ASTM D638: 플라스틱의 인장 시험에 대한 최종 가이드

ASTM D638에 따라 플라스틱에 인장 강도 시험을 수행하는 방법

저자: Erica Lawrence

ASTM D638은 강화 및 비강화 플라스틱의 인장 특성을 측정하기 위한 가장 일반적인 시험 표준입니다. 플라스틱의 사용이 항상 많기 때문에 제조업체는 재료의 기계적 강도를 적절하게 측정할 수 있어야 합니다. 이 가이드는 필요한 장비, 소프트웨어 및 샘플에 대한 개요를 포함하여 ASTM D638 플라스틱 인장 시험의 기본 요소를 소개하기 위해 마련되었습니다. 그러나 ASTM D638 시험을 수행하려는 사용자는 이 가이드를 읽었다고 해서 전체 표준은 읽지 않아도 되는 것으로 간주해서는 안 됩니다.

무엇을 측정하나요?

ASTM D638은 샘플(시편)에 인장력을 가하고 응력을 받는 시편 재료의 다양한 특성을 측정함으로써 수행됩니다. 이는 만능 재료 시험기에서 인장률 1~500mm/분 범위에서 시편이 파괴(항복 또는 파단)될 때까지 수행됩니다. ASTM D638은 각기 다른 여러 가지 인장 특성을 측정하지만 가장 일반적인 항목은 다음과 같습니다.

  • 인장 강도 –재료가 항복하거나(회복 불가능하게 늘어나거나) 또는 파단될 때까지 재료에 가해질 수 있는 힘의 양입니다.
  • 인장 탄성계수 –재료가 항복하기 전에 응력에 반응하여 변형될(늘어날) 수 있는 정도를 의미합니다. 탄성계수는 재료의 강성을 측정한 값입니다.
  • 연신율 –파단 후 증가된 게이지 길이를 원래 게이지 길이로 나눈 값입니다. 연신율이 클수록 연성이 높아집니다.
  • 푸아송비 - 재료가 늘어나는 정도와 스트레칭 과정에서 얼마나 얇아지는지 사이의 관계를 측정한 값입니다.

ASTM D638 플라스틱의 인장 특성

ASTM D638이 고객에게 적합한 표준입니까?

다양한 유형의 플라스틱에 대해 적용할 수 있는 여러 가지 시험 방법이 있습니다. ASTM D638은 두께가 1.00mm~14mm인 경질 플라스틱 샘플에만 적용됩니다. 샘플 두께가 1.00mm 미만인 시트 또는 필름인 경우, ASTM D882에 따라 시험해야 합니다. ASTM D638은 ISO 527-2과 유사한 결과를 제공하지만, 시편 크기 및 시험 요구사항의 차이로 인해 이 둘은 기술적으로 동등한 것으로 간주하지 않습니다. 일부 대규모 다국적 제조기업은 ASTM D638 및 ISO 527-2 양쪽을 이용하여 시험하지만, 대부분의 고객은 지리적 위치에 따라 하나의 표준을 선호합니다. 북미 제조업체는 일반적으로 ASTM D638을 이용하여 시험하고 유럽 및 아시아 제조업체는 주로 ISO 527-2를 이용합니다. 중국의 고객은 ASTM D638 및 ISO 527-2를 동일하게 시험하고 있습니다. 이러한 모든 시험 방법은 Bluehill® Universal의 애플리케이션 모듈에서 볼 수 있으며, 여기에는 가장 흔하게 쓰이는 ASTM 및 ISO 표준을 위해 미리 설정해 놓은 방법 템플릿이 포함되어 있습니다.


재료 시험기

대부분의 ASTM D638 시험은 Instron의 6800 시리즈와 같은 탁상용 만능 재료 시험기에서 수행됩니다. 5kN 또는 10kN(1125lbf 또는 2250lbf) 시스템이 가장 일반적이지만, 강화 플라스틱 및 복합재료의 강도가 증가함에 따라, 30kN 또는 50kN 시스템과 같이 더 큰 용량의 장치가 필요할 수도 있습니다.


