기계공학실험 | 크리프(Creep)

 

 

 

TIP

 

 

1. 재료의 크리프 현상에 대해 이해하고 실험을 통해 현상을 직접 확인하는 것이다. 크리프에 의한 재료의 파단 실험을 진행한다. 실험 결과 값을 바탕으로 크리프 곡선을 그리고 이론의 크리프 곡선과 비교하여 천이 크리프, 정상 크리프, 가속 크리프 구간을 찾아본다.
2. 크리프 실험을 통해 일정 하중 또는 일정 응력이 존재하는 기기들 내부의 지료의 신뢰성을 확인하는 방법에 대한 지식을 습득한다.
3. 실험에 사용된 시험편인 납의 직경(φ)과 추의 무게를 변화시켜가면서 크리프 실험을 하여 측정값(늘어난 길이와 시간)으로 크리프 실험곡선을 그려 크리프율과 그래프를 통하여 납이 일정하중을 지속적으로 받을때 그 하중과 납의 직경에 따른 특성을 알아보는 것이 이번 실험의 목적이다.

 

 

 

결정질의 고체 재료에 일정하중 또는 일정응력을 가하고 특정온도에서 긴 시간동안 유지하면 시간이 경과함에 따라 변형량(strain)이 증가하게 되는데 이러한 현상을 크리프라 하고 그 결과로 나타나는 파단을 크리프 파단(creep rupture)이라 한다. 크리프현상은 용융점이 낮은 납, 주석, 구리 등은 상온에서도 크리프 현상이 나타나지 만, 철강 및 강력한 경합금 등은 상온에서 크리프 현상이 나타나지 않는다.

 

그러나 최근에 발전된 제트기관, 로켓, 증기터빈, 가스터빈 등에서는 450°C 이상의 고온에서 재료가 사용되는 경우가 많고, 또한 화학 플랜트 등에서도 고온, 고압에서 재료가 사용되는 경우가 많아 크리프현상을 고려하지 않을 경우 크리프파단이 일어날 수 있으므로 크리프현상은 공학상의 중요한 문제이다. 따라서 위와 같은 크리프 현상을 이해하는 것이 이번 실험의 목적이다.

 

 

크리프

크리프(creep)는 소재에 일정한 하중이 가해진 상태에서 시간의 경과에 따라 소재의 변형이 계속되는 현상이다. 금속재료와 열가소성 플라스틱이나 고무 같은 특정 비금속재료들은 어떤 온도에서도 크리프 현상이 생긴다. 특히, 납과 같이 녹는점이 낮은 재료는 실온에서도 현저한 크리프 변형이 발생 된다.

 

오래된 집의 창 유리에서 위쪽보다 아래쪽이 더 두꺼운 것을 볼 수 있는데, 이는 오랜 세월 동안 창유리의 중력에 의한 크리프 변형이 생겼기 때문이다. 금속재료들의 고온 크리프 현상은 일반적으로 결정립계에서의 미끄럼 운동으로 설명된다.

 

즉, 재료가 일정한 온도하에서 일정한 응력의 영향을 받을 때 특정 시간 동안 발생하는 변형을 크리프라고 하며 금속에서 크리프는 일반적으로 고온에서 발생한다. 실온에서의 크리프는 소성 재료에서 더 일반적이며, cold flow 나 deformation under load로 불린다. 크리프 시험에서 얻어진 데이터는 보통 일정한 응력과 온도에서의 크리프 대 시간 그래프로써 표현된다. 곡선의 기울기는 크리프율 이고 곡선의 끝점은 파단 시간이다.

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크리프 한도

크리프 현상에 의해 변형이 일시적으로 증가해도, 일정 한계의 응력 이하에서는 변형이 그 이상 증가하지 않는다. 이와 같은 응력의 최대값을 크리프 한도(creep limit)라고 한다. 즉, 어떤 특정 온도에서 일정 시간 후에 크리프속도(ρ)가 0이 되는 응력을 크리프한도라고 한다.

 

예를 들면 100,000시간에서 1%의 변형을 생기게 하는 응력을 그 온도에서의 크리프 한도라고 한다. 연강에 여러 가지의 인장 응력을 생기게 하고, 변형과 시간 경과의 관계를 크리프 곡선으로 나타낸다. 크리프 한도는 약 300℃ 부근부터 시작하며 700℃ 부근에서 제로로 된다. 고압, 고온의 보일러나 과열기의 재료는 크리프 한도가 중시되며, 그 사용 온도에서의 재료의 강도를 고려해야만 한다.

 

 

크리프속도가 0이므로 더 이상 변형을 하지 않을때의 응력이며 나라마다 여러 가지 방법의 크리프한도의 정의가 있으며 일반적으로 장기간에 걸쳐서 본다. 즉 어떤 시간 후에 크리프가 정지하게 되는 응력 중에서 가장 큰 것을 의미하나 그 결정은 대단히 곤란하므로 현재 편의상 다음과 같이 정의한다.

 

 

LVDT

L.V.D.T.는 Linear Voltage Differential Transformer의 줄인 말로 측정물에 접촉하여 길이, 두께, 직경, 높이등 변위의 측정을 위해 제작된 센서이다. LVDT는 전자기 차폐와 계측 대상의 구조적 형태에 적절히 적용함에 따라 환경 변화에 대한 영향을 적게 받으면서 특성이 우수한 transducer로 사용이 가능하고, 이러한 형태의 transducer는 변위 측정을 기본으로 하고 있어 산업분야, 대학 및 연구실 등에서 대단히 폭넓게 사용되고 있다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 납, Polypropylene으로 제작한 Dog-bone 판재 시편의 길이와 폭, 두께를 버니어 캘리퍼스로 측정 한다.

 

2) 시험기의 하중 걸이 상단부에 고정핀을 위치시켜, 시편 설치부의 팔이 내려오도록 한다.

 

3) 디지털 다이얼 게이지의 영점을 조절 후 시편의 고정부에 핀을 끼워 시편을 시험기에 설치한다.

 

4) 하중 걸이에 실험 조건과 일치하는 무게의 추를 올려놓고 하중 걸이 하단부에 고정 핀을 위치시켜  하중을 가한다.

 

5) 시간에 따른 변형량을 측정, 기록한다.

 

 

 

[기계공학실험]크리프(Creep) 레포트