인장시험과 응력-변형률 선도

핵심 정리

인장시험은 시험편을 축 방향으로 잡아당겨 파단될 때까지 변형과 힘을 측정하는 시험이다. 만능 재료 시험기로 하중과 늘어난 길이를 함께 기록하면 한 번의 시험으로 강도와 연성을 확인할 수 있다. 기록한 하중과 변형을 그대로 사용하지 않고 응력과 변형률로 바꾸어 응력-변형률 선도로 나타낸다. 이 선도에는 탄성 구간, 항복, 최대 응력점, 파단이 차례로 나타나므로 재료의 기본 성질을 한눈에 파악할 수 있다. 응력을 처음 단면적으로 나누는지 순간 단면적으로 나누는지에 따라 공칭응력과 진응력이 구분되므로, 선도의 기준을 먼저 확인해야 한다.

강도는 곡선에서 어떤 값을 읽는지에 따라 이름이 달라진다. 인장강도는 인장시험에서 측정한 최대 하중을 원단면적으로 나눈 값이다. 연성 재료의 응력-변형률 선도에서 인장강도는 최대 응력점에 해당한다. 인장강도는 원단면적 기준 파괴 강도와 나머지 값은 아래에서 기준별로 살펴본다.

탄성과 소성은 하중을 제거한 뒤 변형이 남는지에 따라 구분한다. 탄성 한도 이내에서 하중을 제거하면 시편은 원래 모양으로 돌아간다. 외력이 탄성 한도를 넘으면 외력을 제거해도 변형이 남으며, 이 영구 변형을 소성 변형이라고 한다. 비례한도 이하에서는 응력과 변형률이 비례하므로 훅의 법칙이 성립한다. 비례한도 이하에서만 훅의 법칙

연성재료에 정하중이 작용할 때 기준강도는 항복응력이다. 항복점이 뚜렷하지 않은 곡선에서는 0.2% 오프셋법으로 항복 응력을 정한다. 인성은 파단까지 흡수한 에너지이며, 응력-변형률 곡선 아래 면적으로 파악한다. 선도에서 탄성 영역의 삼각형 면적은 탄성 에너지를, 선도 전체 아래 면적은 인성을 나타낸다.

자세히

다른 기계적 시험과의 구분

충격 시험은 흡수 에너지로 재료의 인성과 취성을 파악하는 기계적 시험이다. 굽힘시험은 시험편에 굽힘 하중을 가해 재료의 손상이나 저항성 등을 측정하는 시험이다. 두 시험은 인장시험과 마찬가지로 기계적 시험이지만, 축 방향으로 인장력을 가하지 않으므로 얻는 값이 다르다. 시험 방법이 다르면 같은 재료에서도 측정되는 물성이 달라진다는 점이 이 쟁점의 핵심이다.

침투 탐상 시험은 재료를 파괴하지 않고 표면 결함을 찾는 비파괴 검사이므로 기계적 시험이 아니다. 경도는 압입시험으로 측정하므로 인장시험으로 구하는 물성치가 아니다. 점탄성은 정적 인장시험으로 구할 수 없는 특성이다. 점탄성은 진동하는 힘을 가해 변위를 측정하는 동적 기계 분석으로 연구하며, 이때 응력과 변형률 사이에 위상 지연이 나타난다. 정적 인장시험의 선도에서는 위상 지연을 볼 수 없으므로 점탄성을 인장시험 항목에 포함하면 틀린다.

인장시험이 구하는 값

인장시험은 인장력에 대한 재료의 탄성, 소성, 강도를 측정하는 기계적 시험이다. 시험편을 잡아당겨 강도를 구하는 파괴시험이기도 하다. 한 번의 시험에서 얻는 값은 강도, 변형, 탄성의 세 부류로 나뉘며, 같은 기록으로 여러 값을 함께 구한다. 연신율은 파단 전후의 길이 변화로 구한다. 프아송 비와 단면 수축률도 같은 시험으로 구할 수 있다. 응력-변형률 곡선에서 구하는 가공경화지수 n은 변형경화지수라고도 하며, 이 값 역시 인장시험의 곡선으로 구한다. 시험편의 형상과 치수는 한국산업규격에 따라 정해져 있어 같은 규격의 시편끼리 결과를 비교할 수 있다.

훅의 법칙과 탄성계수

공칭응력-공칭변형률 선도에서 비례한도 내의 응력과 변형률은 선형 관계이며, 그 기울기가 탄성계수이다. 탄성계수는 탄성 구간에서 응력을 변형률로 나눈 값이다. 같은 구간에서 응력과 변형률의 비가 일정하다는 점이 선도에서 훅의 법칙을 확인하는 방법이다. 탄성계수가 작으면 같은 응력에서도 변형이 크게 나타난다.