ASTM D638 시험 설정

1. Instron 6800

2. Bluehill Universal 대시보드(2490-696) 

3. 2580 시리즈 로드셀

4. 5kN 공압식 사이드 액션 그립(2712-045)

 

 

그립

시편을 인장 시험기 내부에 단단히 유지하는 것이 중요합니다. 톱니 모양 조 페이스 가 있는 공압 사이드 액션 그립 은 종종 경질 플라스틱을 고정하는 데 가장 좋은 그립입니다. 공압 그립의 경우, 파지력은 공기 압력에 의해 유지되며, 이는 시험 중에 시편 두께가 상당히 변하더라도 일정하게 유지됩니다. 일반적으로 경질 재료에서만 발견되는 10kN 이상의 힘의 경우, 수동 웨지 액션 그립이 선호됩니다.

10kN 모델 | 2712-046
2616-010
5kN 모델 | 2716-010

시편 유형

ASTM D638에는 시편의 두께와 사용 가능한 재료의 양에 따라 크기가 다른 5가지 허용 가능한 시편 유형이 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 것은 3.2mm 두께의 I형 시편이며 일반적으로 사출 성형에 의해 생성됩니다. I형 시편은 전체 길이가 165mm이고 폭이 13mm이며 게이지 길이는 50mm입니다. 평평한 시편은 일반적으로 "도그본" 또는 "아령" 형상으로 성형, 다이컷 또는 가공되어, 클램핑 영역이 아닌 시편의 중심에서 파단이 발생하도록 보장합니다. 평평한 시편 외에도 ASTM D638은 경질 튜브와 로드를 시험할 수 있으며, 두 가지 모두 도그본 형상으로 가공해야 합니다. 재료가 제한된 경우, 많은 실험실에서 IV형 또는 V형 시편을 사용합니다. IV형 시편에 필요한 치수는 ASTM D412 다이컷 C에 필요한 치수와 동일하며, 이는 동일한 다이컷이 사용될 수 있음을 의미합니다. V형 시편은 게이지 길이가 0.3인치에 불과한 가장 작은 시편입니다.

시편 측정

모든 시편은 ASTM D5947에 따라 시험 전에 측정해야 합니다. 대부분의 일반적인 마이크로미터는 이러한 측정을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 시험기가 힘 측정이 아닌 응력 측정을 표시하기 위해서는 운용자가 시편의 단면적(또는 두께 및 너비)을 입력해야 합니다. 이는 적용된 힘을 시편의 단면적(Psi, Pa, kPa, GPa 등의 단위로 표시)으로 나누어 응력을 계산하기 때문입니다.

다이컷 또는 가공된 샘플은 개별적으로 측정해야 하지만 사출 성형된 샘플을 사용하는 운용자는 샘플 로트의 변동이 1% 미만인 것으로 입증되면 샘플 로트에서 단일 샘플만 측정하면 됩니다. 사출 성형된 시편은 종종 완벽하게 정사각형이 아닌 구배 각도로 생산되며, 시편을 측정할 때 이를 고려해야 합니다. 항상 폭 측정이 구배 각도의 중앙에서 이루어지도록 하십시오.

Bluehill Universal의 자동 시편 측정 장치 기능을 이용하면 운용자가 최대 2개의 마이크로미터 또는 측정 장치를 컴퓨터에 연결하여 소프트웨어에 직접 데이터를 입력할 수 있습니다. 따라서 운용자 입력 오류가 발생하지 않고 효율성이 향상됩니다.

