재료 강도 테스트: 기계적 특성 가이드

I. 재료의 기계적 특성

재료의 기계적 특성은 다양한 형태의 외력 하에서 변형이나 손상에 저항하는 능력을 반영하여 힘의 작용을 받는 재료가 나타내는 일련의 기계적 특성을 말합니다.

1. 힘

강도는 외부 하중 하에서 소성 변형 및 파손에 저항하는 재료의 능력입니다. 엔지니어링에서는 항복 강도와 인장 강도가 일반적으로 사용되며 인장 시험을 통해 측정할 수 있습니다.

• 항복 강도: 금속 재료가 항복할 때의 수율 한계로, MPa 단위로 측정됩니다;
• 인장 강도: 인장 강도: 인장력을 견디는 재료의 능력으로 MPa 단위로 측정합니다;
• 압축 강도: 압축 강도: 재료가 압축력을 견디는 능력으로, MPa 단위로 측정합니다;
• 굽힘 강도: 재료가 굽힘 힘을 견디는 능력으로, MPa 단위로 측정합니다;
• 전단 강도: 재료가 전단력을 견디는 능력으로, MPa 단위로 측정됩니다.

2. 경도

경도는 소성 변형, 긁힘, 마모 또는 절단에 대한 재료의 저항력을 의미하며, 특정 조건에서 영구적인 변형을 일으키지 않는 물체의 압입에 저항하는 재료의 능력입니다.

기계 분야의 다양한 가공 공정은 다양한 재료 특성에 따라 경도가 다른 공구를 선택하여 수행됩니다.

경도에는 로크웰 경도(HR), 쇼어 경도(HS), 비커스 경도(HV), 브리넬 경도(HBW) 등이 있습니다.

3. 가소성

가소성이란 외부의 힘에 의해 파손되지 않고 소성 변형을 겪는 재료의 능력입니다.

엔지니어링에서 사용되는 일반적인 가소성 지표는 연신율과 면적 감소입니다. 연신율은 파단 후 샘플의 원래 길이에 대한 연신율의 백분율로, 기호 A로 표시됩니다.

면적 감소는 파단 후 줄어든 단면적과 원래 단면적의 비율을 Z로 표시하며, 연신율과 면적 감소가 클수록 가소성이 좋고, 반대로 가소성이 떨어집니다.

4. 충격 인성

충격 하중에 견디는 재료의 능력을 충격 인성이라고 하며, 충격 인성은 다음과 같이 표현됩니다._k (단위: J/cm² ) 또는 충격 흡수 에너지 A_k (단위: J).

5. 피로 강도

피로 강도 또는 피로 한계는 금속 재료가 무한한 수의 교번 하중 사이클에서 고장 나지 않는 최대 응력입니다. 실제로 금속 재료에 대해 무한대의 교번 하중 사이클 테스트를 수행하는 것은 불가능합니다.

일반적으로 테스트에서 강철이 10 % 후에 파단되지 않는 최대 응력은 다음과 같이 지정됩니다.⁷ 주기 및 비철 금속 10 이후⁸ 교대 하중의 주기를 피로 강도라고 합니다. 적용된 교번 응력이 대칭 주기 응력인 경우 결과 피로 강도는 S로 표시됩니다.

II. 기계적 및 기술적 특성 테스트

재료 테스트는 외력(인장, 압축, 굽힘, 비틀림, 전단, 굴곡 등)에 따른 엔지니어링 재료 특성의 변화에 대한 정보를 제공합니다. 재료의 강도 특성은 가해지는 하중이 정적(낮은 재료 변형률)인지 동적(높은 재료 변형률)인지에 따라 달라집니다.

1. 테스트

플라스틱 시편은 인장력이 증가하면 응력을 경험합니다. 시편이 늘어나고 인장력이 특정 값까지 증가하면 재료가 파단됩니다(정하중).

재료에 갑작스러운 충격력이 가해져 응력이 발생하면 칼로 자르듯 파단됩니다(동적 하중). 이 테스트의 목적은 재료의 강도, 경도, 가공성, 딥 드로잉 특성뿐만 아니라 굽힘, 단조 및 용접 특성을 파악하는 것입니다.

2. 워크샵 재료 테스트

테스트 데이터를 얻는 것이 목적이 아니라 재료 처리 특성을 이해하기 위한 데이터를 제공하는 것이 목적입니다.

3. 성형성

가장자리에 균열이 생길 때까지 평평한 철근을 가열하고 단조합니다. 단조 후 평철의 폭은 재료가 갈라지지 않고 원래 폭의 1~1.5배까지 늘어나야 합니다.

4. 콜드 포밍

냉간 성형은 다음과 같은 처리 방법을 말합니다. 전단가열하지 않고 재료를 구부리거나 늘리는 작업입니다. 냉간 성형 공정에는 냉간 헤딩, 냉간 압연 및 다이 단조가 포함됩니다.

5. 파일 테스트

파일 테스트 결과 경도가 높은 강철은 파일링이 어렵다는 것을 알 수 있습니다.

6. 딥 드로잉 테스트

클램핑된 강판은 원형 펀치의 작용으로 강판에 균열이 나타날 때까지 압력이 증가하면서 서서히 눌려집니다.

7. 스파크 테스트

강철을 연마할 때 발생하는 스파크 현상을 관찰하면 어떤 종류의 강철인지 확인할 수 있습니다.

8. 탭 테스트

철제 부품(주로 주철)을 자유롭게 매달아 가볍게 두드려 주철(맑은 소리), 회주철(둔탁한 소리), 균열 및 수축 공동이 있는 주물을 구분합니다.

9. 육안 검사

표면 품질을 검사하여 외부 결함(수축 공동, 균열 및 노치)을 식별합니다.

