KR101866408B1 - 금속 소재 시험체의 전단시험장치 - Google Patents

금속 소재 시험체의 전단시험장치 Download PDF

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KR101866408B1 KR1020170024144A KR20170024144A KR101866408B1 KR 101866408 B1 KR101866408 B1 KR 101866408B1 KR 1020170024144 A KR1020170024144 A KR 1020170024144A KR 20170024144 A KR20170024144 A KR 20170024144A KR 101866408 B1 KR101866408 B1 KR 101866408B1
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김명성
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전단시험장치의 지그에 장착되는 각도의 변화가 가능하게 하여 순전단(Pure shear) 하중 조건, 인장-전단(Tensile-shear) 하중 조건 및 인장 하중 조건에 따른 시험을 수행할 수 있도록 한 금속 소재의 전단시험용 시험체 및 그 시험체의 전단시험장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금속 소재의 전단시험용 시험체는, 중심부의 양측에 복수의 개방부가 관통되게 형성되어 상기 개방부 사이에 전단력 또는 인장력이 가해지는 변형부가 형성되고, 상기 각각의 개방부에서부터 가장자리까지 연장되면서 절개된 2개의 분리홀을 구비하여, 상기 분리홀을 기준으로 전단시험장치의 제1지그에 결합되는 제1고정부와 전단시험장치의 제2지그에 결합되는 제2고정부로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기한 시험체를 전단시험하기 위한 본 발명에 따른 전단시험장치는, 시험체의 제1고정부가 분리 가능하게 결합되는 제1지그와; 상기 제1지그의 반대편에 배치되며 시험체의 제2고정부가 분리 가능하게 결합되는 제2지그와; 상기 제1지그와 제2지그를 서로 멀어지는 방향으로 당기는 인장변형부여수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 소재 시험체의 전단시험장치{Specimen for Shear Test of Metallic Materials, And Shear Test Apparatus of the Specimen}
본 발명은 금속 소재의 전단 시험 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전단시험장치의 지그에 장착되는 각도의 변화가 가능하게 하여 순전단(Pure shear) 하중 조건, 인장-전단(Tensile-shear) 하중 조건 및 인장 하중 조건에 따른 시험을 수행할 수 있도록 한 금속 소재의 전단시험용 시험체 및 그 시험체의 전단시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 금속소재의 재료 인장 시험은 기계적 거동 및 파손 특성을 분석하기 위해 수행하며 이를 통해 탄성계수, 항복강도, 인장강도 및 연신율을 획득할 수 있다. 많은 산업분야에서는 재료 인장 시험을 수행하고, 이 시험을 통해 획득한 데이터를 기반으로 각종 기계 및 구조물에 대한 설계를 수행하고 있다.
구조물의 국부 파손을 정의하는 가장 손쉬운 방법으로 현재 일축 인장 시험을 통해 얻은 파단 변형률을 사용하고 있다. 하지만, 실질적으로 재료의 파단 변형률은 재료의 응력 삼축비(Stress triaxiality) 및 로드 각(Lode angle)에 따라 상이하게 나타나므로 구조물의 건전성 평가를 위해서는 여러 가지 응력 삼축비 및 로드 각에 따른 파손을 고려한 설계가 반드시 필요하다.
현재까지 여러 하중 특성에 대한 재료단위 시험이 제안되었고 이에 따른 시험 장비가 제안 및 개발되었지만, 하나의 장비로 금속 재료의 여러 가지 응력 삼축비 및 로드 각에 따른 파손을 시험할 수 있는 장비는 개발되지 않은 실정이다.