시편 정렬

올바르게 시험하려면 시편을 조 페이스에 수직으로 잡고 비스듬히 기울이지 않아야 합니다. 시편 오정렬은 결과에 큰 변동을 줄 수 있으며, 각 시험에 대해 시편이 모두 일관되게 정렬되도록 적절한 주의를 기울여야 합니다. 오정렬을 해결하는 한 가지 방법은 사용하는 시편과 동일한 폭에 가까운 조 페이스를 사용하여 정렬 상태를 육안으로 비교적 쉽게 조정하는 것입니다. 하지만 오정렬을 방지하는 가장 쉬운 방법은 그립 본체에 직접 장착되는 시편 정렬 장치를 사용하는 것입니다. 이 간단한 막대는 조정 가능한 정지점을 제공하므로 운용자가 검체가 올바르게 정렬되었는지 쉽게 구분할 수 있습니다.

그립이 시험을 실행하기 위한 준비로 플라스틱 시편 상에 조여지면, 원치 않는 압축력이 빈번하게 적용됩니다. 이러한 힘은, 비록 극미하지만, 적절하게 처리되지 않을 경우 시험 결과를 방해할 수 있습니다. 시편을 삽입한 후 균형을 맞추지 않는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 결과에서 오프셋이 발생하기 때문입니다. Bluehill Universal 소프트웨어는 여러 시편에 걸쳐 힘을 정규화하고 느슨하거나 압축력을 제거하도록 프로그래밍할 수 있어서 시편 간에 일관된 결과를 보장합니다. 6800 시리즈 만능 시험기에서는 시험 작동 한계를 정의하기 전에 시험의 설정 단계 중에 시편 또는 시스템의 손상을 방지하도록 설계된 시편 보호 기능을 사용할 것을 권장합니다. 전원을 켜면 시편 보호 기능이 크로스헤드를 자동으로 조정하여 원치 않는 힘을 특정 한계 미만으로 유지합니다.

시편 보호에 대해 자세히 알아보려면 이 비디오를 시청하십시오.

인장 시험을 위한 연신계

인장력에 반응하여 시편이 얼마나 늘어나거나 변형되는지에 대한 탄성 계수는 ASTM D638 플라스틱 인장 시험에서 수집된 가장 중요한 유형의 데이터 중 하나입니다. 사용자는 이 데이터를 수집하기 위해 적절한 변형률 측정 장치, 즉 연신계가 필요합니다. 탄성계수 측정을 위한 연신계는 ASTM E83 클래스 B-2를 준수해야 합니다.

실험실의 요구에 따라 여러 연신계 옵션을 사용할 수 있습니다. 가장 간단한 유형은 고정 게이지 길이 2630 시리즈 클립온 연신계입니다. 운용자는 이를 각 시험 시작 시 시편에 직접 클립으로 고정하고 시편이 항복하거나 시편이 깨지기 전에 제거해야 합니다. 포아송 비율에 대한 시험인 경우, 횡방향 연신계를 추가하여 시편의 탄성 영역 전체에 걸친 폭의 변화를 측정해야 합니다. 독립형 횡방향 연신계는 기존의 클립-온 또는 자동 연신계를 보완하는 데 사용할 수 있거나, 이축 장치는 축방향 및 횡방향 변형률 모두를 동시에 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

  ASTM D638 연신계

AutoX750은 운용자의 간섭 없이 시편에 자동으로 부착되는 연신계입니다. 이는 처리량이 많은 실험실에서 유용합니다. 운용자가 시간 소모적인 수동 조작 없이 많은 시편에 보다 일관된 배치를 할 수 있기 때문입니다. 일관된 배치로 더 반복 가능한 탄성계수 값을 얻을 수 있습니다. ASTM D790과 같은 다른 표준으로 시험하는 경우, 자동 연신계는 단일 장치로 다른 게이지 길이를 사용하는 유연성 또한 제공합니다. 종종, 시험되는 플라스틱은 궁극적으로 비주변 조건 하에서 사용됩니다. 이러한 최종 사용 애플리케이션을 시뮬레이션하기 위해 ASTM D638은 가열 또는 냉각(LN2 또는 CO2) 조건이 적용될 수 있는 온도 챔버 내에서 수행됩니다. 이러한 경우 비접촉식 고급 비디오 연신계(AVE2)를 권장합니다. AVE 2를 사용하면 시험 운용자가 챔버를 열거나 닫지 않고, 그리고 시험 중에 온도 변화 없이 탄성계수 데이터를 수집할 수 있습니다.

