[재료 역학] 토크 렌치로 응력을 측정할 수 있을까? 1화

 

정답은 "왠지 가능할 것 같지만 안된다."이다.

또한 이 실험은 역학과 물리를 배우기 이전에 생각해낸 것이니
공학도 분들께는... 죄송하다는 말씀을 먼저 드리고 싶다.

 

 

 

이 실험을 생각하게 된 동기

 

이 주제를 논의한 것은 제 2회 수소에너지 해커톤 때 부터이다.

https://blog-of-tifo.tistory.com/3

제 2회 수소에너지 활용을 위한 임베디드 AI 해커톤 챌린지 캠프

 

우리의 초기 목표는 "수소 취화 감지 및 AI 예측 앱 개발"이었다.

나중에야 수소 취화가 되었을 때 카메라로 크랙을 감지하는 것으로 갔지만,

초기 계획에서는 모든 종류의 금속에서 수소 취화 정도를 확인한 다음에 예측 범위를 산출하는 것이었다.

 

그러니까... 취화가 된 금속이 언제 지연파괴되는지를 아는... 말도 안되는 계획이었다.

 

수소 균열 파괴에 관한 데이터를 수집하는 것이 우리의 계획이었다. 

문제는 이 데이터를 수집할 수 있는 실험을 하는데에는 장비가 없다는 것!

 

취화를 감지하려면 응력을 감지할 장치가 필요한데, 우리에게는 그런 장비가 없었다.

따라서! 아직 재료역학을 배우지도 못했던 내가! 유튜브의 참고영상을 보고 응력을 감지할 실험 방식을 생각했다.

 

시작이 된 동영상은 다음과 같다.

https://www.youtube.com/watch?v=cJD9KUV6KX0&t=17s

 

이 동영상은 와셔에 압력을 가해 파괴되는 시점을 알고 응력을 측정했다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=S3EB1P4oUH8

이 동영상으로는 토크렌치를 사용해 와셔에 압력을 주면서 언제 와셔가 파괴가 되는 지를 측정했다.

 

 

실험 방식

 

당시의 실험 방식 스케치;

 

 

 

준비물: 수소 발생 장치, 수소량 센서, 다양한 크기&두께&재질 종류의 와셔, 볼트, 테스트 강판, 토크 렌치, 수소를 가득채울 상자 (온습도, 기압 센서)

 

테스트 강판:

 

1. 특정 와셔 (크기 8mm, 두께 3mm, 알루미늄 재질이라 가정) 2개를 준비
2. 한 와셔는 특정한 수소량이 가득찬 상자에 특정 시간동안 방치, 한 와셔는 그냥 준비 (수소에 방치된 와셔는 A와셔, 그냥 와셔는 B와셔라 칭함)
3. 테스트 강판에 A와셔와 B와셔를 끼고 볼트로 조임
4. 이때 토크 렌치로 가해지는 토크 측정 (후에 토크를 통해 가해진 압력 계산)
5. A와셔와 B와셔가 파괴되는 지점의 토크량을 기록
6. A와셔가 파괴된 지점의 토크량과 B와셔가 파괴된 지점의 토크량을 비교
7. 이와 같은 실험을 최소 10~14번 실행하여 여러 데이터 값을 수집함
8. 이 방식의 실험을 같은 수소량&다른 두께, 다른 수소량&같은 두께 등등… 여러가지 변수를 주며 데이터 값을 뽑아냄
9. 이 모든 데이터를 AI 모델에 학습시킴
10. 목표: 특정 수소량과 금속 재질, 두께 등등 수치만 입력하면 파괴되는 시점의 압력값을 예측하게함 (여기서 고려되지 않은 변수: 와셔가 압력에 노출된 시간)

주의해야할 점:
→ 수소취화의 특성상 코팅이 되지 않은 금속 재질의 와셔를 이용해야함 (그런게 있나…?)
→ 두께에 따른 파괴시점을 유의미하게 관찰하기 위해서는 어느 정도 적절한 두께가 있는 와셔를 사용해야 함
같은 실험을 여러번 해야하고 수소에 와셔를 최소 24시간 정도는 노출 시켜야 한다고 함

 

📌 이론 상의 공식


노출된 수소량 높아짐 = 취화 정도 높음 = 파괴 압력 낮음
수소에 노출된 시간 높아짐 = 취화 정도 높음 = 파괴 압력 낮음
와셔의 두께의 값이 올라감 = 파괴 압력 높음
(노출된 수소량) X (수소에 노출된 시간) / (와셔의 두께) = 파괴 압력

 

 

 

 

본질적인 오류

 

많은 오류들이 있지만
"토크렌치를 이용해 수소 취화된 와셔의 지연파괴 시점을 알아낸다"
에서의 오류를 나열하겠다.

 

 

첫번째,

재료역학을 공부한 공학도들은 아는 사실이지만

 

토크와 압력은 다르다!

 

토크는 비틀림 모멘트를 말한다. 힘이 아닌 모멘트(moment)이다.

 

τ = r x F 

로 표현되긴 하지만 이리 간단하진 않다.

따라서 토크와 응력을 연결 짓기에는 수많은 공식이 존재한다!

 

다음은 현재 배우고 있는 책의 일부분이다.

딱 봐도 쉽지 않아 보인다.

 

 

두번째,

수소 취화의 정도는 매우 미약하다!

거의 대부분의 논문에서 수소 취화는 현미경으로 관찰된 사진을 근거로 쓰고 있다.

 

압력을 줘서 지연파괴 되는 시점을 알아낸다고 해도,

수소 취화로 인한 지연파괴인지

금속이 기분이 안 좋거덩여 하면서 나타난 지연파괴인지

아니면 기존의 허용인력을 넘어선 지연파괴인지 모른다!

 

차이도 굉장히 미약할 것이다.

 

세번째,

어찌저찌 토크와 압력을 연결지었다고 치자,

그렇다면

 

토크렌치로 원하는 양의 토크를 어떻게 낼 것인가?

수동 토크렌치를 백날천날 돌려봤자, 어느정도 토크를 냈는지 알 수가 없다.

 

 

이에 대한 해답이 디지털 토크렌치였다.

 

참고 사이트:

https://m.blog.naver.com/mktmisumi/221763165357

토크 렌치의 모든 것! (종류, 사용방법, 토크값)

 

 

토크 렌치도 검사 및 측정에 이용하는 경우도 있다 한다.

측정한 토크값을 디지털로 표시해주고 미리 설정한 토크값에 도달하면 '소리와 진동'으로 알린다고 한다.

 

우리는 정밀한 토크값 측정이 필요했다.

왜냐하면 토크량을 각자 다르게 해야했기에... 

그러려면 정밀한 토크값을 측정할 수 있는 기구가 필요했다.

 

그러나 가격대가 쉽지 않았다...

해커톤 예산을 이미 한번 수정했는데 한 번 더 수정하기에는 이미 늦었으며

무엇보다 토크 렌치 하나에 최소 '20만원'을 쓸 수는 없었다.

 

그리고! 이 밖에도 오류가 많았으니,

이 다음 이야기는 다음화에서 풀기로 한다...