의 각도를 빔의 분산각이라 한다. 근거리 음장 영역을 포함하지 않는다.sin = 1.22 ( / D ) ( = V / F 수신음압이 같아진다.6) 초음파탐상기(1) 탐상기의 구조와 기능· 기본적인 구조 : 송신부(전기펄스파를 발생), 탐촉자(파를 초음파로 바꾸고 음압을 수신), 수신부(검출된 전압을 증폭), CRT 화면, 기타 부속회로로 구성.· 측정범위 손잡이(Range) : 측정범위(검사범위)를 50, 100, 200mm등 계단식으로 조정. 시간축 눈금판에 영점과 50눈금사이에서 볼수 있게 한 조정기.· 음속 손잡이 : 음속을 눈금으로 나타나게 한 것으로 미조정으로 되어 있다.· 영점조정 손잡이(Pulse posion, 수평위치 손잡이) ; 조정된 측정범위의 간격을 변화시키지 않고 전체를 좌우로 이동시켜 Beam 궤적을 눈금판의 영점에 맞춘다.· 부분 확대 손잡이(Velocity, Delay) : 브라운관면에 나타난 구간을 시간적으로 이동시키는 것. 음속 손잡이와 함께 시간축의 일부를 확대시킬 수 있다.· 펄스폭(Pulse energy) 손잡이 : 진동자의 진동시간과 진동자에 가한 전압을 조정한다. 폭을 넓히면 송신출력은 올라가지만 분해능은 떨어진다.· Pulse동조 손잡이 : 송신회로를 공진시키는 것. 수정 진동자일 때는 송신출력을 높일 수 있다.· 게인(Gain)조정 손잡이 : 게인은 증폭부의 증폭도의 뜻으로 감도(Sensitivity)등의 호칭이 있다. 교정된 감쇠기와 보조 손잡이를 같이 조립한 것이 많다. 감쇠기는 Attenuator라고도 불러 Switch식으로서 1단계에 1 2dB로 눈금이 교정되는 것이 많다. 연속적인 눈금인 것은 정밀도가 좋지 않다. 그 외에 1단계에서 10, 20dB등으로 큰 감쇠량을 주는 스위치도 있다.· 게인보조 손잡이(미세조정 손잡이, Uncalibration gain) : dB의 중간치의 조정 등에 쓰인다.· 주파수 손잡이 : 탐촉자의 주파수를 맞춘다.· 단일 및 이중 탐촉자 선택스위치 : 1탐촉자 방법일 때는 스위치를 단일측에 분할형이나 2탐촉자 방법일 때는 2중 탐촉자에 놓는다.① 송신부.송신부는 약 500V이상의 높은 전압의 펄스를

공학/기술| 2003.12.07| 18페이지| 1,000원| 조회(1,727)

재료공학, 초음파, 비파괴시험, 비파괴실험, 초음파탐상법

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[재료공학] 압축시험

압축시험실험목적재료에 응력을 가하였을 때 변형이나 파단강도를 구하기 위하여 압축 시험(compression test)을 행한다. 가령 연성이 풍부한 재료의 소성가공의 판정이나 주철 베어링 합금 콘크리트와 같은 여린 재료의 파단강도의 판정에 공업적으로 사용된다. 연성이 있는 재료에서는 하중축에 45 를 이루는 면에 압축의 경우도 인장의 경우와 마친 가지로 최대전단응력이 생기고 이로 인하여 미끄럼변형이 생긴다. 따라서 압축항복응력은 동일재료의 인장항복응력과 거의 같고 강성계수도 거의 같다. 안 이들의 관계는 등방성재료로 간주될 때이며 특별히 이방성재료나 바우거지 효과가 인장되는 재료에서는 인장과 압축에서 항복점이 다르다.응력 축에 45 의 면상에 전단응력의 크기는 인장 혹은 압축응력의 1/2이다. 이 면상에 걸리는 수직응력은 인장부하의 경우는 인장력이며 압축부하의 경우는 압축력이다. 