금속의 기계적 성질과 조직관찰 (인장시험)

1. 실험 목적

연강, Al합금, Cu합금 등 금속재료의 강도(항복강도, 최대인장강도), 연신율, 단면수축률, Stiffness, 탄성계수를 측정하여 재료의 기계적 성질을 분석한다. 

2. 이론 및 원리

재료의 기계적 거동이란 외부 작용에 대한 재료의 반응 정도를 나타낸다. 즉, 외부의 힘과 이에 따른 재료의 변형 사이의 관계를 나타내며, 주로 강도(strength), 경도(hardness), 연성(ductility), 강성도(stiffness) 등을 판단하게 된다. 

2.1 공칭 응력과 공칭 변형률

재료에 가해지는 힘을 생각할 때 일반적으로 압축, 인장, 전단의 3가지로 분류하는데 이때 인장변형이란 시편을 양 끝에서 끌어당기며 발생하는 것을 의미한다. 시편의 장축을 따라 일정한 속도로 인장하중을 점차적으로 증가시키면 이에 따라 시편의 변형이 일어난다. 결국 시편은 끊어지게 되며 영구적인 변형이 일어난 2개의 시편 동강이 남게 된다. 인장 시험의 결과는 하중 대 신장량 곡선으로 기록된다. 하중과 신장량은 기하학적 요소를 최소화하기 위하여 각각 공칭 응력(engineering stress)과 공칭 변형률 (engineering strain)로 나타낸다.

Engineering Stress의 정의

 

Engineering Strain의 정의

인장강도 실험을 통해 아래와 같은 인장강도 실험 결과를 얻을 수 있는데 재료에 가해지는 하중이 점차 커짐에 따라 재료는 점점 늘어나게 되고 변화된 길이/초기 길이로 정의되는 공칭 변형률 또한 계속 커지게 된다. 결국 M지점을 지나면 Neck 라고 불리는 시편의 국부 두께가 얇아지는 현상이 발생하고 F지점에서 끊어지게 된다. 이러한 실험을 여러 샘플에 대해 반복하며 재료과학자들은 어디까지 탄성적으로 움직이는지, 소성적으로 움직이는지를 판단하고 항복강도, 연신율, 인장강도, 파괴 강도등을 수치화 하게 된다.

재료는 인장력을 받음에 따라 다양한 재료적 거동을 보이는데, 처음 힘이 가해질 때는 응력과 변형율이 선형적인 관계를 보이는 탄성변형이 일어나다 어느 시점을 넘어서면 재료가 영구적인 변형이 발생되는 소성 변형이 일어나게 된다. 

 

2.2 Stress Strain Diagram의 해석

공칭 응력(engineering stress) : stress = F/A

(F:시편 단면에 수직으로 작용하는 순간적인 하중(N), A0: 초기 단면적(m2), N m-2=Pa)

공칭 변형률 (engineering strain) : strain =  (If-I0)/I0

(l0: 초기 길이, lf: 실험 후 길이)

 

탄성변형(elastic deformation): 응력과 변형률이 비례하는 변형이다. 응력과 변형률의 선도는 직선관계를 가지며, 이 직선의 기울기는 탄성계수E에 대응된다.

 

소성변형(plastic deformation): 회복되지 않는 영구변형이다. 대부분의 금속 재료는 변형률이 약 0.005 정도까지만 탄성변형이 일어나며, 이 점을 넘어서면 응력은 더 이상 변형률에 비례하지 않는다.

 

훅의 법칙(Hooke's law):  σ=E*ε (E : Young's Modulus)

많은 탄성체에서는 변형의 정도가 작을 때 복원력과 변형량 사이에 비례관계가 성립한다. 선형적으로 증가하며 이때 그 기울기를 탄성계수로 정의한다. 

 

비례한계(proportional limit): 응력에 대하여 변형률이 일차적인 비례관계(직선관계)를 보이는 최대응력이다.

항복(yielding): 소성변형이 시작되는 응력이다. 응력이 탄성한계를 지나 곡선으로 되면서 응력이 증가하다가 하중을 증가시키지 않아도 변형이 되는 지점을 상항복점이라고 한다. 금속 내부에 슬립으로 인하여 소성변형이 생겨 큰 내부 전위를 일으키면서 하항복점 발생한다. 하항복점을 지나면 영구변형은 더욱 증가한다. 일반적인 항복점은 하항복점을 의미하고 이때의 응력을 항복응력이라고 한다.

항복 강도(yield strength)-[0.2% Offset]: 항복점이 확실치 않은 재료에서 0.2%의 영구 변형률을 가지는 점을 항복점 대신으로 생각한다. 응력-변형률 곡선의 탄성 영역에 평행하게 선을 그어 변형률 축을 따라 0.002만큼 수평으로 이동시킨 후에 곡선과 만나는 점이다.

인장강도(ultimate tensile strength) : 금속의 소성변형이 시작된 후, 계속적으로 소성변형을 일으키기 위해 응력이 증가될 때 최대 응력에 해당한다. 극한 응력(Ultimate Stress)이라고도 한다.

 

네킹(necking)과 파괴 강도(fracture strength): 최대 인장점까지는 균일한 변형이 일어나며, 이 이상의 응력이 가해지면 재료의 어느 한 부분이 수축되는 현상이 시작된다. 그 후의 변형은 수축된 한부분에 집중하며, 이 현상을 네킹이라고 한다. 결국 파괴는 네킹 부분에서 일어나며 파괴가 일어나는 응력을 파괴 강도라고 한다.