등록특허 제10-1262893호(2013.05.03. 등록) 등록특허 제10-0415630호(2004.01.06. 등록) 공개특허 제10-2016-0001833호(2016.01.07. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전단시험장치의 지그에 장착되는 각도의 변화가 가능하게 하여 순전단(Pure shear) 하중 조건, 인장-전단(Tensile-shear) 하중 조건 및 인장 하중 조건에 따른 시험을 수행할 수 있도록 한 금속 소재의 전단시험용 시험체 및 그 시험체의 전단시험장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속 소재의 전단시험용 시험체는, 중심부의 양측에 복수의 개방부가 관통되게 형성되어 상기 개방부 사이에 전단력 또는 인장력이 가해지는 변형부가 형성되고, 상기 각각의 개방부에서부터 가장자리까지 연장되면서 절개된 2개의 분리홀을 구비하여, 상기 분리홀을 기준으로 전단시험장치의 제1지그에 결합되는 제1고정부와 전단시험장치의 제2지그에 결합되는 제2고정부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 시험체를 전단시험하기 위한 본 발명에 따른 전단시험장치는, 시험체의 제1고정부가 분리 가능하게 결합되는 제1지그와; 상기 제1지그의 반대편에 배치되며 시험체의 제2고정부가 분리 가능하게 결합되는 제2지그와; 상기 제1지그와 제2지그를 서로 멀어지는 방향으로 당기는 인장변형부여수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 시험체의 각도를 전단시험장치의 제1지그와 제2지그에 각도를 변화시켜 장착할 수 있고, 시험체가 전단시험장치에 장착되는 각도에 따라 시험체의 변형부의 방위(orientation)가 변하여 하중 조건이 달라지게 된다. 따라서 여러가지 하중 조건에서 전단 및/또는 인장력을 가하여 전단시험을 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소재의 전단시험용 시험체를 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전단시험장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전단시험장치의 정면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전단시험장치의 측면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 전단시험장치의 변형례를 나타낸 요부 단면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 전단시험장치에 의한 여러가지 전단시험 예를 나타낸 도면들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전단시험장치의 지그를 나타낸 분해 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 소재의 전단시험용 시험체 및 그 시험체의 전단시험장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소재의 전단시험용 시험체를 나타낸 것으로, 이 실시예의 시험체(10)는 일정한 두께를 갖는 원반 형태로 이루어져 상부와 하부가 각각 전단시험장치의 제1지그(100)(도 2 참조) 및 제2지그(200)(도 2 참조)에 분리 가능하게 결합된다. 상기 시험체(10)의 두께는 시험하고자 하는 소재의 종류와 설계 조건 등에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 시험체(10)는 중심부의 양측에 2개의 개방부(11)가 관통되게 형성되어 상기 개방부(11) 사이에 전단력 또는 인장력이 가해지는 변형부(12)가 형성되고, 상기 각각의 개방부(11)에서부터 가장자리까지 연장되면서 절개된 2개의 분리홀(13)을 구비하여, 상기 분리홀(13)을 기준으로 전단시험장치의 제1지그(100)에 결합되는 제1고정부(14)와 전단시험장치의 제2지그(200)에 결합되는 제2고정부(15)로 이루어진다.
상기 제1고정부(14)와 제2고정부(15)는 각각 반원형의 평판으로 이루어져 서로 대칭 형태를 갖는다. 또한 상기 제1고정부(14)와 제2고정부(15) 각각에는 상기 제1지그 및 제2지그와 각각 결합되는 복수의 결합공(16)이 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 형성된다. 여기서 상기 제1고정부(14)와 제2고정부(15)의 결합공(16)은 원주방향을 따라 10°간격으로 배열되는 것이 바람직하다.
상기 개방부(11)는 시험체(10)의 중심부에 형성된 변형부(12)의 양측에 대략 타원형으로 형성되나, 그 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 또한 이 실시예에서 상기 개방부(11)는 변형부(12)의 중심점에 대해 대칭 형태를 갖는다.
상기 2개의 분리홀(13)은 각각의 개방부(11)의 일측 모서리 부분에서 반경방향으로 일직선으로 연장되어 시험체(10)의 외주연부, 즉 가장자리 부분에서 외측으로 개방된 절개홈 형태를 갖는다. 이와 같이 본 발명의 시험체(10)는 상기 2개의 분리홀(13)을 기준으로 제1고정부(14)와 제2고정부(15)로 분할되되, 제1고정부(14)와 제2고정부(15)는 중심의 변형부(12)에 의해서만 서로 연결되어 제1고정부(14)와 제2고정부(15)에 인장력이 가해지면 상기 변형부(12)에만 하중이 집중된다.
상기 분리홀(13)은 상기 변형부(12)의 중심과 동일선상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 분리홀(13)에 의해 구획되는 제1고정부(14)와 제2고정부(15)가 변형부(12)를 기준으로 서로 대칭된 형태를 갖도록 하여 변형부(12)의 양측에서 균일하게 응력이 발생하도록 하기 위함이다.
이와 같은 구성으로 이루어진 이루어진 시험체(10)는 전단시험장치의 제1지그(100) 및 제2지그(200)에 각도를 달리하여 결합되고, 이에 따라 상기 변형부(12)에 가해지는 하중의 양태를 다양하게 변화시켜 여러 가지 응력 삼축비 및 로드 각에 따른파손 조건식을 구할 수 있다. 이에 대해서는 아래의 전단시험장치에 대한 설명에서 더 상세히 다룰 것이다.