이론계산에 의하면 금속결정에서 전단항복응력은 전단면에 걸리는 수직인장응력이 커질수록 감소하지만 이것을 다축응력 하에서의 변형의 경우에 고려하여야 할 일이다. 파괴의 경우에는 인장력은 크랙을 확대하고 압축력은 크랙을 짓누르는 작용을 하므로 여린 재료에서는 인장파단응력에 비해서 압축파단응력이 크다. 그러므로 담금질한 강 등 매우 여린 재료의 항복점을 추하려면 인장시험 보다는 압축시험을 행하는 것이 바람직하다. 연성이 풍부한 재료에서는 하중의 증가에 따라서 단면적이 증대한다. 그러므로 파단 시키기가 어려워진다.실험 장비1. 시편 3개 (탄소강, 알루미늄 합금, 황동), 윤활제, 버니어 캘리퍼2. 압축응력시험기그림 1. 압축응력 시험기이론적 배경압축강도는 취성재료를 시험하였을 때 잘 나타난다. 그러나 연성재료에서는 파괴를 일으키지 않으므로 압축강도를 결정하기 곤란하다. 그러므로 편의상 시편에 주편이 생길 때 즉, 균열이 발생하는 응력으로써 압축강도를 취급하는 예도 있다.압축시험은 주로 내압에 사용되는 재료를 사용한다. 예를 들면 주철, 베어링 합금(Bearing metal), 연화, 콘크리트료의 탄성한계, 비례한계, 항복점 등에 의한 곡선을 그려보면 인장시험의 경우와는 곡선의 기울기가 일반으로 차이가 있다. 비교적 취성이 큰 재료는 항복점 이상의 하중을 가하면 파괴된다. 이 때에 하중에 상당하는 내력을 압축력이라 한다. 인성이 크면 재료를 아무리 압축하여도 파괴되지 않으므로 압축력의 결정은 어렵다.이와 같은 재질의 항복점은 압축력으로 정한다. 연강은 일반적으로 압축탄성한계가 인장시험의 결과와 대략 일치하므로 보통 압축시험을 행하지 않는다.1. 시편의 종류압축시편에는 다음의 3종류가 있다.1)단주시편(높이 h는 직경의 0.9배) h = 0.9d -------- 베어링 합금용2)중주시편(높이 h는 직경의 3배) h = 3d -------- 일반 금속재료3)장주시편(높이 h는 직경의 10배) h = 10d -------- 탄성 계구측정보통 압축시편은 직경을rm d_0, 단면적을rm A_0, 길이를rm h_0라 할 때 단면마찰과 굽힘, 휘어짐 등을 고려하여rm h_0 over d_0 = 1∼2, 또는rm sqrt A_0 over h_0 = 1정도가 쓰인다. 그 이유는 단면에 마찰저항을 고려한 치수효과 때문이다. 이에 우리는 좌굴과 마찰저항을 고려하여 하나는rm h_0 over d_0가 2.5∼3으로 일정한 치수를 가진 시편을 사용하고 또 다른 하나는 좌굴 현상을 관찰하기 위해 높은 aspect ratio를 가진 시편을 사용하고자 한다.그림 2. Configuration of Cylindrical Specimen직 경d(in)길이l(in)l/d응용 범위단주시편...1⅛ 0.011 0.050.9베어링 합금 동중주시편0.01..0.798 0.01(..)1 0.011⅛ 0.011 0.052⅜ ⅛3 ⅛3⅜ ⅛32.9833금속재료 일반항압력(抗壓力)장주시편0.798(..)1 0.0146⅜ ⅛127.9910탄성계수의 측정표 1. ASTM의 압축 시편2. 압축변형연성이 있는 재료에서는 하중 축과 45o를 이루는 면에 압축의 경우도 인장의 경우와 마찬가지로 최대 전단응(cos2 + sin2 ) ~=~0~=~ {-cos2 } over {sin2 }~=~-cot2 ~=~- {1} over {tan }~=~tan(2 -{pi} over {2}})~=~tan이면~=~2 -{pi} over {2}이 되고결국~=~{pi} over {4} - { } over {2}가 된다.