온도변화가 치수변화에 미치는 영향 (5) - 선팽창계수 검증 실험(Steel, 길이)

[가람과 뫼]

지금부터 길이에 있어서의 금속재료의 온도와 치수 변화관계를 정립하기 위해 선팽창계수 검증시험을 시작하도록 한다.

먼저 이론적으로 가장 적합한 선팽창 계수 검증을 위해 다음과 같이 준비한다.

가. 준비물

      - 측정대상물 : 블록바 또는 라운드 바 (측정실에서 쉽게 구할 수 있는 마이크로메터 셋팅용 바 등이 적정 함)

      - 측정기기 : 마이크로 미터 또는 3차원 측정기

      - 기타 : 온도측정기 (실시간 온도를 그래프로 저장할 수 있으면 더욱 좋다)

나. 검증방법

   1). 온도하강시 측정 

    ① 측정대상물을 오븐이나 온장고 등 가열기를 이용하여 일정온도까지 온도를 올린다.

    ② 측정기기를 셋팅하여 곧바로 측정할 수 있도록 준비해 둔다.

         3차원 측정기를 활용할 경우 자동 반복측정할 수 있도록 미리 프로그램을 작성한다.

         측정은 주위 영향을 최소화 할 수 있도록 온도가 관리되는 측정실 등이 좋다.

    ③ 측정대상물이 적정온도 (가능한 50℃ 이상)에 도달하면 곧 바로 측정실로 가져간다.

    ④ 측정대상물의  온도를 실시간 측정가능토록 온도계를 준비하고 온도를 측정하면서 길이를 측정한다.

        물론 가열전 상온 또는 표준온도(측정실 온도)에서의 길이를 미리 측정해 둔다.

    ⑤ 준비한 시트 (온도/치수 기록지)에 온도와 측정값을 기록한다. 측정온도에 도달시까지 반복 측정하고

         그 결과를 기록한다.

   ※ 측정 데이타 기록지 (샘플 - 참고)

                                                                                                                   측정대상 : Steel, Setting Bar, 200mm

순	온도 (℃)	측정치(mm)	순	온도 (℃)	측정치(mm)	순	온도 (℃)	측정치(mm)
1	55	200.085	11	37	200.039	21	27	200.018
2	52	200.077	12	36	200.037	22	26	200.015
3	49	200.069	13	35	200.035	23	25	200.013
4	46	200.061	14	34	200.033	24	24	200.011
5	45	200.059	15	33	200.030	25	23	200.008
6	43	200.054	16	32	200.027	26	22	200.007
7	41	200.048	17	31	200.025	27	21	200.005
8	40	200.046	18	30	200.023	28	20	200.002
9	39	200.043	19	29	200.022
10	38	200.041	20	28	200.020

    ⑥ 측정 데이터로 엑셀화일로 꺾은선 그래프를 그려 특성을 살펴본다.  

온도	길이
55	200.085
54	200.083
53	200.080
52	200.077
51	200.074
50	200.071
49	200.069
48	200.067
47	200.064
46	200.061
45	200.059
44	200.057
43	200.054
42	200.051
41	200.048
40	200.046
39	200.043
38	200.041
37	200.039
36	200.037
35	200.035
34	200.033
33	200.030
32	200.027
31	200.025
30	200.023
29	200.022
28	200.020
27	200.018
26	200.015
25	200.013
24	200.011
23	200.008
22	200.007
21	200.005
20	200.002

      위의 측정데이타로 부터 선팽창계수를 구해보면

      온도차는 35℃, 길이차는 0.083mm 이므로

    α = 0.083 / (200 X 35) X 100,000 = 1.185 임을 알 수 있다. 

 2). 온도상승시 측정 

    ① 측정대상물을 냉장고를 이용하여 일정온도까지 온도를 내린다.

    ② 측정기기를 셋팅하여 곧바로 측정할 수 있도록 준비해 둔다.

         3차원 측정기를 활용할 경우 자동 반복측정할 수 있도록 미리 프로그램을 작성한다.

         측정은 주위 영향을 최소화 할 수 있도록 온도가 관리되는 측정실 등이 좋다.

    ③ 측정대상물이 적정온도 (가능한 -20℃ 이하)에 도달하면 곧 바로 측정실로 가져간다

    ④ 온도 하강시와 동일한 방법으로 측정을 하여 그래프 확인 및 선팽창 계수를 구한다.

온도	길이
20	200.001
19	199.999
18	199.996
17	199.994
16	199.991
15	199.99
14	199.986
13	199.984
12	199.982
11	199.979
10	199.977
9	199.975
8	199.972
7	199.97
6	199.968
5	199.966
4	199.963
3	199.96
2	199.958
1	199.955
0	199.953
-1	199.95
-2	199.948
-3	199.946
-4	199.943
-5	199.941
-6	199.939
-7	199.937
-8	199.934
-9	199.932
-10	199.93
-11	199.927
-12	199.924
-13	199.922
-14	199.92
-15	199.917

위의 2가지 측정결과로부터 Sreel 환봉은 온도변화(상승 또는 하강)에 따라 일정한 기울기로 길이가 변화되는

것을 알 수 있으며, 또한 선팽창계수는 약 1.18정도 임을 알 수 있다.

다음장에서는 구멍(내경)의 변화특성에 대하여 알아보기로 한다.