굽힘시험 (Bending Test) Doosung Science

目次 굽힘시험의 목적 2. 굽힘 시험기 3. 굽힘 시험편 4. 굽힘 시험 5. 재료의 굽힘강도

1. 굽힘시험의 목적 굽힘시험은 재료에 굽힘모멘트가 작용하였을때의 변형저항이나 파단강도를 측정하는 것이다. 공업적으로는 재료의 소성가공성이나 용접부의 변형능을 측정하기 위한 굽힘시험(Bending test)과 주철이나 초경합금과 같이 취성재료의 굽힘 파단강도를 측정하는 항절시험(Transverse or flexure test) 등으로 대별할수 있다. 그러나 넓은 뜻의 굽힘시험은 변형정도나 시험목적에 따라다음과 같이 분류할수 있다. 가) 탄성영역에서의 굽힘시험 1) 재료의 탄성계수 측정 2) 복잡한 단면이나 구조물의 이론 계산을 검토 나) 소성영역에서의 굽힘시험 1) KS에 규정된 좁은뜻의 굽힘시험과 같이 재료의 변형능, 연성(ductility)의 검토, 용접부의 양부 검토 2) 소성영역에서의 굽힘이론 연구나 응력-변형관계 연구 다) 굽힘파괴시험 1) KS에 규정된 항절시험과 같이취성재료의 강도 측정 2) 파괴역학 연구 3)선재, 박판 등을 파괴까지 반복 굽힘시험

2. 굽힘시험기 일반적으로 만능시험기에 굽힘시험용 장치를 장착하여 시험하며 그림과 같이 시험편을 지점 A,B에서 지지하고 그 중앙부 또는 A,B에서 각각 등거리의 2점에서 하중을 가한다. 여기서 전자를 3점 굽힘, 후자를 4점굽힘이라 부르며 3점 굽힘방식에서는 하중점에 최대 굽힘 모멘트 (Mbmax=PL/4)가 걸리며 4점 굽힘 방식에서는 하중점 C,D간에 일정한 굽힘 모멘트 (Mbmax=Pm/2)의 상태가 된다. 따라서 3점굽힘에서는 하중점 직하의 뒷표면으로부터 균열이 발생하며 후자는 C,D간의 인장측 표면중에서 가장 취약한 결함으로부터 파괴가 시작된다. 큰 굽힘이 일어나는 경우, 지지점과 시험편간에 마찰력이 크면 굽힘에 따라 길이 방향에 인장력이 생기고 이것은 굽힘을 구속하므로 지지점에는 구름 받침을 놓아 마찰을 경감시켜야 한다. 변위는 시험편의 인장측 표면에 변형게이지를 붙임으로써 측정가능하나, 단순하게는 cross head의 강하량으로 굽힘을 나타내기도 하지만 정확하지는 못하다. 그림4.3굽힘시험의 부하 방식과 굽힘모멘트

3. 굽힘 시험편 KS B 0803에서 규정하는 금속재료에 따른 굽힘시험편. 가) 가호 시험편 : 강판, 평강 및 형강 다) 다호 시험편 : 박강판 나) 나호 시험편 : 봉강 라) 라호 시험편 : 강스프링용 인청동판 및 양은판

마) 마호 시험편 : 단강판 및 주강품 사) 능의다듬질 바) 바호 시험편 : 가단주철품

4. 굽힘시험 탄성상태에서의 최대 인장(압축)응력 σmax , 즉 굽힘응력 σmax =Mbmaxㆍe /Ｉ 여기서 e :중심축으로부터 표면까지의 거리, Ｉ: 관성모멘트, Mbmax:최대굽힘모멘트 3점 굽힘에서 Mbmax=PL/4 이므로 직경d인 환봉의 굽힘응력 : σmax = 8PL / πd3 높이 h, 폭 b인 각주 환봉의 굽힘응력 : σmax = 3PL / 2bh2 4점 굽힘에서 Mbmax=Pm/2 이므로 직경d인 환봉의 굽힘응력 : σmax = 16Pm / πd2 높이 h, 폭 b인 각주 환봉의 굽힘응력 : σmax = 3Pm / bh2 종탄성계수를 E로할때 굽힘δ와 하중P의 관계는 다음식으로 구해진다. 3점 굽힘의 경우 δ = PL3 /48ＩE 따라서 E = PL3 / 48Ｉ δ 환봉은 E = 4PL3 /3 πd4 δ 각주는 E = PL3 /4WH3 δ 단면형상에 따른 관성 모멘트