는 실험에 의해서 쉽게 구할수 있으므로 와 는 쉽게 결정이 된다.와 를 식에 대입하면 f를 구할수 있다.(주철의 경우 =55 , =20 =tan20=0.364 따라서 f=0.35 또는 =2.86f가 된다. 반면 최대전단응력은_max ~=~0.47즉 전단강도 f는 압축강도의 0.5가 아니고 35%정도이다.)응력선에 45o의 면상에 전단응력의 크기는 인장 혹은 압축응력의 1/2이다. 이 면상에 걸리는 수직응력은 인장부하의 경우는 인장력이며 압축부하의 경우는 압축력이다. 이론계산에 의하면 금속결정에서 전단항복응력T_th는 에서 보여주는 바와 같이 전단면에 걸리는 수직인장응력_n이 커질수록 감소하지만 이것은 다축응력 하에서의 변형의 경우에 고려하여야 할 일이다. 파괴의 경우에는 인장력은 크랙(crack)을 확대하고 압축력은 크랙을 짓누르는 작용을 하므로 여린 재료에서는 인장파괴응력에 비해서 압축파괴응력이 크다. 그러므로 담금질한 강 등 매우 여린 재료의 항복점을 구하면 인장시편보다는 압축시편을 하는 것이 바람직하다. 연성이 풍부한 재료에서는 하중의 증가에 따라서 단면적이 증대한다. 그러므로 파단시키기가 어려워진다.에 압축에 의한 변형상황을 나타낸다. 단면은 가압판의 마찰력 때문에 변형이 구속되고 시편상 각 부분의 변형량이 불균일하게 된다. 그러므로 진응력을 구하기가 어렵다. 이 난점을 피하기 위해서는 단면지름에 비해서 충분한 높이의 시험편을 사용하면 된다. 그러나 이러한 시험편은 굽힘이나 좌굴을 일으키기 쉽다. 그러므로 연성재료에 대해서는 압축시편을 잘하지 않는다.12T_th1086420102030_n405060그림 3. 미끄럼면에 작용하는 수직응력그림 4. 압축에 의한 변0과 시험편을 P인 압축하중으로 압축하였을 때 각각 L, A로 변화했을 때 단면수축율는 다음과 같은 식이 된다.= {(A-A_0 )} over A_0-----------------------(4)공칭변형율에서 진변형율을 산출할 수 있고A_0 L_0 = AL의 관계와 식 (2), (3)에서진응력= P over A = P over A_0 L over L_0 = S(e+1)-----------------------(5)이 성립하므로 진응력도 계산될 수 있다. 그리고 압축강도는 식 (6)과 같다.압축강도rm _M = F_max over A-----------------------(6)시편에 부과되는 변형 속도는 유동 응력에 큰 영향을 미칠 수 있다.크게 공칭 변형속도는 식 (7), 진변형율 속도는 식(8)과 같이 나타낼 수 있다. 그리고 진응력과 공칭 선형 변형속도로 변형율속도 민감도를 구할 수 있다.공칭 선형 변형속도dot e = de over dt = {{d(L-L0)} over L_0} over dt = 1dL over {L_0 dt} = v over L_0----------------------(7)(v = dL over dt)진변형율 속도DOT = d over dt = {d[ln ( L over L_0 )]} over dt = 1dL over Ldt = v over L----------------------(8)변형율속도 민감도m=[{{ ln } over { ln dot }}]_ ,T=DOT OVER [ { OVER { DOT }}]_ ,T={{ log }over { log dot }}= {log _2 -log _1} over {log dot _2 - log dot _1}= { log( _2 over _1 )} over { log ( dot _2 over dot _1 ) }----------------------(9)대부분의 재료에서 나타나는 하중-변위곡선에서 항복점은 명확히 나타나지 않고 과 같은 곡선을 그린다. 이 경우에는 0.2% offset 압축 항복굴변형 형태S_Cr = {C pi^2 E_I } over { ( L over )^2}-----------------------(13)S_Cr: 임계 좌굴응력E: 탄성계수E_I: 좌굴응력값에서의 Tangent계수L: 원주길이C: 끝고정(End-fixity)계수4. 불균일 변형압축 하중 하에서 시편 끝 단면에서의 마찰력 때문에 끝부분에 제한적인 변형으로 인해 대칭적으로 보여 질 수 있는 불균일한 횡단변형이다.아래의 그림 7. 을 보면 시편의 위와 아래는 길이의 변화가 되지 않는 한편 가운데 부분만 늘어난 것을 볼 수 있다.이런 현상은 Friction force (마찰력)에 의한 것이다. 즉, 시편의 위와 아래 부분은 friction force 때문에 연신이 되질 않고 반면에 가운데 부분은 friction force 이 없기 때문에 연신이 되는 것이다. 이런 현상을 불균일 변형이라고도 한다.위·아래처럼 변형이 되지 않는 부분을 Dead zone 이라고 한다. 아래 그림 7. 오른쪽 사진을 보면 무늬가 없이 위와 아래에 삼각형 모양으로 검게 나타나는 면이 이 부분이다.위·아래의 간격이 좁으면 좁을수록 단위량을 변화시키는 에너지가 더 필요하다. 즉, 단주의 시편일수록 마찰의 효과가 더 크고, 에너지가 더 필요하게 되는 것이다.그리고 압축을 받은 시편의 높이가 점점 줄어들어 dead zone 이 겹쳐지게 되면 시편이 깨어지게 된다.그리고 실험을 할 때 윤활제를 발라주면 dead zone의 영역이 줄어들어 에너지가 더 작게 필요하게 된다.그림 7. 불균일 변형한 시편의 사진과 dead zone그림 8. 불균일 변형을 한 시편(a) 연강시험편의 압축에 의한 류더스帶의 발생(b) 인장력에 의한 압축파괴 모양.(c) 전단력에 의한 압축파괴 모양.5. 압축시험의 응력-압률선도(壓率線圖, stress-strain diagram)압축에 대한 응력 - 압률선도는 인장시험과 유사하다. 인장에서 항복점이 잘 나타나는 것은 압축에서도 마찬가지이다. 그러나 일반적으로 압축에서는 항복점이 뚜렷

공학/기술| 2003.12.04| 19페이지| 1,000원| 조회(946)

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[재료공학실험] 마모(마멸)시험 평가A좋아요

마모시험(마멸시험)실험목적기계 부품의 파괴 원인이 마멸에 의한 때가 상당히 많아서 재료의 마멸에 대한 저항이나 마멸의 기구, 마찰 계수 비마멸량 등을 알기 위해서 마멸 시험이 실시된다.2개 이상의 물체가 접촉하고 있는 상태에서 상대운동을 하게 되면 접촉면에서는 상대운동에 대한 저항력이 생기고, 이러한 상대 운동에 대한 저항력을 마찰력이라고 한다. 이러한 마찰력으로 재료의 일부가 떨어져 나가는 것을 마모라고 하며 기계의 경우 마모량이 어느 한계를 넘으면, 사용이 곤란할 정도로 수명을 결정하는 중요한 인자 중의 하나이다. 마멸시험의 최종 목적은 재료의 이러한 내마모성을 평가하는 것이다. 마멸은 공구나 다이와 공작물 사이의 접촉면 형상에 변화를 주므로, 제조공정의 기술적, 경제적인 측면에서 큰 중요성을 가지고 있다.실험장비1. 시편3개 (황동, 알루미늄, 탄소강), 그래프용지, 사포2.마모시험기그림 1. 마모시험기이론적 배경1. 마모 시험의 시험조건2개 이상의 물체가 접촉하면서 상대운동을 할 때, 그 면이 감소되는 현상을 마모(磨耗, wear) 또는 마멸(磨滅)이라고 부른다. 마모에 대한 당도를 내마모성이라고도 하며, 이것을 접촉하는 상대방의 재질 및 표면 상태 등에 따라 영향을 받는다.기계부분이 회전마찰(回傳摩擦) 또는 슬라이드 마찰(sliding wear)을 할 때에는 상대적으로 마찰이 생기는데, 직접 마찰이 생기는 경우는 적고 기름(oil), 모래, 산화물들이 그 사이에 개재(介在)하는 일이 많다. 그러므로 시험 조건을 확실하게 정하는 것이 필요하다. 예를 들면 기차의 레일(rail)가 타이어(tire)의 마모는 기계적 강도에만 영향을 받고, 분쇄기(粉碎機)의 마모는 충격치로 결정되며, 연마(硏磨)는 융해점(融解點)으로 결정된다.마모의 본질은 복잡하나 직접 영향을 주는 가장 중요한 조건을 대상으로 시험하는 것이 필요하다. 마모에 대한 연구들이 많으나 시험 결과에는 많은 차이가 있다. 그리고 기름을 사용하였을 때 기름의 종류와 성질에 관계가 크고, 또한 시험편의소시킬 수 있고 또한 마모기구를 공정에 응용할 수도 있다. 예를 들어. 베어링, 캠, 기아 등의 응용분야에서는 마찰과 마모를 최소화하여야 하나. 연마나 정마와 같은 작업에서는 최대화하여야 한다. 강선이나 나일론 섬유로 로프를 제작할 때 인장응력을 마찰에 의해 전달하여 선들 사이의 상호작용을 극대화할 수 있도록 선을 비틀어 꼬아준다. 미끄럼마찰이 일어나면 열이 발생하고, 따라서 온도가 상승한다. 이 온도 상승은 하나 또는 두 고체 표면모두에서 풀림효과, 결정립의조대화, 국부적 용융에 의한 미세조직의 변화를 일으키거나. 또는 단순히 반응속도를 증가시켜, 마모속도에 영향을 미친다. 따라서 앞서의 많은 경우에서와 같이 온도는 마모속도을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.마모에 대해서는 각종 인자(因子)가 있어 더욱 복잡하고 시간 및 비용이 많이 걸리므로 상당히 단점이 있다. 이와 같은 의미에서 마모 시험에서 얻은 결과를 잘 검토하고 실제에 작용하는 것이 필요하다.(1) 마찰면의 경도 영향그림 2. 마찰면의 경도 영향의 그래프금속의 경화기구는 (1) 고용강화나 입자분산강화와 같은 합금고유의 강화기구와, (2) 가공경화나 압축잔류 응력과 같은 격자 결함이나 역학적익 작용에 의한 것이 있다. 전자의 경우의 예로서 왼쪽 그림은 질화강제의 회전통에 각종 경도의 탄소강 시험편을 마찰하였을 때의 탄소강 시험편의 마모량과 경도 관계를 조사한 결과이며, 견고한 재료일수록 마모량이 작아지는 것을 알 수 있다. 후자의 예로서 오른쪽그림은 기계가공량을 변화시켜 표면 경화층의 두께를 바꾸었을 때의 마모량을 조사한 결과이며, 이 때는 가공경화량이 클수록 마모량이 커지는 것을 알 수 있다. 