ISO 178에 대한 최종 가이드

ISO 178에 따른 플라스틱 굴곡 시험 수행 방법 

 저자: Daniel Caesar

 ISO 178 헤더

플라스틱은 저렴한 비용, 가벼운 무게, 내부식성 및 일반적인 다용도성으로 인해 다양한 산업 분야에서 중요한 위치를 차지했습니다. 실제 응용 분야에서 예상되는 거동을 특성화하려면 플라스틱의 소재 특성을 결정하는 것이 중요합니다. 한 가지 중요한 속성은 플라스틱 샘플이 구부러지거나 굴곡되는 동안 응력과 변형 간의 관계입니다. 즉, 소재의 굴곡 특성입니다. 이 특성 결정에 관한 국제적 표준 방법을 규제하기 위해 국제표준화기구(ISO)에서 ISO 178을 개발했습니다. 

이 가이드에서는 ISO 178 굴곡 시험의 기본 요소를 소개하고 이 표준과 관련된 시험 장비, 시편 및 결과에 대한 개요를 제공합니다. 그러나 ISO 178에 따라 시험을 수행하려는 사용자는 이 가이드를 읽으면 전체 표준은 읽지 않아도 되는 것으로 간주해서는 안 됩니다.

무엇을 측정하나요? 

ISO 178은 만능 재료 시험기에서 3점 굽힘 시험을 수행하여 강성 및 반강성 플라스틱의 굴곡 특성을 결정하기 위한 시험 방법입니다. 3점 굽힘 시험은 양쪽 끝에서 자유롭게 지지되는 직사각형 시편의 중간점에서 힘을 가합니다. 가해진 힘은 로드셀로 측정하며, 결과로 나타나는 처짐은 시스템의 크로스헤드 변위(결과는 시스템 컴플라이언스를 고려하여 교정됨) 또는 직접 변형 측정 장치로 측정합니다. ISO 178에는 4가지 시험 유형이 설명되어 있으며, 각각 변형 측정 방법(예: 크로스헤드 또는 직접 변형 변환기 이용) 및 관련 교정 정확도에 관한 요구사항을 명시하고 있습니다.

연구소에서 수행하는 ISO 178 시험 유형은 고객이 R&D 연구소와 같은 내부자인지 외부 시험 연구소와 같은 외부자인지에 따라 그 고객의 요구사항에 의해 규정됩니다. 시험 장비를 구매하고 시험을 수행하기 전에 실험실에 대한 특정 요구사항을 식별하고 고객이 동의하는지 확인하는 것이 중요합니다.

ISO 178이 귀하에 적합한 표준입니까?

ISO 178은 ASTM D790과 몇 가지 핵심 사항에서 다르긴 하지만 매우 유사합니다.

  • ISO 178에서는 탄성계수 결정을 위해 편향계 또는 컴플라이언스 교정의 사용이 필요하고, ASTM D790에서는 크로스헤드 변위만으로 탄성계수를 계산할 수 있습니다.
  • 선호하는 시편 크기가 다르며, 시험 속도는 시편 깊이에 따라 달라지므로, 표준에 따라서도 시험 속도가 다를 수 있습니다. ISO 178 시편의 권장 깊이는 4mm이고 ASTM D790 시편의 권장 깊이는 3.2mm입니다. 
  • ASTM D790은 하나의 시험 속도만 허용하는 반면, ISO 178에서는 탄성계수가 측정된 후 두 번째(더 빠른) 시험 속도를 이용할 수 있습니다.

시편

ISO 178 시편은 ISO 2818에 따라 판재에서 가공하거나 ISO 293/295 또는 ISO 294-1/10724-1에 따라 각각 압축 또는 사출 성형을 통해 준비됩니다. 선호하는 시편 치수는 다음과 같이 지정되어 있습니다.

  • 길이: 80mm(±2)
  • 너비: 10mm(±0.2)
  • 두께: 4mm(±0.2)

원하는 치수를 얻을 수 없는 경우, ISO 178에서는 시편의 두께에 따라 다른 너비 값을 제공하고 있습니다. 소재가 비등방성(anisotropic)인 경우에는 양쪽 방향을 모두 시험해야 합니다.