다음으로 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 시험체(10)를 시험하는 전단시험장치 및 이를 이용한 전단시험방법을 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 전단시험장치는 상기 시험체(10)의 제1고정부(14)가 분리 가능하게 결합되는 제1지그(100)와, 상기 제1지그(100)의 반대편에 배치되며 상기 시험체(10)의 제2고정부(15)가 분리 가능하게 결합되는 제2지그(200)와, 상기 제1지그(100)와 제2지그(200)를 서로 멀어지는 방향으로 당기는 인장변형부여수단(미도시)을 포함한다.
상기 제1지그(100) 및 제2지그(200)는 만능시험기(Universal Testing Machine, UTM)에서 하중을 부여할 수 있는 장치, 즉 인장변형부여수단과 연결되어 상기 시험체(10)에 인장력을 가하며, 시험체(10)의 각도를 변화시켜 결합할 수 있도록 구성된다.
이 실시예에서 상기 제1지그(100)는 상기 제1고정부(14)와 결합되는 2개 1조로 된 제1클램핑블록(110)과, 상기 2개의 제1클램핑블록(110)을 상호 연결하는 제1홀더블록(120)과, 상기 제1홀더블록(120)을 인장변형부여수단과 연결하는 제1연결블록(130)을 포함한다.
상기 제2지그(200)는 상기 제2고정부(15)와 결합되는 2개 1조로 된 제2클램핑블록(210)과, 상기 2개의 제2클램핑블록(210)을 상호 연결하는 제2홀더블록(220)과, 상기 제2홀더블록(220)을 인장변형부여수단과 연결하는 제2연결블록(230)을 포함한다.
2개 1조로 된 제1클램핑블록(110)은 제1홀더블록(120)에 폭 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치되어 제1클램핑블록(110) 사이에 시험체(10)의 제1고정부(14)를 배치시킨 상태에서 제1클램핑블록(110)을 제1고정부(14)의 양면에 밀착시켜 고정시킬 수 있다. 또한 2개 1조로 된 제2클램핑블록(210) 역시 제2홀더블록(220)에 폭 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치되어 제2클램핑블록(210) 사이에 시험체(10)의 제2고정부(15)를 배치시킨 상태에서 제2클램핑블록(210)을 제2고정부(15)의 양면에 밀착시켜 고정시킬 수 있다.
상기 제1클램핑블록(110)과 제2클램핑블록(210)이 각각 제1홀더블록(120) 및 제2홀더블록(220)에 대해 슬라이딩 가능하도록 하기 위하여, 상기 제1홀더블록(120)의 하부면과 제2홀더블록(220)의 상부면 각각에 사다리꼴 형태의 가이드홈(125, 225)이 형성되고, 상기 제1클램핑블록(110)의 상부면과 제2클램핑블록(210)의 하부면에 상기 가이드홈(125, 225)과 대응하는 형태로 되어 가이드홈(125, 225) 내측을 따라 이동하는 가이드돌기(115, 215)가 돌출되게 형성될 수 있다.
상기 제1클램핑블록(110) 및 제2클램핑블록(210)에는 상기 제1고정부(14) 및 제2고정부(15)의 결합공(16)과 대응하는 복수의 체결공(111, 211)이 형성되어 있다. 상기 체결공(111, 211)은 상기 결합공(16)들의 간격과 동일한 간격(이 실시예에서 10°간격)으로 배열된다. 따라서, 상기 제1고정부(14) 및 제2고정부(15)에 형성되어 있는 복수의 결합공(16)의 일부와 상기 제1클램핑블록(110) 및 제2클램핑블록(210)의 볼트체결공(111, 211)이 일치된 상태에서 볼트체결공(111, 211) 및 결합공(16)을 통해 볼트(112, 212)가 체결됨으로써 제1고정부(14)와 제2고정부(15)가 각각 제1클램핑블록(110) 및 제2클램핑블록(210)에 고정되게 결합된다.
상기 제1클램핑블록(110)과 제2클램핑블록(210)이 시험체(10)의 제1고정부(14)와 제2고정부(15)를 고정한 상태에서 인장력을 가할 때 볼트(112, 212)에 응력이 집중되어 시험체(10)의 결합공(16)의 테두리가 찢어지는 등의 손상을 방지하고 제1클램핑블록(110)과 제2클램핑블록(210)이 제1고정부(14) 및 제2고정부(15) 간의 결합력을 더욱 증대시킬 수 있도록 하기 위하여, 도 5에 도시한 것과 같이 상기 제1클램핑블록(110)과 제2클램핑블록(210)의 내측면에 상기 제1고정부(14)의 면과 제2고정부(15)의 면에 밀착되는 격자 형태의 요철부(300)를 형성할 수 있다.