참고: 단면이차모멘트(횡중심축에 대한 관성모멘트)

4.1 굽힘시험(Bending test) 1) 눌러 굽히는 방법 눌러굽히는 방법과 감아굽히는 방법은 모두 KS에 의하며 눌러 굽히는 시험법은 그림1과 같이 반경 r 이 10mm이상인 원통받침으로 받쳐 L=2r+3t로써 굽힘 각도가 대략 170°가 될때까지 굽힌후 시험편 표면의 터짐이나 그외의 결함 유무를 검사한다. 굽힘각도를 180 ° 로 할때에는 170 ° 로 굽힌후그림1과 같이 2r의 두께를 갖는 삽입물을 써서 시험편의 양단면을 누르거나 또는 (a)에서 받침거리가 L=2r + 2t인 받침대 사이를 빠져 나갈때까지 누른다. 밀착할때는 우선 170까지 굽힌후 (c)의 방법에 의한다. 그림1 2) 감아 굽히는 방법 감아굽히는 방법은 그림2과 같이 시험편의 중앙부가 규정의 모양이 되도록 시험편을 환봉 또는 틀에 맞게 시험편의 한쪽을 눌러 고정하고 다른쪽에서 서서히 하중을 가해 규정의 굽힘 각도까지 감아 굽힌다 또한 굽힘 각도가 180 ° 이며 r이 작을때나 밀착시킬경우에는 위에서 처럼 감아 굽힌후 그림1의 (b) 또는 (c)의 방법에 의한다. 그림2

4.2 항절시험 (flexure test) 3) V 블록법 그림3 4.2 항절시험 (flexure test) 시험편은 주조한 그대로 사용함을 원칙으로 하며 이에 관한 규정은 표1와 같다. 2점 자유 지지에서 중앙에 하중을 걸어 시험편이 파괴 할때까지 최대하중과 굽힘을 측정한다. 표1 금속재료 항절시험편 (KS B 0808)

5. 재료의 굽힘강도 주철과 같은 취성 재료는 굽힘에 의한 최대 인장응력이 단순 인장시험으로 구한 인장 강도 σB 에 달할때 파괴 한다고 설계계산을 해도 좋으나 항절시험을 해보면 굽힘강도 σbB 는 다음과 같이 보정할 필요가 있음을 알수 있다. σbB = σB *K*(√e/Z) 여기서 e는단면 중심과 최대 굽힘응력이 생기는 위치와의 거리, Z는 중심축에서 인장측 단면의 중심 위치 까지의 거리,k는 장방형 단면 및 원형 단면일때 1.2를 취하며 주조 상태일때는 거의 1 이 되는 계수이다. 가단 주철이나 구상흑연주철과 같이 연성이 큰 재료에서는 구조용강 등과 같은 항복이 개시 할때의 하중, 또는 균열이 생길때의 하중을 고려할 필요가 있다. 취성재료에서는 굽힘 모멘트가 Mi에 달할때 균열이 생기고 이상태가 굽힘강도를 나타내는것에 대해 연성재료에서는 Mf=1.5Mi까지 견딘다. 가공경화성 연성재료는 굽힘 변형의 증가에 따라 경화해도 취화되므로 균열이 생길때를 굽힘강도로 한다. 스프링되돌림곡률(스프링백): 소성(塑性) 재료의 굽힘 가공에서 재료를 굽힌 다음 압력을 제거하면 원상으로 회복되려는 탄력 작용으로 굽힘량이 감소되는 현상을 말한다. 그림4. 굽힘모멘트와 곡률의 관계(탄성완전소성재료)