단 항복점이 낮고, 가공에 의해 크게 경화하여 높은 인장강도를 나타내는 스테인리스강이나 고C, 고Mn (Hadfeld)에서는 가공에 의해 내마모성이 증가한다(2) 온도의 영향온도의 영향은 마찰속도의 영향과 유사하고, 어떤 온도에서 극대 값을 나타낸다. 즉 저온에서 산화마모, 중정도의 온도에서는 연삭마모 또는 해도 마찰면의 진실 온도가 상승하는 점에서는 같은 효과를 나타내므로 양인자에는 적어도 정성적인 호환성이 있다. 그리고 마찰면의 진실온도가 매우 높아지면, 급속히 마모량이 증가하여 소착을 일으킨다.2. 마모시험기의 종류그림 3. 마모시험기의 종류그림 4. 영목식 마모시험기의 원리3. 마모기구의 종류재료의 마모는 작동조건에 따라 마모거동이 변하며 마모기구가 달라진다. 일반적으로 마모기구는 응착마모, 연삭마모, 파괴마모, 표면접촉, 피로, 박리. 트리보케미스트리로 규명되고 있다. 또한 마모율에 의한 구별로는 ultra mild wear. severe ultra severe wear 등이 있다. 특히 금속도금의 내마모성 시험법은 KS규격이 규정되어 있어 세라믹의 내마모 평가도 이를 참고로 하면 된다. 마멸 현상은 여러 가지 원인이 복잡하게 합쳐져서 나타나기 때문에 그 분류 방법 또한 다양하다. 즉 마멸 형태에 따라서는 산화 마멸, 용융 마멸, 기계적 마멸로 분류되며 발생 기구에 따라서는 응착 마멸, 연삭 마멸, 피로 마멸, 부식 마멸 등으로 분류되기도 한다.(1) 연삭마모(휘면마모) : 상대적으로 경한 입자나 미세돌기와의 접촉에 의해 표면으로부터 마모입자가 일탈되는 현상으로 마모면에 긁힘자국이나 끝이 파인 홈들이 나타난다. 일반적으로 경도가 높은 재료가 연삭마모에 대한 저항성이 큰 것으로 알려져 있지만 일부 금속에서는 경도의 증가에도 불구하고 연산마모의 저항성이 오히려 낮아지는 경우가 있기 때문에 연삭마모라는 것이 종래의 절삭개념으로만 설명하는 것은 어렵다는 것을 나타내 주고 있다. 따라서 금속재료의 연산마모 특성은 기계적 강도항(주로 경도)에 의존하는 연삭입자의 침입량과 재료의 연성에 의해 결정되는 형성된 골(groove)로부터 마모분으로 제거되는 양에 크게 의존하게 된다.ⅰ) 두 물체 사이의 마모 --> 근원적으로 침식마모로 주로 유체나 공기와 함께 분사되는 연삭입자의 침식작용에 의해 표면의 마모를 유발시킨다.ⅱ) 세 물체 사이의 마모--> 세 물체 사이의 마모 비율K : 표면과 접촉하여 물질을 제거시키는 연삭입자의 비율(연삭입자의 평균 직경이나 단위면적당 걸리는 하중 와는 무관하다)위 식에서 연삭 마모의 간단한 모델은 표면으로부터 제거되는 마모량은 마찰거리, 단위 면적당 걸리는 하중에 비례하고, 재료의 표면경도에 반비례한다는 것, 그리고 연삭입자의 크기에는 무관하다는 것을 말해주고 있다.(2) 응착 마모 : 진실 접촉부분이 고압을 받아 변형하고, 청정표면이 나타나 양물체간에 확산, 용융이 일어나 응착하고, 다음의 순간 당겨 끊어지는 형식의 마모, 진실접촉부분이 용융상태에서 분리할 때 물질이행이 일어나는 경우를 용융마모라고 하여 응착마모와 구별하는 것이다. 응착마모에 비하여 용융마모 쪽이 마모량이 일반적으로 적지만, 접촉부의 온도가 현저히 상승하고, 그 면적이 확대하면 '소착'을 일으켜 마모량이 급히 커진다.