재료 테스트 방법

10. 튜브 팽창 및 플레어링 테스트

튜브를 확장할 때 양쪽 끝에서 찢어짐이 발생하는지 확인합니다. 플레어링 테스트의 경우 튜브 가장자리를 바깥쪽으로 돌려 균열이 나타날 때까지 테스트합니다.

11. 압흔을 비교하여 재료 경도 결정하기

경도가 다른 두 개의 금속판(예: 강철과 알루미늄) 사이에 강철 공을 놓고 벤치 바이스로 함께 고정합니다. 표면 압입 직경이 달라져 두 금속판의 경도를 비교할 수 있습니다.

12. 리바운드 방법으로 경도 결정하기

탄성 변형을 활용합니다. 강철 공을 특정 높이에서 떨어뜨리면 경도가 높은 소재는 반발 높이가 커지고, 부드러운 소재는 반발 높이가 작아집니다.

III. 인장 테스트

인장 테스트에는 표준 테스트 바가 사용됩니다. 하중은 점차적으로 증가합니다. 외력 F의 작용으로 테스트 바의 단면에 인장 응력이 가해지면 시편이 늘어나고 마침내 중간에서 부러집니다. 외부 인장력 F(N), 연신율 Δl(mm).

연신율 Δl = l - l₀

• L - 스트레칭 후 길이(mm);
• l₀ - 원래 길이(mm).

1) 인장력 F가 두 배가 되면 연신율 Δl도 두 배가 되며, 연신율은 하중에 비례합니다. 하중이 제거되면 테스트 막대는 원래 길이 l로 돌아갑니다.₀ . 원자 격자는 응력 하에서 변하지 않습니다(비례 한계 P).

2) 인장력이 증가하면 재료는 처음에 탄성을 유지하고 외력이 제거되면 원래 길이로 돌아갑니다. 이 과정은 탄성 한계 E까지 계속됩니다.

원래 길이에 대한 연신율의 비율을 연신율이라고 합니다: A = (l - l₀ ) : l₀ 또는 A = Δl : l₀ .

인장 응력의 작용으로 인해 재료에 내부 응력이 발생하며, 단위 면적에 작용하는 힘을 응력이라고 합니다.

σ=F/A₀

어디

• F - 가해지는 힘(N);
• A₀ - 원래 단면적(mm² );
• σ - 응력(MPa).

3) 응력이 증가하면 하중이 더 이상 증가하지 않고 재료가 계속 늘어날 때까지 연신율이 크게 증가합니다. 원자 격자가 움직이기 시작하여 항복 한계에 도달합니다. 추가 하중이 가해지면 테스트 바에서 넥킹이 발생합니다.

재료의 연신율이 크게 증가합니다. 이것은 인장 한계라고 하는 하중의 최고 한도이며, 인장 강도 R로 표현됩니다._m 에 작용하는 최대 하중인 1mm² 단면과 같은_m = 800MPa.

4) 계속 로딩하면 재료가 Z 지점에서 파손될 때까지 "흐르게" 됩니다.

5) 엔지니어링 실무에서 공작물 또는 기계 부품의 영구 변형은 허용되지 않으며 탄성 변형 범위 내의 하중은 허용됩니다.

IV. 경도 테스트

1. 브리넬 경도 테스트

외력 F를 가하여 직경 D의 강철 볼을 시험 재료에 압입합니다. 외부 하중을 제거한 후 압흔의 직경 D를 측정합니다. 브리넬 경도는 다음과 같습니다.

HB = 시편에 가해지는 외력 F(N) / 표면적 A ₀ 들여쓰기의 길이(mm ² )

실제 테스트에서는 측정된 압입 직경 d에서 브리넬 경도 값을 직접 읽을 수 있습니다.

2. 비커스 경도 테스트

매우 얇거나 작은 시편에 적합합니다. 시편에서 다이아몬드 피라미드에 의해 생성된 홈의 대각선 길이를 측정합니다. HV로 표시되며, 예를 들어 30HV는 300N의 시험 하중에서 비커스 경도를 나타냅니다.

3. 로크웰 경도 테스트

압자로 강철 볼 또는 다이아몬드 콘을 사용하며, 주요 측정은 침투 깊이입니다. 깨끗하지 않은 표면으로 인한 측정 오류를 상쇄하기 위해 먼저 압자에 100N의 예압을 가한 다음 경도 게이지 포인터를 0으로 설정한 다음 1400N의 추가 힘을 가합니다.

다이아몬드 원뿔을 사용하는 로크웰 경도 C 테스트 방법을 예로 들면, 침투 깊이 e = 0.2mm이면 로크웰 경도 단위 HRC = 0이며, 이 침투 깊이에서 0.002mm 차이가 날 때마다 1도의 로크웰 경도를 나타낸다고 할 수 있습니다.

예를 들어 예를 들어 원뿔이 시편에 0.14mm를 관통하는 경우 0.2mm와의 차이는 0.06mm이므로 로크웰 경도는 0.06mm/0.002mm = 30HRC입니다.

V. 노치 충격 테스트

동적 하중 충격 노치 시편을 사용합니다. 동적 하중 인장 시험과 달리 이 방법은 노치 충격 인성을 측정할 수 있습니다.

노치 충격 테스트는 진자 충격 테스트 기계에서 수행됩니다. 진자 해머가 양쪽 끝 지지대에 놓인 시편의 노치 중앙을 타격합니다. 노치가 파손되면 다이얼 포인터에 진자 높이가 표시됩니다.

노치 충격 인성은 다음과 같습니다.

a_k=A_k/S₀

공식에서

• S ₀ - 골절 단면적(cm)² );
• A _k - 충격 흡수 에너지(J).