실험 개요
인장시험은 금속·고분자 재료의 가장 기본적인 기계적 특성 평가법이다. 표준 시편을 만능시험기에 물려 일정 변형률로 인장하면서 하중–변위 곡선을 얻고, 단면적과 표점거리로 응력·변형률로 환산해 재료 특성값을 추출한다. 학부 재료역학실험에서는 보통 알루미늄·연강·황동 시편을 비교하며, ASTM E8 또는 KS B 0801 표준을 따른다. 예비보고서에서는 공학응력과 진응력의 차이, 항복점 결정 방법(0.2% offset), 그리고 파단 양상으로 본 재료 분류를 다룬다.
이론 배경
응력과 변형률
공학응력 σ = F/A₀ (초기 단면적), 공학변형률 ε = ΔL/L₀ (초기 표점거리). 진응력 σT = F/A, 진변형률 εT = ln(L/L₀). 소성 영역에서 단면이 줄어들기 때문에 진응력이 공학응력보다 크다.
응력–변형률 곡선의 영역
(1) 비례 한도까지 직선(Hooke 법칙, 기울기 = 탄성계수 E). (2) 항복점 이후 소성변형 시작. (3) 인장강도 σUTS에서 최대하중. (4) 네킹 후 단면 감소로 공학응력은 감소하지만 진응력은 계속 증가. (5) 파단.
항복강도 결정
명확한 항복점이 없는 재료(알루미늄, 구리)에서는 0.2% offset 방법: ε = 0.002에서 탄성 직선과 평행한 선을 그어 곡선과 만나는 점의 응력. 연강은 상부·하부 항복점이 명확히 보인다.
표·표준값
주요 금속의 인장 특성 표준값
상온, 정적 인장. 합금·열처리에 따라 큰 편차 가능. 학부 측정값 검증용 기준.
| 재료 | 탄성계수 E (GPa) | 항복강도 σy (MPa) | 인장강도 σUTS (MPa) | 연신율 (%) |
|---|---|---|---|---|
| 연강 (SS400) | 200 | 245 | 400 | 23 |
| 고탄소강 (S45C) | 205 | 343 | 569 | 16 |
| 스테인리스 (304) | 193 | 215 | 505 | 40 |
| 알루미늄 (1100-O) | 69 | 35 | 90 | 35 |
| 알루미늄 (6061-T6) | 69 | 276 | 310 | 12 |
| 황동 (C26000) | 110 | 175 | 365 | 50 |
| 순구리 (C11000) | 117 | 70 | 220 | 45 |
| 티타늄 (Grade 2) | 105 | 275 | 345 | 20 |
ASTM E8 vs KS B 0801 표준 시편 치수 비교
환봉형 표준 시편. 두 표준 모두 L₀ = 4d₀ 또는 5d₀를 권장.
| 항목 | ASTM E8 (subsize) | KS B 0801 (4호) |
|---|---|---|
| 표점 직경 d₀ | 6.25 mm | 14 mm |
| 표점 거리 L₀ | 25 mm (4d₀) | 50 mm |
| 축경부 길이 | 32 mm 이상 | 60 mm 이상 |
| L₀/d₀ 비 | 4.0 | 3.6 |
| 변형속도 | 0.015/min (15%/min) | 0.5%/min ~ 5%/min |
항복강도 결정 방법별 비교
| 방법 | 적용 재료 | 기준 | 특징 |
|---|---|---|---|
| 상부·하부 항복점 | 연강·저탄소강 | 곡선의 첫 정점 / 안정 영역 | 명확한 항복점 있을 때만 사용 |
| 0.2% offset | 알루미늄·구리·스테인리스 | ε = 0.002에서 평행선과 만나는 점 | 산업 표준, 가장 일반적 |
| 0.5% extension under load | 특수 합금 | ε = 0.005에서의 응력 | ASTM 일부 합금 규격 |
| proportional limit | — | 직선성이 깨지는 첫 점 | 정의 모호, 거의 안 씀 |
실험 장치 및 시약
- — 만능재료시험기(UTM)
- — 표준 인장시편(원형 또는 평판형)
- — 신율계(extensometer) 또는 디지털 영상 변형 측정
- — 버니어 캘리퍼(시편 치수 측정)
실험 절차
- 1.시편의 원래 직경 d₀와 표점거리 L₀를 측정한다 (3회 평균).
- 2.시편을 그립에 정확히 정렬해 물리고, 신율계를 부착한다.
- 3.변형속도(보통 1 mm/min)를 설정해 시험을 시작한다.
- 4.하중–변위 데이터를 자동 기록한다.
- 5.파단 후 두 조각을 맞춰 최종 표점거리 Lf와 단면 df를 측정한다.
- 6.동일 절차로 다른 재료 시편을 시험해 비교한다.
데이터 처리
F를 σ로, ΔL을 ε로 환산해 σ–ε 곡선을 그린다. 직선 영역의 기울기에서 E, 0.2% offset에서 σy, 최대점에서 σUTS를 읽는다. 연신율 (Lf – L₀)/L₀ × 100%, 단면수축률 (A₀ – Af)/A₀ × 100%를 보고한다.
