[공학나라] 기계 공학 기술정보

순 구리 및 구리 합금계의 성질

비자성체이며, 전기 및 열의 양도체.

전연성, 기계 및 소성 가공성 우수

해수에 내식성 우수 

미량의 살균 작용

구리 합금계의 성질

가공 경화로 경도↑ 

황산, 질산, 염산에 용해

공기중에서 산화피막 형성.

순 구리

비중 : 8.96

용융점 : 1083 ℃

해수에 내식성 우수 

미량의 살균 작용

황동(Cu-Zn 30~40%)

▶ 성질

아연이 증가하면 인장강도 및 경도 증가

가공성, 주조성, 내식성, 기계적 성질, 광택이 우수, 압연과 단조가 가능.

Cu +Zn 30% : 7・3황동( α 고용체)은 연신율 최대, 가공성↑

Cu +Zn 40% : 6・4황동(α+β고용체)은 인장강도 최대, 강도↑

▶ 종류

톰백 (tom bac) : 8～20% Zn 함유, 색상이 황금빛이며, 연성↑. 금대용품, 장식품 (불상,악기, 금박)에 사용

연황동 (lead brass, 쾌삭 황동) : 6・4황동에 Pb 1.5～3.0%를 첨가

주석 황동 : 내식성 및 내해수성 개량 (Zn의 산화, 탈아연 방지)

애드미럴티 황동(admiralty brass): 7・3 황동 + Sn 1%

네이벌 황동(naval brass): 6・4황동 + Sn 1%

델타메탈(delta metal, 철 황동) : 6・4황동에 Fe 1～2% 첨가

강력 황동 : 6・4황동에 Mn, Al, Fe, Ni, Sn

알루미늄 황동 : 7・3황동에 Al첨가 (알부락)

양은 (nikel silver) : 7・3황동에 Ni 15～20% 첨가, 전기 저항선, 스프링 재료, 바이메탈에 사용

청 동(Cu-Sn)

▶ 성질

주조성, 강도, 내마멸성 ↑.

Cu + Sn 4% : 연신율 최대

Cu + Sn 15~17(20)% : 강도, 경도 급격히 증가

▶ 종류

인청동 : Cu + Sn 9%+P 0.35%(탈산제), 스프링제 (경년변화가 없다), 베어링, 밸브 시트등에 사용.

베어링용 청동 : Cu + Sn 13～15%

납 청동 : Cu + Sn 10% + Pb 4～16%

켈밋 (kelmet) : Cu + Pb 30～40%, 고속 고하중용 베어링에 사용

콜슨 합금 (탄소 합금) : Cu + Ni 4%+Si 1%, 인장강도 105Kg/mm2

오일레스 베어링 : Cu + Sn + 흑연분말을 소결시킨 것. 기름 급유가 곤란한 곳의 베어링용으로 사용. 주로 큰하중 및 고속회전부에는 부적당하고, 가전제품, 식품기계, 인쇄기 등에 사용.

베릴륨 청동 (Be-bronze) : Cu+Be 2～3%, 베어링, 고급스프링 등에 이용

▶ 조직 검사

매크로 시험(육안검사)

파단면법

매크로 부식법

설퍼 프린트법: 황에 묽은 산을 혼합해 표면에 묻히고 이것을 인화지에 묻혀서 조직 검사

현미경 조직 시험

시료 채취 → 연마(가공) → 부식 → 세척 → 검사

부식제 : 철강류: 피크린산 알코올 용액, 질산 알콜 용액, 피크린산 가성소다 용액

구리 및 구리합금: 염화 제2철 용액

알루미늄합금: 불화(플루오르화)수소 용액, 수산화나트륨 용액

▶ 재료 시험

인장 시험 (tensile test)

개요

인장 시험기에서 시편을 당겨서 재료의 파단 전까지 하중 대 변위의 선도를 얻을 수 있음.

결과

탄성 계수 (E) : 탄성 구간에서 σ-ε 선도의 기울기, 응력의 변화량 / 변형율의 변화량

항복 강도  : 탄성 구간에서 선도를 x축의 방향으로 0.2% 이동 (옵셋) 시켰을 경우에 원래의 선도와 만나는 점의 강도로 정함.

인장강도 : 재료가 버틸 수 있는 최대 응력,  ( A0 : 시편초기단면적, Fmax : 최대인장하중 max ) 

연신율 : 재료 파단 직전에 늘어난 길이의 % 비율,  (l0 : 시편초기길이, lmax : 시편최대길이)

단면수축률 :  재료 파단직전에 줄어든 단면적의 % 비율  (A0 : 시편초기단면적, Amin : 시편최소단면적)

경도 시험 (hardness test)

압입자 하중에 의한 경도시험

브리넬 경도 (HB) : 고탄소강 강구,  ( : 단순계산한 눌린 부피, P : 누르는하중 )

비커즈 경도 (Hv) : 대면각 136° 다이아몬드형 피라미드 사용, Hv = 1.8544P/d (kg/㎟)

로크웰 경도 (HR)

- B 스케일 : 1/16" 강구, HRB = 130 - 500h ( h : 압입 깊이)

- C 스케일 : 120° 원추, HRC = 100 - 500h (기준 하중은 10 kgf)

반발 높이에 의한 방법

탄성 변형에 대한 저항으로 강도를 표시, 주로 완성품 (별도 시편 필요 없음) 에 적당, 탄성율의 차가 큰 재료는 부적당.