두 미끄럼 접촉면 사이의 어떤 접합부가 마모입자를 생성할 확률을 근거로 하여, 응착마모량을 예측하기 위하여 제안된 식은 다음과 같다.V = k(WL/3P)여기서, V 는 마모체적, k는 마모계수, L은 이동거리, W는 수직하중의 크기, P는 연한 재료의 압입경도이다.(3) 피로마모 : 상대운동을 하는 표면에 반복하중이 가해지면 마찰표면층에서 피로파괴가 일어나 그 결과로 마모입자가 발생한다는 것이 피로마모의 개념이다. 주로 기어나 베어링 등에서 발생되며 피로마모를 줄이기 위해서는 적당한 재료의 선택 및 최대응력을 줄이는 설계가 필요하다.(4) 부식마모 : 두 물체의 상대운동이 가스나 액체 등의 부식성 분위기 하에서 일어날 때 표면에서는 전기화학반응이 일어나 부식생성물들이 한쪽 또는 양쪽 표면에 생기게 되며 이러한 부식생성물들은 대개 표면과의 접착력이 좋지 않아 계속되는 상대운동에 의해 쉽게 제거되는 일연의 과정이 부식마모이다. 그러므로 부식마모에 있어서는 부식과 상대운동, 즉 마찰이 모두 작용하게 되며 부식이 마모의 주된 요인으로 작용하는 경우에는 여러 가지 마모기구들이 복잡하게 얽혀지게 된다.산화가 발생되는 경우시간의 함수로써 다음 식과 같다.V = Kf· (APn/H)1/2여기서,V : 마모량 (㎣)Kf : 형성된 산화물의 표면이탈 확률: 표면층의 성장 속도(m/sec)A : 접촉면적Pn : 수직압력H : 경도(5) 박리마모: 박리마모는 연질의 재료상부에 경질재료가 활주할 때 반복되는 수직응력과 전단응력에 의해 재료의 표면 하부에서 공극과 미소 크랙이 생성되고 이것이 수평하게 전진하여 박리가 발생하는 것이다. 이 때 마모량은V = K·P·여기서,K : 평면형상 의존 계수P : 하중: 주행거리이상과 같이 마모기구는 복합적으로 작용하며 어느 한 가지가 지배적인 기구이면 다른 기구들은 부수적으로 작용하게 된다. 이러한 마멸기구에 미치는 영향은 재료의 조성, 경도 등의 재료인자 뿐만 아니라 마멸시의 습도, 온도 등의 환경인자 등으로 다양하다.(6) 연마마모: 미끄럼이 발생하는 두 표면 사이에 갇혀 있는 분리된 입자와의 상호작용에 의해 재료표면이 손상된다. 일반적으로 응착기구에서는 입자가 마모재료 작용하지 않는다.재료의 소실속도는 연마입자와 미끄럼 표면의 상대적인 경도에 의존한다. 재료표면이 입자보다 단단할 때에 마모속도는 최소가 된다. 경도가 높고, 인성이 우수하며, 적당한 온도 안정성이 있는 재료는 연마마모 저항성이 우수하다. 이에 대한 일반적인 예로 템퍼드 마르텐사이트강, 표면경화강.Co합금 그리고 많은 종류의 세라믹이 있다(7) 표면피로: 앞에 설명한 두 마모기구는 미끄럼 운동 중에 일반적으로 발생한다. 그러나, 어떤 재료가 다른 재료 위를 회전하는 경우의 마모기구는 흔히 표면피로이다. 접촉하여 회전하는 동안 발생하는 응력 변화를 정량적으로 분석하면, 최대 전단응력은 표면보다 약간 아래에서 발생한다. Hertz 접촉응력으로 알려진 최대 전단응력이 표면 아래의 부분에 균열을 생성하고. 이 균열은 표면으로 전파되어 마모 피트를 형성한다. 이것은 철도 바퀴에서 일반적으로 발생하는 파괴기구이다(8) 마모부식: 화학적 열화와 기계적 열화의 동시작용효과에 의해 고체 표면의 재료다.

공학/기술| 2003.10.20| 14페이지| 1,000원| 조회(1,650)

재료공학, 금속공학, 마모시험, 마멸시험

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