Worked Example
측정 예시 — 연강(SS400) 환봉 시편, d₀ = 6.00 mm ⇒ A₀ = π(3.0)² = 28.27 mm². L₀ = 30.00 mm. 시험기에서 항복하중 7.0 kN, 최대하중 11.4 kN. 파단 후 측정 Lf = 36.9 mm, df = 4.20 mm. 산출: σy = 7000/28.27 = 248 MPa, σUTS = 11400/28.27 = 403 MPa. 연신율 = (36.9 − 30.0)/30.0 × 100 = 23.0%. 단면수축률 = (28.27 − 13.85)/28.27 × 100 = 51%. 표 비교: 연강 표준값 σy ≈ 245, σUTS ≈ 400, 연신율 ≈ 23 — 측정값이 표준값과 1% 이내 일치. 인장강도/항복강도 비 1.62는 변형 경화 능력이 양호함을 의미.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
공학응력 vs 진응력 차이를 명확히 적고, 항복강도 결정 방법(상하부 항복점 vs 0.2% offset)을 재료별로 구분한다.
예상 결과
각 재료의 문헌값(예: 연강 σy ≈ 250 MPa, σUTS ≈ 400 MPa)을 미리 적어 측정값과 비교할 기준을 둔다.
자주 하는 실수
- — 시편을 그립에 비틀어 물려서 굽힘 응력이 추가되는 것
- — 신율계를 파단 직전까지 부착해두어 손상시키는 것
- — 공학응력 곡선의 최대점을 항복점으로 오인하는 것
- — 단면수축률 계산 시 df 대신 d₀를 사용하는 것
자주 묻는 질문
Q. 왜 공학응력 곡선은 인장강도 이후 감소하나요?
네킹 이후 시편의 실제 단면적이 빠르게 감소하지만 공학응력은 초기 단면 A₀로 나누기 때문에 분모가 고정되어 있습니다. 분자(하중)는 감소하므로 곡선이 내려갑니다. 진응력 σT = F/A로 보면 파단 직전까지 단조 증가합니다.
Q. 0.2% offset이 왜 0.2%인가요?
재료가 0.2% 잔류 변형이 생기는 시점을 실용적인 항복 기준으로 정한 산업 관행입니다. 이보다 작으면(예: 0.05%) 측정 잡음과 구분이 어렵고, 더 크면(예: 1%) 너무 늦어 설계에 부적합합니다. 항공우주처럼 더 엄격한 분야에서는 0.1% 또는 0.05%를 쓰기도 합니다.
Q. 왜 시편이 가운데에서 끊어지나요?
표준 시편은 표점 거리(gauge length)에서 단면이 가장 작도록 설계됩니다(축경부). 따라서 응력 집중이 그 영역에 형성되고, 항복 후 네킹도 그곳에서 시작됩니다. 그립 근처에서 끊어지면 그립 응력 집중에 의한 비정상 파단으로 시험 무효 처리됩니다.
Q. 네킹은 왜 일어나나요?
변형 경화율(dσ/dε)이 응력 σ보다 작아지면 작은 단면적 감소가 가속되는 불안정성이 시작됩니다. Considère 조건 dσ/dε = σ에서 네킹 개시. 이후 단면이 빠르게 줄어 공학응력은 감소하지만 진응력은 계속 증가합니다.
Q. 변형속도가 결과에 영향을 주나요?
네, 큽니다. 빠른 속도는 항복강도와 인장강도를 모두 높이고, 연신율을 줄입니다(점탄성·관성 효과). ASTM E8은 변형속도를 표점거리/분 단위로 규정하며, 학부 실험은 보통 1 mm/min(약 0.0006/s)에서 측정합니다. 자동차 충돌 해석은 ~10²/s, 폭발 해석은 ~10⁴/s 영역입니다.
Q. 공칭 응력과 진응력 중 무엇을 보고서에 적나요?
둘 다 적는 것이 표준입니다. 항복강도·인장강도는 공학응력 곡선에서 읽고, 변형 경화 거동을 분석할 때는 진응력–진변형률 곡선을 사용합니다. 변환식: σT = σ × (1 + ε), εT = ln(1 + ε)는 균일 변형 영역에서만 유효하고 네킹 이후에는 단면 측정이 필요합니다.
Q. 취성 재료와 연성 재료를 어떻게 구분하나요?
연신율로 판단합니다. 일반적으로 연신율 5% 이상을 연성, 미만을 취성으로 분류. 연성 재료(연강, 알루미늄)는 항복점 이후 큰 소성변형과 네킹을 보이고, 취성 재료(주철, 세라믹)는 항복 직후 또는 항복 없이 파단합니다. 파단면도 연성은 컵–콘(cup–cone), 취성은 평면 파단.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Callister, W.D., Rethwisch, D.G. — Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley, 2018
- [2]Hibbeler, R.C. — Mechanics of Materials, 10th ed., Pearson, 2017
- [3]ASTM E8/E8M-22 — Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials
- [4]KS B 0801:2007 — 금속재료 인장시험편