상기 제1지그(100) 및 제2지그(200)는 상온 상태에서 시험체(10)를 고정하여 전단시험시험을 수행할 수도 있지만, 극저온 상태에서 온도에 따른 영향을 평가할 수 있도록 하기 위하여 제1지그(100) 및 제2지그(200)는 내부에 액화질소가 주입되는 극저온챔버(미도시) 내부에 설치될 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 전단시험장치를 이용하여 전단시험을 수행하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 6의 (A) 도면은 순전단(Pure shear) 하중 조건으로 전단시험을 수행하는 상태를 나타낸 것으로, 시험체(10)의 변형부(12)가 수평하게 눕혀진 상태가 되도록 시험체(10)의 제1고정부(14)를 제1지그(100)의 제1클램핑블록(110)에 결합하고, 시험체(10)의 제2고정부(15)를 제2지그(200)의 제2클램핑블록(210)에 결합한 다음, 인장변형부여수단으로 제1지그(100) 및 제2지그(200)에 서로 멀어지는 방향(도면 상 상부 방향 및 하부 방향)으로 하중을 가하면 시험체(10)의 변형부(12)에 폭방향으로 전단 하중이 가해지게 되어 순전단(Pure shear) 하중 조건에서 변형률 기반 파손 조건식을 구할 수 있다.
또한 도 6의 (B) 도면은 인장-전단(Tensile-shear) 하중 조건으로 전단시험을 수행하는 상태를 나타낸 것으로, 시험체(10)의 변형부(12)가 대략 45°각도로 비스듬하게 놓여진 눕혀진 상태가 되도록 시험체(10)의 제1고정부(14)를 제1지그(100)의 제1클램핑블록(110)에 결합하고, 시험체(10)의 제2고정부(15)를 제2지그(200)의 제2클램핑블록(210)에 결합한 다음, 인장변형부여수단으로 제1지그(100) 및 제2지그(200)에 각각 상하방향으로 인장 하중을 가하면 시험체(10)의 변형부(12)에 길이 방향 및 폭방향으로 인장 하중 및 전단 하중이 동시에 가해지게 되고, 이 하중 조건에서 변형률 기반 파손 조건식을 구할 수 있다.
도 6의 (C) 도면은 인장(Tensile) 하중 조건으로 전단시험을 수행하는 상태를 나타낸 것으로, 시험체(10)의 변형부(12)가 상하의 연직방향으로 배치되도록 시험체(10)의 제1고정부(14)를 제1지그(100)의 제1클램핑블록(110)에 결합하고, 시험체(10)의 제2고정부(15)를 제2지그(200)의 제2클램핑블록(210)에 결합한 다음, 인장변형부여수단으로 제1지그(100) 및 제2지그(200)에 각각 상하방향으로 인장 하중을 가하면 시험체(10)의 변형부(12)에 길이 방향으로 인장 하중이 가해지게 되고, 이 하중 조건에서 변형률 기반 파손 조건식을 구할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 시험체(10)의 각도를 전단시험장치의 제1지그(100)와 제2지그(200)에 각도를 변화시켜 장착할 수 있고, 시험체(10)가 전단시험장치에 장착되는 각도에 따라 시험체(10)의 변형부(12)의 방위(orientation)가 변하여 하중 조건이 달라지게 된다. 따라서 여러가지 하중 조건에서 전단 및/또는 인장력을 가하여 전단시험을 수행할 수 있게 된다.
다시 말해서, 본 발명은 금속 소재의 시험체(10)가 전술한 것과 같은 특정한 형태를 가짐으로 해서 시험체(10)가 전단시험장치의 지그에 결합되는 각도에 따라 변형부(12)의 방향이 변하여 여러 가지 하중 조건으로 시험을 수행할 수 있게 된다.
한편, 전술한 실시예에서는 상기 제1지그(100)를 구성하는 제1클램핑블록(110)과 제1홀더블록(120)이 분리되게 구성되고, 제2지그(200) 역시 마찬가지로 제2클램핑블록(210)과 제2홀더블록(220)이 분리되게 구성되었다.