절차

ISO 178 시험은 일반적으로 상대적으로 하중 용량 요구가 낮기 때문에 탁상형 만능 재료 시험기에서 수행합니다. 이 시험기는 표준에 명시된 허용 오차 내에서 1~500mm/min 사이의 일정한 시험 속도를 유지할 수 있어야 합니다. Instron의 3400 시리즈6800 시리즈 시험기의 모든 모델은 필요한 속도의 정확도에 관한 요구사항을 충족합니다. 힘 측정 장치 또는 로드셀은 보고 대상 힘 범위에 있어서 ISO 7500-1의 클래스 1을 충족해야 합니다. 실험실에서는 최소 및 최대 시험 힘을 숙지하고 적절한 용량과 검증 범위를 가진 로드셀을 선택하도록 하는 것이 중요합니다.

ISO 178 시험 설정

ISO 178 시험 설정

1. Instron 6800

2. Bluehill Universal 대시보드(2490-696)

3. 2580 시리즈 로드셀

4. 3점 굽힘 치구(2810-400)

5. 편향계 플런저(2810-403) 

 

연신계

 

변형률 측정

1. AVE2 비접촉 연신계

2. AUTOX750 자동 연신계

3. 2630 시리즈 클립온 연신계

 

ISO 178은 원하는 결과 및 관련 정확도에 따라 다양한 편향 측정 시스템을 사용할 수 있도록 하고 있습니다. 최소 정확도에서 최대 정확도까지, 허용되는 편향 측정의 유형은 크로스헤드 변위, 컴플라이언스 수정이 포함된 크로스헤드 변위 및 직접 변형률 측정 장치를 사용하는 것입니다. ISO 178의 2010년 업데이트 이전에는 편향 측정 정확도의 오류가 값의 1%를 초과할 수 없었습니다. 그러나 2010년 업데이트 이후, 운용자는 ISO 9513에 따라 클래스 1 편향계를 사용하거나 결과에서 기계 컴플라이언스를 제거할 수 있는 소프트웨어를 사용해야 합니다.

실험실에서 요구하는 편향 정확도가 무엇이든, Instron은 이를 충족하는 솔루션을 제공합니다. Bluehill® Universal 소프트웨어가 장착된 모든 3400 시리즈 및 6800 시리즈 시험 프레임은 컴플라이언스 수정 여부에 관계없이 크로스헤드의 편향을 측정할 수 있습니다. Instron은 또한 직접 변형률 측정을 위한 다양한 솔루션을 제공합니다. 한 가지 일반적인 솔루션은 플런저 또는 편향계에 장착된 클립온 연신계입니다. 가장 진보되고 처리량이 높은 솔루션에는 AutoX750고급 비디오 연신계 (AVE2)가 있습니다.

시스템의 로드셀과 마찬가지로 편향 측정 장치도 보고된 결과의 작동 범위에 대한 검증을 받아야 합니다. 특히 굴곡 탄성계수는 예외적으로 작은 편향(0.1mm 미만) 상태에서 계산됩니다. 검증 수행자에게 적절한 지침이 되도록 시험의 최소 및 최대 변위를 식별해주는 것이 도움이 됩니다.

ISO 178 연신계

치구

ISO 178 시험에는 3점 굽힘 치구가 필요합니다. 이 치구는 로딩, 움직이는 크로스헤드에 장착된 상부 앤빌 및 2개의 조정 가능한 앤빌이 있는 고정식 하부 지지 빔으로 구성됩니다. Instron의 2810-400 굴곡 치구는 치구 요구사항을 완벽하게 준수하며 최대 3.0mm 두께의 시편을 시험하기 위해 2.0mm 반경 앤빌과 함께 사용하거나, 더 두꺼운 시편을 위해 5.0mm 반경 앤빌과 함께 사용할 수 있습니다. 지지 스팬 요구사항은 시험할 소재의 강성에 따라 달라지는 시편 두께의 비율을 기반으로 합니다. 조정 가능한 앤빌을 이용하면 운용자가 지지 스팬의 거리를 설정할 수 있으며, 지지 빔에 눈금 길이 단위가 있어 앤빌의 정확한 위치를 지정할 수 있습니다. 또한 변형률 측정 장치를 사용할 때 편향계의 중심을 쉽게 맞출 수 있습니다. 시편 정렬은 결과에 상당한 변동을 일으킬 수 있으므로 각 시험에 대해 시편이 일관되게 정렬되도록 적절한 주의를 기울여야 합니다. Instron 굽힘 치구에는 시편 너비에 맞게 조정할 수 있는 정렬 암도 함께 제공됩니다.

2810-400
5kN 모델 | 2810-400

시편 측정

ISO 178은 ISO 16012에 따라 시편 길이의 중심에서 폭 및 두께 측정을 수행하도록 요구하고 있습니다. 최소 3회 측정을 수행하고 폭과 두께 모두에 대한 평균을 기록합니다. Bluehill Universal에 포함된 Instron의 자동 시편 측정 장치(ASMD) 기능을 통해 운용자는 최대 2개의 마이크로미터 또는 측정 장치를 컴퓨터에 연결하고 측정 평균을 소프트웨어에 직접 입력할 수 있습니다. 이는 운용자 입력 오류의 가능성을 제거하고 효율성을 높여줍니다.

시험 방법

3점 굽힘 치구의 스팬(하부 앤빌 사이의 거리)은 시편 두께의 함수로 결정됩니다. 시험 환경 조건(예: 저온 또는 고온)은 시험되는 소재에 따라 다르며 시험실과 고객이 동의해야 합니다. ISO 291은 이 정보가 없는 경우에 대한 안내서를 제공합니다. Instron은 비주변(non-ambient) 시험을 수용할 수 있도록 완전히 통합된 환경 챔버를 제공합니다.

ISO 178은 크로스헤드의 속도를 설정하기 위한 방법 A와 방법 B를 명시합니다. 방법 A는 전체 시험에 걸쳐 단일 속도를 사용하는 반면, 방법 B는 초기 탄성계수 영역에서는 하나의 속도를 사용하고 나머지 시험에는 더 높은 두 번째 속도를 사용합니다. 사용된 일정한 크로스헤드 속도는 지정된 변형률을 추정하기 위한 것입니다. 예압 루틴에 이어서, 시편은 파손 또는 5% 굴곡 변형 중 먼저 발생하는 시점까지 휘어집니다. 힘 및 편향 데이터는 시험 전체에 걸쳐 충분한 데이터 획득 속도로 기록됩니다.

시험을 설정할 때는 정확하고 일관된 변형 측정을 보장하기 위해 적절한 예압을 사용하는 것이 좋습니다. 시험을 시작하기 전에 시편에 가해진 힘의 양은 계산의 반복성에 직접적인 영향을 미칩니다.

ISO 178 시험 설정

ISO 178 시험 설정

1. Instron 3400

2. Bluehill Universal 대시보드(2490-696)

3. 2530 시리즈 로드셀

4. 3점 굽힘 치구(2810-400)

5. 편향계 플런저(2810-403) 

 

결과

다음은 ISO 178에 대해 보고할 수 있는 계산 및 결과 목록입니다.

  • 굴곡 응력 – 적용된 하중, 스팬, 시편 너비 및 시편 두께의 함수. 이는 단위 면적당 힘인 인장 또는 압축 응력과 다릅니다.
  • 굴곡 변형률 – 편향, 스팬 및 시편 두께의 함수. 이는 게이지의 원래 길이에 대한 현재 게이지 길이의 변화인 인장 또는 압축 변형과는 다릅니다.
  • 굴곡 탄성계수 – 0.05%~0.25% 굴곡 변형률 사이의 굴곡 응력 및 굴곡 변형률의 함수. 굽힘 응력 대 굴곡 변형률 곡선상의 각 점에서 코드 탄성계수를 맞출 수 있습니다.
  • 굴곡 강도 – 굽힘 시험 중에 얻은 최대 굴곡 응력.
  • 파단 시 굴곡 응력 – 시편이 파단될 때의 굴곡 응력. 일부 소재의 경우, 시편이 항복점 이전에 파손되는데, 이 경우 굴곡 강도가 파단 시 굴곡 응력과 동일한 값이 됩니다.
  • 5% 굴곡 변형률에서의 굴곡 응력 – 시편이 5% 굴곡 변형률 내에서 파손되지 않는 시험의 경우 시험 종료 시의 굴곡 응력.

처리량

처리량을 늘리고자 하는 실험실의 경우, 시스템 설정을 몇 가지 수정할 수 있습니다. 자동 시편 측정 장치와 시편 정렬 장치는 모두 시험 운용자의 수동 입력을 줄여 시험 효율성을 높여줍니다. Instron의 AT3AT6과 같은 완전 자동화된 시험기도 이용 가능하며, 이들은 시편 측정, 시편 로딩, 시험 및 제거 기능을 통합할 수 있게 설계되어 있습니다. 이들 시스템은 운용자의 개입 없이 몇 시간 동안 작동할 수 있습니다. 또한 이러한 시스템은 인적 오류로 인한 변동성을 줄이는 데에도 도움이 됩니다.

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