[공학나라] 기계 공학 기술정보

금속 조직 시험의 목적, 기구, 특징  

현미경 조직 검사 :  광학 금속 현미경(고배율)을 이용하여 금속이나 합금의 조성, 금속 조직 관찰 

정량 조직 검사 (결정입자의 크기 및 상(Phase)의 양 측정)

     결정입도시험 : 광학 금속 현미경(저배율), 입도 사진으로 결정 입도의 크기, 모양, 배열 상태 측정

    조직량 측정시험  : 광학 금속 현미경(고배율), 응용S/W로 상의 상대적 양을 정량적으로 측정 

매크로 조직 시험 (편석 및 개재물의 검사)

    매크로 조직 시험  : 광학 금속 현미경(저배율), 플라니미터로 천칭, 조직의 분포 상태, 편적 유무 판정 

    비금속 개재물 시험 : 광학 금속 현미경(저배율)으로 황화물, 산화물, 질화물 등의 비금속 개재물 검사 

    설퍼 프린트 시험  : 화학 약품, 인화지로 재료 내부의 황(S) 분포 형태 관찰 

전자 현미경 조직 검사 (정밀한 조직 관찰 및 성분 분석) : 주사 또는 투과전자 (SEM 및 TEM) 현미경(초고배율)으로 조직 관찰 및 미소 성분 분석 

금속재료의 결정구조

금속원자의 규칙적인 배열을 결정체라 한다. 

결정체는 용융점 이상의 액체금속에서 응고점 아래로 냉각되며 응고 중에 형성되는데 이때 무수히 많은 응고핵이 형성되면서 응고가 진행되므로 결정체의 집합체인 다결정체를 형성한다 (열처리 중에 용체화 처리라고 있다). 

     액체금속 -> 냉각 -> 다수의 응고핵 형성 -> 냉각 -> 응고핵이 결정체로 성장 (결정체의 집합인 다결정체가 됨) 

      다결정체 (polycrystalline) : 결정의 집합체 
     결정입자(crystal grain) 또는 입자(grain) : 결정체를 이루고 있는 작은 결정
     결정입계(crystal grain boundry) 또는 입계(grain boundry) : 결정의 경계 

금속의 결정체 구조는 대부분 아래 3종류로 나누어진다. (체심입방, 면심입상, 조밀육방정)

금속의 물리적 성질 (physical property)

융점 : 녹는 온도

* 실온에서 액체상태인 수은(Hg) ~ 3410 도씨의 텅스텐 (W)

비점 : 증발하는 온도

밀도 : 단위 체적당 질량 (kg/m3)

비중 (specific gravity) : 물의 밀도에 대응하는 물질의 비

* 경금속 : 비중 5이하의 금속

* 마그네슘 (Mg) 1.74 ~ 백금 (Pt) 21.45

열적성질 

열전도율 : 열이 전해지는 비율, 단위 길이에 단위 온도차가 있는 경우 단위 단면적을 통해 단위 시간당 전해지는 열량 ( W / (m k) )

* 열전도율 : 가장 좋은 금속은 은(Ag) > Cu > Au > Al

비열 : 외부에서 에너지가 들어왔을 때 온도의 상승 비율, 단위 질량을 단위 온도 만큼 올리기 위한 열량 ( J / (kg K) )

열팽창율 : 본 블로그의 열팽창계수 참고

전기적 성질

전기 전도율 : 전기가 전해지는 비율, 역수는 비저항 (specific resistance, resistivity, Ωm), 

* 가장 좋은 금속은 은(Ag) > Cu > Au > Al (열전도율과 같음)

피토 튜브 (pitot tube)

베르누이 원리를 적용하여 유체의 속도를 측정하는 장치이다. 18세기 프랑스 피토 아재가 발명했다. 

비행기나 헬리콥터의 속도, 보트의 물의 속도, 풍동에서 공기의 속도를 재는데 많이 사용된다. 상용품으로도 판다.

아래 그림은 에어버스 A380 기종에 설치된 피토 튜브

아래 그림은 kamov Ka-26에 설치된 피토튜브

아래 그림은 보잉 777의 피토 튜브

원리

베르누이의 정리는 간단히 말하면 (높이차가 없다고 가정하면)

정체압 = 정압 + 동압

이고 이를 수식으로 나타내면

 : 유체의 속도

 : 정체압 (stagnation pressure) 혹은 전압 (total pressure)

 : 정압 (static pressure)

 : 유체의 밀도

이를 속도에 대해 풀면

즉 정체압과 정압의 차이를 알면 속도를 구할 수 있다. 

아래 그림은 피토 튜브 그림이고 화살표가 유체의 흐름 방향이다.

정압이란 흐름이 있는 유체의 압력으로 일반적으로 우리가 알고 있는 압력이다. 아래 그림에서 파란색에서 측정된다. 흐름에 영향을 주지 않고 측정하는 것을 알 수 있다.

정체압 혹은 전압은 흐름이 있는 유체를 속도가 0이 되면 측정되는 압력이다. 아래 그림에서 빨간색에서 측정된다. 흐름이 피토관의 중앙으로 들어와 끝이 막혀 있기 때문에 속도가 0이되고 정체압을 측정하게 된다.

마노미터와 결합

위의 수식을 보통 정체압과 정압의 차이를 구해야 속도를 구할 수 있는데 이러한 압력의 차이를 구할 수 있는 것 중 하나가 마노미터 이다. 종종 피토 튜브와 마노미터를 결합하여 유체의 속도를 구할 수 있다. 

아래 그림은 마노미터와 결합된 피토 튜브.

마노미터 (manometer)

압력계의 하나로 액주계라고도 한다. 압력 차이에 의해 밀려 올라간 액체 기둥의 높이 차이를 측정하여 그에 상응하는 압력을 측정하는 장치이다. 

일종의 차압계 (두 압력의 차이를 측정하는 기기)이므로 이를 필요로 하는 pitot tube와 결합해서 이용하기도 한다.

원리

다양한 형태가 있으나 U자형 액주계가 대표적으로 알려져 있다.

U자형으로 구부린 유리관에 수은 등 비중이 큰 액체를 넣고 두 관에 압력 차이가 발생하면 압력이 높은 쪽의 액면은 내려가고 다른 쪽 관의 액면은 올라간 상태에서 멈춘다. 

양쪽 액면의 높이의 차이에 의한 중력 = 두 액면의 압력 차이에 의한 힘

rho x H x A x g = (Pa - Po) x A  

rho : 밀도

H : 높이차

A : 단면적

g : 중력 가속도

Pa : 측정하고자 하는 압력

P0 : 알고 있는 압력

A : 단면적

위 식을 rho x g x A로 나누면 

h는 압력 수두 (pressure head) 로도 알려져 있다. 

위 식에서 알고 있는 압력 P0가 대기압이면 Pa는 게이지압 (gauge pressure) 이 된다.

U 자형 이외에도 경사형 (inclined), 수조형 (reservoir) 등이 있다. 경사형은 결과물인 응답을 증폭시키는 효과가 필요한 경우에 사용한다(높이의 변화는 같지만 기울어져 있으니 길이의 변화는 더 크다).