 

연성(Ductility)과 취성(Brittleness): 탄성한계를 넘는 힘을 가하여도 재료가 파괴되지 않고 늘어나는 성질을 연성이라고 한다. 연성을 갖지 않고 파괴되는 성질, 즉 영구변형을 하지 않는 성질을 취성이라고 한다. 대체로 파괴 변형률이 5%미만이면 취성재료로 간주한다.

%EL (percent elongation) = (길이의 변화 / 초기 길이)*100

 

탄력(Resilience): 물질이 에너지를 보관할 수 있는 정도를 나타내는 개념으로 마치 스프링 처럼 높은 항복강도와 낮은 탄성계수를 가지는 재료이다. 

 

 

 Ur = 응력의 항복강도 까지의 적분 (F*S에 해당함)

 

인성(Toughness): 재료를 파괴시킬때 까지 들어가는 에너지를 나타내는 개념으로, Stress Strain curve를 전체 적분한 값이다. 취성물질 일수록 파괴 시킬때 까지 에너지가 적게 들어감으로 인성이 작다.  

 

상항복점, 하항복점: 응력이 증가하다가 하중을 증가시키지 않아도 변형이 갑자기 커지는 지점이 발생하는데 이를 상 항복점이라고한다. 이때, 금속 내부에 슬립으로 인하여 소성유동이 생겨 큰 내부 전위를 일으키면서 하항복점이 발생하는데, 하항복점을 지나면 영구변형은 더욱 증가한다. 일반적으로 말하는 재료의 항복점은 하항복점을 의미한다.

 

 

2.3 인장 실험을 위한 표준

기계적 성질은 관심분야가 서로 다른 여러 전문가들이 모두 중요하게 생각하는 성질이다. 그러므로 시험 방법과 시험 결과에 해석에 대한 일관성이 중요하고 이를 표준으로 정의하는 노력이 행해져 왔다. 대표적으로 미국의 ASTM(American Society of Testing and Materials)기관이 가장 이에 활발하다. ASTM의 표준 연감은 실험에 대한 표준으로 상당히 많은 재료공학자, 기계공학자 들이 따르고 있다.  

 

인장 실험을 위한 표준으로는 ASTM E8 : Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials 가 있다. 

 

 

3. 실험 방법

 

1) 분석하고자 하는 시편을 표준형태로 제작한다. 이번 실험에서는 Fe, Al, Cu 시편을 준비한다. (두께: 1.5mm, 폭: 10mm, 표점거리(gage length): 20mm)의 크기로 판상시편을 제작하여 준비한다. 

 

 

 

 

 

 

2) 인장시험기(UTM)에 시편을 고정시킨다. 시편을 위쪽에 먼저 고정시킨 후 영점을 맞추고, 버튼으로 조종하여 아래쪽도 연결한다. 이때, 시편은 최대한 기계와 맞물리게 최대한 수직이 될 수 있도록 한다.

(기기를 작동시키전에 메뉴얼 모드에 들어가서 영점을 맞춘후 시작한다.) 

(매뉴얼 버튼을 눌러서 주황불은 수동으로, 초록불일때는 컴퓨터로 조작가능)

 

시편이 파단되면 실험을 중지하고 시험편을 제거한다.

 

 

*주의점: 인장시험기는 좌우로 가하는 힘(전단응력)에 약하므로 주의한다.

 

 

3) 산출된 데이터를 분석하여 금속에 대한 Stress-Strain Curve를 얻어내고 재료의 기계적 물성을 결론짓는다.

데이터에서 스트로크란 인장 시험기의 엑추에이터가 움직인 거리를 의미한다. 즉 변화된 길이로 이해될 수 있다.

 

 

4. 결과 및 결론

실험은 금속 종류당 2개의 시편을 준비하여 총 6번의 실험을 진행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다. 

	상항복점(%FS)_하중	파단점_하중	최대점_하중	하항복점_하중
Fe (1)	-.-	4624.69N	6830.31N	-.-
Fe (2)	4600.31N	4175.63N	5846.25N	-.-

	상항복점(%FS)_하중	파단점_하중	최대점_하중	하항복점_하중
Cu (1)	-.-	2063.13N	2987.19N	-.-
Cu (2)	152.813N	2199.06N	3054.38N	-.-

	상항복점(%FS)_하중	파단점_하중	최대점_하중	하항복점_하중
Al (1)	-.-	-.-	1296.25N	-.-
Al (2)	-.-	-.-	1295.94N	-.-

 

실험된 샘플들 중 실험에 대한 오차가 가장 적다고 판단된 Fe(1), Cu(1), Al(1) 데이터를 바탕으로 철과 구리 그리고 알루미늄의 기계적 특성을 분석해 보겠다. 

 

이에 따라 σ(Fe)=4.971.7ε - 490의 관계식을 가짐을 계산해 낼수 있고, 영의 법칙에 따라  σ=E*ε 이므로 철의 탄성계수는 E(Fe)=4971MPa(4.971GPa) 이다. 

이에 따라 σ(Cu)=3527ε - 312의 관계식을 가짐을 계산해 낼수 있고, 영의 법칙에 따라  σ=E*ε 이므로 구리의 탄성계수는 E(Cu)=3527MPa(3.527GPa) 이다.

이에 따라 σ(Al)=1893.4ε - 185.6의 관계식을 가짐을 계산해 낼수 있고, 영의 법칙에 따라  σ=E*ε 이므로 구리의 탄성계수는 E(Cu)=1893.4MPa(1.893GPa) 이다.

 

 

 

 

6.참고문헌

Callister,JR & Rethwisch.(2019).재료과학과 공학 제 9판 (p.223~237).시그마프레스(박인규 외 공역)

ASTM E 8/E 8M- 08 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials