인장시험 및 전위현상 (기계기술사, 기술고시, 변리사 기출 해설)

<기계기술사 기출문제>

12. Sigma = K*e^n 에서 K와 n의 의미에 대해서 설명하시오

->

K(강도계수): 진변형률의 크기가 1일 때 진응력 값, 진응력-진변형률에서 곡선의 높이와 관계되며, K 값이 작아야 소성가공에 유리하다.

n(가공경화지수): 진응력-진변형률 로그 선도에서의 기울기로 n 값이 클수록 네킹 발생 전까지 더 많은 변형이 가능하다.

<기계기술사 기출문제>

9. 재료의 인장시험에서 단면감소율(Reduction of Area)을 간단히 설명하고 공식으로 표시하시오.

-> 단면감소율은 시편이 파단 전까지 연성을 나타내는 지표로서 단면적의 감소비로 나타낸다.

단면감소율 =  A_f: 파단점에서의 시편 단면적

<기계기술사 기출문제>

1. 소성변형이 탄성변형과 근본적으로 어떻게 다른지 아는대로 설명하시오

->

탄성변형 - 항복응력 내에서 탄성적으로 변형(선형)

소성변형 - 항복응력 도달 이후 영구적 변형(비선형)

<기계기술사 기출문제>

6. 전위(dislocation) 현상에 대해서 설명하고, 이것이 금속의 강도에 미치는 영향을 설명하시오

->

전위란 슬립이 발생한 영역과 발생하지 않은 영역 사이의 선상 결함이다.

전위를 포함한 슬립면은 완전한 격자로 구성된 면보다 낮은 전단응력으로 슬립이 발생한다.

<기계기술사 기출문제>

11. 상온에서 소성변형시 변형력은 원자간의 인력을 고려한 이론적인 변형력보다 훨씬 작은 힘을 보이고 있다. 그 이유에 대하여 상세하게 설명하라.

->

1. 이론상 단결정의 임계 전단응력은 다음과 같다.

 - Hook's law:

 - 응력곡선함수: 

따라서,

2. 실제 금속의 강도는 이론적 강도에 비해 한 두 자리 정도 작다. 이러한 불일치는 결정금속의 결함에 기인한다.

3. 결정금속의 결함

 1) 점결함

  - 공공, 침입원자, 불순물, 이온쌍공극, 치환이온

 2) 선결함

  - 전위

 3) 면결함

  - 결정립계, 상경계, 적층결함

 4) 체적결함

  - 기공, 개재물, 균열, 다른 상

<2004 변리사 기계공작법 기출문제>

【제 A-1문】 (30점)

  냉간소성가공시 가공경화 현상이 발생한다. 이에 대하여 다음에 답하시오.

  1. 진응력-진변형률 선도를 이용하여 가공경화현상을 설명하시오. [10점]

-> 진응력-진변형률 선도에서 양의 기울기를 갖고 변형이 될수록 재료가 강해지는 것을 나타낸다.

  2. 가공경화현상과 전위와의 관계를 설명하시오. [10점]

-> 전위의 이동은 1) 서로 얽혀 서로를 방해할 수 있고, 2) 결정립계, 불순물 또는 개재물과 같은 장애물에 의해 방해를 받을 수 있다.

이러한 얽힘과 저항을 극복하기 위해 더 큰 전단응력이 필요하게 되어 금속의 강도와 경도의 증가를 초래하는데, 이를 가공경화라 한다.

  3.근사적으로 진응력-진변형률 곡선이 σ=Kεⁿ으로 표현되는 재료가 있다.  이 경우 K와 n값의 의미를 설명하시오. [10점]

->

K(강도계수): 진변형률의 크기가 1일 때 진응력 값, 진응력-진변형률에서 곡선의 높이와 관계되며, K 값이 작아야 소성가공에 유리하다.

n(가공경화지수): 진응력-진변형률 로그 선도에서의 기울기로 n 값이 클수록 네킹 발생 전까지 더 많은 변형이 가능하다.

<2006 변리사 기계공작법 기출문제>

【제 B-2 문】 (20점)

  어떤 재료의 진응력-진변형률(true stress - true strain) 곡선이 아래 식과 같이 주어졌을 때 다음에 답하시오. 단, 풀이과정을 반드시 기술하시오.

 MPa

(1) 이 재료에 대해 네킹(necking)이 시작될 때의 진변형률을 네킹의 정의에 의해      구하시오. (10점)

->

네킹은 재료가 소성가공 중 단면적의 감소속도가 변형경화에 딸ㄴ 강도의 증가속도보다 커질 때 발생한다. 하중-연신율 곡선의 기울기가 '0'일 때, 즉, 극한인장강도에서 발생한다.

주어진 문제로부터

e=0.2일 때 네킹이 시작된다.

(2) 극한인장강도(UTS)를 진응력으로 구하시오. (5점)

->

(3) 극한인장강도(UTS)를 공학적 응력(engineering stress)으로 구하시오. (5점)

->

<2007 변리사 기계공작법 기출문제>

【제 A-1 문】 (30점)

  소재의 최초 길이 L_o, 최초 단면적 A_o인 환봉에 인장력을 가해 길이 L_f 까지 소성변형 시킨다. 인장력의 크기는 초기에 증가하다가 나중에 감소하였다. 환봉은 σ = K ․εⁿ 인 가공경화성 재료이다.

  (1) 가공경화에 대해서 서술하시오. (5점)

-> 가공경화는 가공도 및 변형의 증가에 따라 소성변형에 의해 생긴 전위들이 다른 전위들의 이동에 대한 장애물로 작용하여 강도 및 경도는 상승하고 연성은 저하되는 강화기구이다.

  (2) 인장력이 최대일 때, 인장방향으로의 변형률을 구하시오. (10점)

->

즉 e=n에서 인장력이 최대이다.

  (3) 인장력이 최대일 때, 환봉의 길이를 구하시오. (5점)

->

  (4) 소성변형에 대한 일을 구하시오. (10점)

->진응력-진변형률 곡선 아래 면적은 단위부피당 소성변형 일에 해당한다.

소성가공에서는 체적이 일정한 것으로 볼 수 있으므로 일을 구하기 위해서 부피를 곱하면 다음과 같다.

<2005 행정고시 기술직 기계공작법 기출>

제 2 문. 소성가공공정에서 소재의 기본적인 변형거동은 인장시험을 통한 응력-변형률 선도로 파악할 수 있다. 이에 대하여 다음 물음에 답하시오. (단, 소재의 초기 길이 및 변형 후 길이는 각각 l_0와 l이다.)

1) 공칭변형률(Norminal strain, e)과 진변형률(True strain, epsilon)을 설명하시오. (10점)

->

1) 공칭변형률 

2) 진변형률

2) 공칭변형률과 진변형률의 관계식을 유도하시오. (10점)

->

3) 공칭변형률은 변형량이 작은 탄성변형의 경우에만 진변형률을 대신하여 사용할 수 있고, 변형량이 큰 소성가공공정에서는 사용할 수 없다. 그 이유를 설명하시오. (10점)

-> 변형랴이 큰 소성가공 공정에서는 네킹 부위에서 불균일 신장이 발생하므로 단면적이 초기 단면적과 크게 다르기 때문에 진변형률을 사용해야 한다.