그러나, 도 7에 다른 실시예로 도시한 것과 같이 하나의 클램핑블록(110a)은 제1홀더블록(120)의 일측 하부에 일체로 형성되고, 다른 하나의 클램핑블록(110b)은 제1홀더블록(120)과 개별체로 되어 시험체(10)를 고정하기 위한 볼트(112)에 의해 2개의 클램핑블록(110a, 110b)이 서로 결합되게 할 수도 있을 것이다.
제2지그(200) 역시 이와 동일한 구조로 구성될 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10 : 시험체 11 : 개방부
12 : 변형부 13 : 분리홀
14 : 제1고정부 15 : 제2고정부
16 : 결합공 100 : 제1지그
110 : 제1클램핑부 111 : 볼트체결공
112 : 볼트 120 : 제1홀더블록
130 : 제1연결블록 200 : 제2지그
210 : 제2클램핑부 211 : 볼트체결공
212 : 볼트 220 : 제2홀더블록
230 : 제2연결블록 300 : 요철부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 중심부의 양측에 복수의 개방부(11)가 관통되게 형성되어 상기 개방부(11) 사이에 전단력 또는 인장력이 가해지는 변형부(12)가 형성되고, 상기 각각의 개방부(11)에서부터 가장자리까지 연장되면서 절개된 2개의 분리홀(13)을 구비하여, 상기 분리홀(13)을 기준으로 전단시험장치의 제1지그(100)에 결합되는 제1고정부(14)와 전단시험장치의 제2지그(100)에 결합되는 제2고정부(15)로 이루어진 시험체를 전단시험하는 장치로서,
    상기 시험체의 제1고정부(14)가 분리 가능하게 결합되는 제1지그(100)와;
    상기 제1지그(100)의 반대편에 배치되며 시험체의 제2고정부(15)가 분리 가능하게 결합되는 제2지그(200)와;
    상기 제1지그(100)와 제2지그(200)를 서로 멀어지는 방향으로 당기는 인장변형부여수단;
    을 포함하고,
    상기 시험체의 제1고정부(14)와 제2고정부(15)에 복수의 결합공(16)이 원주방향을 따라 간격을 두고 형성되고, 상기 제1지그(100)와 제2지그(200)에 상기 결합공(16)과 대응하는 적어도 1개 이상의 볼트체결공(111, 211)이 형성되어, 상기 결합공(16)의 일부와 상기 볼트체결공(111, 211)이 일치된 상태에서 볼트체결공(111, 211) 및 결합공(16)을 통해 볼트(112, 212)가 체결됨으로써 제1고정부(14)와 제2고정부(15)가 제1지그(100) 및 제2지그(200)에 결합되며,
    상기 제1지그(100)는, 상기 볼트체결공(111, 211)이 형성되어 상기 제1고정부(14)와 결합되는 2개 1조로 된 제1클램핑블록(110)과, 상기 2개의 제1클램핑블록(110)을 상호 연결하는 제1홀더블록(120)과, 상기 제1홀더블록(120)을 인장변형부여수단과 연결하는 제1연결블록(130)을 포함하며,
    상기 제2지그(200)는, 상기 볼트체결공(111, 211)이 형성되어 상기 제2고정부(15)와 결합되는 2개 1조로 된 제2클램핑블록(210)과, 상기 2개의 제2클램핑블록(210)을 상호 연결하는 제2홀더블록(220)과, 상기 제2홀더블록(220)을 인장변형부여수단과 연결하는 제2연결블록(230)을 포함하고,
    상기 제1클램핑블록(110)은 제1홀더블록(120)에 폭 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치되며, 상기 제2클램핑블록(210)은 제2홀더블록(220)에 폭 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 금속 소재 시험체의 전단시험장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1홀더블록(120)과 제2홀더블록(220) 각각에 가이드홈(125, 225)이 폭 방향으로 연장되게 형성되고, 상기 제1클램핑블록(110)과 제2클램핑블록(210)에 상기 가이드홈(125, 225)과 대응하는 형태로 되어 가이드홈(125, 225) 내측을 따라 이동하는 가이드돌기(115, 215)가 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 금속 소재 시험체의 전단시험장치.
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1클램핑블록(110)과 제2클램핑블록(210)의 내측면에 상기 제1고정부(14)의 면과 제2고정부(15)의 면에 밀착되는 격자 형태의 요철부(300)가 형성된 것을 특징으로 하는 금속 소재 시험체의 전단시험장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 제1지그(100) 및 제2지그(200)는 내부에 액화질소가 주입되는 극저온챔버 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 금속 소재 시험체의 전단시험장치.
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