쇼어경도 :  (h0 : 낙하체의 높이, h : 반발하여 올라간 높이)

피로 시험 (fatigue test)

피로 파괴 현상 : 재료의 항복 강도 이하의 힘이 반복 작용하여 재료가 파괴

방법 및 결과 : 반복 하중을 가하여 S (응력) - N (하중 반복 회수) 선도를 얻게 됨.

크리프 시험 (creep test)

크리프 현상 : 일정한 하중 하에서 시간이 지나면 변형이 지속적으로 진행됨.

충격 시험 (impact test)

취성의 정도를 알아보는 시험

방법 : 샤르피 충격 시험 (단순보), 아이조드 충격 시험 (돌출보)

결과 : 충격값 (단위 면적당 에너지, 예를 들어 kg・m/㎠)

▶ 비파괴 검사와 조직 시험

비파괴 검사

완성 제품을 분해나 절단하지 않는 검사. 시간, 재료 절약의 장점.

자분 탐상법 : 자화된 재료에 강자성체의 분말을 뿌리거나 강자성체 분말의 액체 속에 담그면 결함이 있는 곳에 자성체분말이 몰려 결함의 위치를 찾음.

침투 탐상법 : 침투제와 현상제를 이용하여 결함을 검출

예) 형광 검사법 : 표면에 형광 액체를 바르고 암실에서 자외선으로 표면의 결함을 찾음

초음파 탐상법 : 1~25 MHz의 주파수를 재료에 통과 시켜 반사파나 진동으로 결함을 찾음

방사선 탐상법 : X-선, γ-선을 이용하여 결함을 찾아냄 (쉽게 말해 X-레이 찍기)

조직 시험

매크로 검사 (=육안 검사) : 육안이나 10배의 확대경 사용

현미경 조직 검사 : 금속 내부 조직을 알아내는데 가장 편리한 방법

설퍼 프린트 법 : 철강에 존재하는 S의 분포상태를 검사하여 S의 편석을 검사.

뉴턴의 점성 법칙

전단응력은 속도 구배에 비례하며 비례상수는 점성계수이다

 혹은 

τ : 전단 응력 (N/㎡)

F : 전단 힘 (N)

A : 평판의 단면적 (㎡)

u : 평판의 속도 (m/s)

h : 평판사이의 수직거리 (m)

μ : 점성계수 

: 속도 구배 

점성계수

▶ 점성계수의 차원

에서 

*뉴턴의 제2법칙 F=ma 를 이용하면 

▶ 점성계수의 단위

SI 단위계 : 1 N·s/ ㎡

CGS 단위계에서 정의되는 poise : 1 poise = 1 g / cm·s = 0.001 kg / 0.01 m·s = 0.1 kg / m·s = 0.1 N·s / ㎡

※ 뉴턴의 제2법칙을 이용하면 1 N = 1 kg·m / s² → 1 kg = 1 N·s² / m

동점성 계수

점성계수를 밀도로 나누어 구한다

(단위 : ㎡/s)

▶ 동점성 계수의 차원

▶ 동점성계수의 단위

SI 단위계 : ㎡/s

CGS 단위계에서 정의 되는 1 stoke = 1 cm²/s = (0.01)² ㎡/s = 0.0001 ㎡/s

밀도

밀도는 질량을 부피로 나눈 것이다. 즉 단위 체적당 질량이다.

(kg/m³)

예) 물의 밀도 = 1000 kg/m³ 

비중

비중은 어떤 물질의 밀도를 4 ℃ 물의 밀도로 나눈 값이다. 밀도를 밀도로 나눈 값이므로 단위는 없다.

예) 4 ℃ 물의 비중 = 1

비중량

비중량은 무게를 부파로 나눈 것이다. 즉 단위 체적당 무게이다.

(kgf/m³)

밀도에 중력 가속도 g를 곱한 값이다.

예) 물의 비중량 = 1000 kgf/m³ 

체적탄성계수

압력에 대해 부피가 변화율의 역수이다. 유체에 압력이 작용하면 부피가 감소하므로 아래 수식에 -가 있어 결국 K는 +가 된다.

'얼마나 잘 압축되지 않는가'의 정도이며 K가 클수록 압력에 대해 부피변화가 적다. K가 무한대이면 비압축성 유체이다.

(N/m²)

압축률

체적탄성계수 K의 역수이며 '얼마나 잘 압축되는가'의 정도이다.

(m²/N)

음속 (소리의 전파 속도) 

 의 식으로 유도를 하면

액체 속에서 

공기 중에서 

(공기의 비열비 k =1.4, 공기의 기체상수 R = 287 J/kg·K)

표면장력 (surface tension)

액체 표면에서 서로 당기는 힘으로 '단위 길이당 작용하는 힘'이다.

압력차에 의한 힘 : 

표면장력에 의한 힘 : 

위 두 힘의 평형을 적용하면 

(단위 : N/m)

모세관 현상

β =액면의 접촉각

σ =표면장력

D = 관의 직경

γ = 액체의 비중량

올라온 유체의 무게 : 

표면장력에 의한 힘 : 

힘의 평형을 적용하면 물의 상승높이 

파스칼의 원리 (principle of pascal)

▶ 압력 (pressure) : 단위면적당 작용하는 힘 

  (N/m2)

▶ 파스칼의 원리 : 같은 높이에서 밀폐된 용기의 압력은 모두 같음.

▶ 정지유체내의 압력변화

힘의 평형을 적용하면

(y가 증가할수록 p도 증가하므로 아래로 내려갈수록 압력이 증가)

위 식을 적분하면 

y=0 에서 를 가정하면 (수표면에서 대기압)