ASTM D638 연신계  

계산 및 결과

시험 결과를 제시할 때는, 표준 준수를 보장하고 다른 실험실 간의 데이터 비교를 용이하게 하기 위해 용어가 올바르게 정의되었는지 확인하는 것이 중요합니다. 데이터 보고에서 가장 흔한 실수는 잘못된 소스(크로스헤드 대신 연신계)를 사용하여 변형값을 보고함으로써 엄청나게 다른 결과로 이어질 수 있게 만드는 것입니다.

플라스틱 시험 표준은 공칭 변형이라 부르는 용어를 지칭하며, 사용되는 시험 방법에 따라 다르게 정의됩니다. ASTM D638의 경우, 공칭 변형은 연신계가 아닌 크로스헤드 변위로부터 측정된 변형으로 정의됩니다. 이는 플라스틱이 균일하게 분해되지 않고, 변형이 종종 샘플의 불균형적으로 작은 부분에 집중되는 현상이 나타나는데, 이것을 “병목 현상(necking)”이라고 합니다. 병목 현상이 있거나 항복점을 갖는 재료의 경우, 병목 현상이 연신계의 게이지 길이 외부에서 발생할 수 있기 때문에 파단 연신율은 연신계를 통해 보고될 수 없습니다. 따라서 공칭 변형을 사용하여 항복 후 어느 시점에서든 연신율을 보고해야 합니다. 파단 시 변형에 연신계를 사용하는 것은 변형이 시편 전체에 걸쳐 균일하고 병목 현상이나 항복을 나타내지 않는 경우에만 허용이 가능합니다.

Bluehill Universal 응력 변형 곡선 및 시험 결과

탄성계수

상이한 거동을 나타내는 플라스틱은 시험의 탄성 부분을 적절하게 포착하기 위해 상이한 탄성계수 계산의 사용이 필요할 수 있습니다. 대부분의 최신 시험 소프트웨어를 사용하면 탄성계수 계산을 사용자 정의할 수 있습니다. 탄성계수 계산 방법을 이해하는 것은 결과의 일관성을 보장하는 데 매우 중요합니다.

실제 선형 부분을 나타내지 않는 재료의 경우, 일반적으로 시컨트 탄성계수가 권장되며, 곡선에서 0과 사용자 정의 지점 사이에 탄성계수가 생성됩니다. 세그먼트 탄성계수 계산은 지정된 시작점과 끝점 사이에 최적의 선을 형성하고 최소 제곱 피트를 수행합니다. 가장 일반적으로, 영의 탄성계수 계산이 사용되어, 다수의 영역에 걸친 기울기를 결정하고 최소 제곱 피트를 통해 가장 가파른 기울기를 보고합니다. Bluehill Universal을 사용하면 여러 영역을 정의하거나 자동 영의 탄성계수 계산을 사용할 수 있습니다.

처리량

대량 시험이 필요한 실험실의 경우, 시험 프로세스의 속도를 높이고 처리량을 늘리기 위해 완전 자동화 시험기까지를 비롯한 여러 가지 방법으로 인장 기계 설정을 수정할 수 있습니다. 완전 자동화 시스템은 시편 측정, 시편 로딩, 시험 및 제거를 통합할 수 있게 설계되어 있으며 운용자의 개입 없이 몇 시간 동안 실행할 수 있습니다. 이러한 시스템은 인적 오류로 인한 변동성을 줄이는 데 도움이 되며, 교대 근무를 마친 후 운용자가 귀가한 후에도 계속 실행되어 결과를 얻을 수 있습니다.


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