Fig. 1. Universal testing machine.
굽힘강도 (bending strength, flexural strength, modulus of rupture)는 파괴인성과 함께 세라 믹스의 가장 기본적인 기계적 특성이다. 상하면이 평행하고 3 X 4 X 36 mm 의 치수를 갖는 잘 연마된 시험편에 Fig. 1과 같은 만능시험기를 사용하여 위로부터 하중을 걸면, 시험편의 위쪽 에 압축응력(compressive stress), 아래쪽에는 인장응력(tensile stress)이 최대로 된다. 세라믹스의 경우는 압축강도에 비해 인장강도가 작기 때문에 시험편의 아래족에서 균열이 시작되어 파괴된 다. 구조재료를 압축부재로 사용하는 경우에는 압축시험만 행하면 되나, 기계부품으로 사용하는 경우에는 인장응력을 가하는 실험이 필요하다. 이와 같은 관점에서 볼 때, 부분적으로 인장응력이 가해지는 하중 조건에서의 강도시험으로서, 굽힘강도 시험은 중요한 위치를 차지한다. 굽힘강도 측정은 비교적 간단히 행할 수 있고, 얻어진 데이터는 통계처리에 의해 실용 기계부품의 강도 예 측에도 이용할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
Fig. 1. Universal testing machine.
세라믹스의 굽힘 강도 측정은 3 X 4 X 36 mm 시편에 대하여 Fig. 2와 같이 행해진다. 3점 -굽힘 강도의 경우에 지지대 사이의 간격(span)은 30 ± 0.5 mm로 하며, 4점-굽힘 시험의 경우 에는 내부 간격(inner span)은 10 ± 0.5 mm, 외부 간격(outer span)은 30 ± 0.5 mm로 한다. 세라믹스의 굽힘 강도 측정방법은 KSL 1591에 규정되어 있다.1
강도의 계산은 아래 식에 의해 행해진다.
3점 굽힘의 경우여기에서(1)
4점 굽힘의 경우
- P : 시험편이 파괴되었을 때의 최대 하중
- L : 외부간격
- l : 내부간격
- w : 시험편의 폭
- t : 시험편의 두께
Fig. 2. Three- and four-points bending and moment diagram.
3. 실험기구 및 장치
(1) 만능 시험기
시험기는, 크로스 헤드의 이동 속도를 일정하게 유지할 수 있는 적당한 재료 시험기를 사용 한다. 이 경우, 재료 시험기의 하중 지시의 정밀도는 참 하중의 ±1%까지 측정이 가능한 것으로 한다.(2) 지지구
하중점의 지지구는 탄성률 1.5×104㎏f/㎟ 이상을 갖고 시험 중 소성 변형 및 파괴하지 않는 재질의 것으로 그 끝부분의 곡률 반지름은 0.5-3.0 mm 정도로 한다.(3) 마이크로 미터
마이크로 미터는 KS B 5202 (외측 마이크로 미터)에 규정하는 외측 마이크로 미터 또는 이 와 동등 이상의 정밀도를 갖는 것을 사용한다.(4) 버어니어 캘리퍼스
버어니어 캘리퍼스는 KS B 5203 (버어니어 캘리퍼스)에 규정하는 최소 눈금 길이 0.05㎜ 또 는 이와 동등 이상의 정밀도를 갖는 것을 사용한다.
4. 시험편 준비
- 시험편의 모양 및 치수
시험편의 모양은 단면이 직사각형의 기둥으로 하고 그 치수는 3 X 4 X 36 mm 정도로 한다.
- 시험편 모서리의 둥글기 또는 모떼기
시험편은 모서리를 반경 0.1-0.3 mm 정도로 둥글게 한다
- 시험편 상하면의 거칠기
시험편의 상하면의 거칠기는 800번 정도로 연마한 KS B 0161(표면 거칠기)에 규정하는 0.8S 이하로 한다.
- 시험편의 수
시험편의 수는 10개 이상으로 하는 것이 바람직하다.
5. 실험 방법
- 시험편의 너비 및 두께 측정
시험편의 너비 및 두께는 마이크로미터를 사용하여 측정한다.
- 내부 및 외부간격
내부간격 및 외부간격은 버어니어 캘리퍼스를 사용하여 측정한다.
- 굽힘 강도의 계산
3점 및 4점 굽힘 강도는 각각의 시험편에 대해 (1) 및 (2) 식을 사용하여 계산한다.
- 표준 편차의 계산
표준 편차는 다음 식에 의해 계산한다.
여기에서S : 표준편차
n : 측정수
x : 시험편 개개의 측정강도
참고 문헌
1. "굽힘 강도 측정," KS L1591, 1995.
1997년 9월 20일 김영욱
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