굽힘 시험이란 무엇입니까?

굽힘 시험은 굴곡 시험 또는 횡 방향 빔 시험이라고도 하며, 단순 빔 하중을 받는 소재의 거동을 측정합니다. 일반적으로 폴리머와 같은 비교적 유연한 소재, 목재 및 복합소재를 대상으로 수행합니다. 가장 기본적인 수준의 굽힘 시험은 만능 재료 시험기에서 수행하며, 2개의 지지 앤빌에 시편을 놓고 1개 또는 2개의 하중 앤빌에 힘을 가하여 구부려서 그 특성을 측정합니다.

Instron 굽힘 시험

 

굽힘 또는 굴곡 시험에서는 중간점에서 한 개의 상부 앤빌로 힘을 가하거나(3점 굽힘 시험), 중심에서 등거리에 있는 두 개의 상부 앤빌로 힘을 가합니다(4점 굽힘 시험). 3점 시험에서는 균일 응력 영역이 매우 작고 중심 하중 지점 아래에 집중되어 있습니다. 4점 시험에서의 균일 응력 영역은 내부 스팬 하중 지점(일반적으로 외부 스팬 길이의 절반) 사이에 존재합니다. 시험대상 소재의 유형에 따라 적절하고 다양한 굴곡시험 치구가 있습니다.

굴곡 시험 치구

굽힘 시험은 왜 수행합니까? 

엔지니어들은 종종 소재 거동의 다양한 측면을 이해하기를 원하지만, 간단한 단축 인장 또는 압축 시험으로는 필요한 모든 정보를 얻지 못할 수 있습니다. 시편이 구부러지거나 굴곡이 생기면 인장, 압축 및 전단력을 포함한 복잡한 조합의 힘을 받습니다. 이러한 이유로 굽힘 시험은 일반적으로 실제 하중 상황에 대한 소재의 반응을 평가하는 데 사용됩니다. 굴곡 시험 데이터는 소재를 지지 구조로 사용하고자 할 때 특히 유용합니다. 예를 들어 플라스틱 의자는 여러 방향으로 지지력이 있어야 합니다. 사용 중 다리가 압축 상태에 있는 동안 좌석은 앉은 사람이 가하는 굴곡력을 견뎌야 합니다. 제조업체는 예상 하중을 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 소재가 구부러지면 원래 모양으로 돌아가는 제품을 제공하기를 원합니다.

시험 수행 및 결과 계산

굽힘 시험은 일반적으로 3점 또는 4점 굽힘 치구를 이용하여 만능 재료 시험기에서 수행합니다. 시험 속도 및 시편의 치수와 같은 변수는 사용하는 ASTM 또는 ISO 표준에 따라 결정됩니다. 시편은 일반적으로 단단하며 플라스틱, 금속, 목재 및 세라믹과 같은 다양한 소재로 만들 수 있습니다. 가장 일반적인 모양은 직사각형 막대와 원통형 시편입니다.

굽힘 시험에서는 시편의 볼록면에 인장응력이 발생하고 오목면에 압축응력이 발생합니다. 이로 인해 중간선을 따라 전단 응력 영역이 생성됩니다. 인장 또는 1차 파손이 압축 응력에서 발생하도록 하려면 스팬 대 깊이 비율, 즉 외부 스팬의 길이를 시편의 높이(깊이)로 나눈 값을 조절하여 전단 응력을 최소화해야 합니다. 대부분의 소재에 대해 S/d=16이 허용되지만, 일부 소재는 전단 응력을 충분히 낮게 유지하기 위해 S/d=32~64로 하는 것이 필요합니다.  

매 하중 증분에 대해 최대 섬유 응력과 최대 변형률을 계산하고, 그 결과를 응력-변형률 다이어그램에 표시합니다. 굴곡 강도는 가장 바깥쪽 섬유의 최대 응력으로 정의됩니다. 이것은 볼록한 면 또는 인장면의 시편 표면에서 계산됩니다. 굴곡 탄성계수는 응력 대 변형률 곡선의 기울기에서 계산됩니다. 곡선에 선형 영역이 없을 때는 곡선에 시컨트(secant) 라인을 설정해서 기울기를 결정합니다. 

굴곡 시험

최대 힘 및 최대 확장과 같은 계산된 값은 로드셀 및 확장 판독값을 기반으로 하는 일반 인장 또는 압축 시험에서와 같이 기록할 수 있습니다. 응력 및 변형률 값은 굴곡 치구 지지 스팬과 하중 스팬(4점 굽힘 시험용)이 결합되므로 다르게 계산됩니다. 시편의 치수를 제대로 기록하는 것만큼 이러한 측정 결과를 기록하는 것도 중요합니다. 이러한 값을 Bluehill Universal에 입력하면, 요청 시 굴곡 탄성계수와 같은 계산이 자동으로 수행됩니다.

Bluehill Universal의 굴곡 시험 치구 입력

대표적인 소재 

폴리머 

폴리머에 대해서는 3점 굽힘 시험을 가장 일반적으로 이용합니다. 시편의 처짐은 일반적으로 크로스헤드의 위치로 측정되며 시험 결과에는 굴곡 강도굴곡 탄성계수이 포함됩니다.

목재 및 복합소재 

목재 및 복합소재에 대한 시험은 4점 굽힘 시험이 가장 일반적입니다. 4점 시험에는 지지 스팬의 중심에서 시편 변형을 정확하게 측정하기 위해 편향계가 필요합니다. 시험 결과에는 굴곡 강도와 굴곡 탄성계수가 포함됩니다. 

취성 소재 

세라믹이나 콘크리트와 같은 취성 소재를 대상으로 3점 굽힘 시험을 수행할 때는 흔히 굴곡 강도를 파괴 계수(MOR)라고 합니다. 이 시험에서는 굴곡 강도 데이터만 제공하며 강성(계수)은 제공하지 않습니다. 취성 소재에 4점 시험을 이용할 수도 있지만, 이러한 경우 지지 앤빌과 적재 앤빌의 정렬이 중요하며, 이러한 소재용 시험 치구에는 일반적으로 자체 정렬식 앤빌이 있습니다.

일반적인 ASTM 및 ISO 굴곡 시험 표준

  • ASTM D790 - 비강화 및 강화 플라스틱 및 전기 절연 소재의 굴곡 특성에 대한 표준 시험 방법
  • ISO 178 - 플라스틱 - 굴곡 특성의 결정
  • ASTM A370 - 강철 보강 바의 인장 시험 및 굽힘 시험