기계공학실험 | 피로 시험

 

 

 

TIP

 

 

1. 피로 시험을 통해 회전 굴곡 피로 시험기(Rotary Bending Fatigue Testing Machine) 의 사용법과 피로(fatigue)에 대해 알아본다.
2. 피로를 일으키는 조건들을 알아보고 해당 조건들이 피로 파괴에 어떤 형향을 미치는지 S-N 선도를 통해 알아본다.

 

 

역사적 배경

재료의 강도를 실험적으로 연구한 최초의 사람은 르네상스시대에 예술과 과학의 넓은영역에서 활약한 레오나르도 다 빈치이다. 그의 원고에는, 한쪽 끝을 고정시킨 철선의 다른쪽 끝에 바구니를 매달고 그 속에 모래를 조금씩 떨어뜨려 하중을 가해 철선의 파단(破斷)강도를 측정하는 인장시험(引張試驗)장치의 스케치가 그려져 있다. 그는 보의 휨강도나 기둥의 압축강도에 관한 실험도 했는데, 이들 재료시험에 관한 귀중한 시도는 그의 원고 속에 묻힌 채 실험으로 끝나 버렸다.

 

그 뒤 재료의 탄성변형(彈性變形)에 관한 훅의 법칙으로 알려진 R. 훅이 1678년 ＜용수철에 대하여＞라는 논문을 발표하였는데 그 내용은 탄성체에 작용하는 힘과 변형의 관계를 설명한 여러 가지 실험결과이다. 그 밖에도 G. 갈릴레이·E. 마리오트·C. 쿨롱 등의 과학자가 재료의 강도나 변형에 관한 실험을 했는데 그것들은 주로 재료역학의 이론을 증명하기 위한 것이었다. 이러한 실험과는 별도로 현실적 요구에 의해 재료시험이 계통적으로 이루어지게 된 것은 산업혁명 무렵부터인데, 1729년에 출판된 P. 뮈셴브루크의 저서에는 그가 설계·제작한 인장시험기·휨시험기·압축시험장치 및 그것들의 시험방법이 기재되어 있다.

 

그가 고안한 시험방법과 그것을 통해 얻어진 재료시험 결과는 당시 많은 여러 기술자들에게 이용되었다고 한다. J. 와트가 증기기관을 발명한 것을 계기로 하여 기계공업이 급속히 성장하였고, 19세기 중엽에는 철의 생산량도 비약적으로 증대하여 증기기관차 및 철도건설과 관련되는 재료시험의 중요성이 높아졌다. W. 페어베언이나 A. 뵐러는 반복하중(反復荷重)에 의한 금속 강도의 저하, 즉 피로현상에 주목하고 직접 제작한 피로시험기를 사용해서 얻은 피로시험 결과를 차축(車軸)이나 철교 설계에 이용하였다.

 

뵐러는 금속재료의 재료시험을 통일적으로 실시하기 위한 체제를 만드는 데에도 기여했으며, 그가 설계·제작한 재료시험기에는 당시로서는 최고급의 것이 많은데, 오늘날에도 뮌헨의 독일박물관에 보존되어 있다.

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실험 방법

1. 시험 과정

1) 가압 핸들을 오른쪽으로 돌려 암 레버에 하중이 걸리지 않도록 하여 놓는다. 이때 축에서 하중이 가해지는 부분까지의 거리 L이 20cm가 될 수 있도록 암 레버 가운데 홈에 위치시킨다.

 

회전 굴곡 피로 시험기

 

2) 시험편을 고정 측 CHUCK에 먼저 끼운 다음 이동 측 CHUCK에 끼우고 CHUCK 고정공구로 시험편을 고정시켜 놓는다.

 

3) 재하 판에 중추(시험 하중)을 올려놓는다.

 

4) 회전계는 0점으로 맞추어 놓는다.

 

5) 전원 스위치를 켜 모터를 작동시킨 후 가압핸들을 왼쪽으로 충분히 돌려 시험편에 하중을 가하여 놓는다. 이때 먼저 가압핸들을 왼쪽으로 돌려 하중이 가해진 상태로 모터를 돌리게 되면 모터의 회전축이 틀어진 상태로 회전을 하게 되어 모터가 망가지게 되므로 반드시 모터를 먼저 작동 시킨 후 핸들을 돌리도록 한다.

 

6) 시험편이 피로 한계에 도달하여 파단 되면 모터는 자동적으로 정지한다.

 

7) 회전수(굴곡 반복 회수)를 회전계에서 읽는다.

※ 선재 회전수 = 회전계에 지시한 수치 × 100

 

 

 

[기계공학실험]피로 시험 레포트