ISO 527-4 복합소재의 인장 시험

저자:Ian McEnteggart

ISO 527-4 시험은 시편에 인장력을 가하고 응력을 받는 시편의 다양한 특성을 측정하게 됩니다. 이는 시편의 형상과 선택한 시험 유형에 따라 달라지는 고정된 크로스헤드 속도로 만능 재료 시험기(인장 시험기라고도 함)에서 수행됩니다. ISO 527-4는 다음과 같은 인장 특성을 측정합니다. 

• 포아송 비 - 0.05% ~ 0.25% 변형률 사이의 축 방향 변형에 대한 가로 방향 변형의 비율
• 탄성계수 - 시편의 응력/변형률 응답의 기울기, 일반적으로 0.05%~0.25% 변형률 사이에서 결정됨
• 인장 강도에서의 인장 변형률 - 인장 강도에 해당하는 인장 변형률
• 인장 강도 - 시험 중 적용된 최대 응력(일반적으로 파단 응력)

이방성 및 이종 복합소재의 특성을 완전히 파악하려면 다양한 시험이 필요합니다. ISO 527-4는 복합소재에 대해 수행되는 가장 기본적인 시험 중 하나이며, 인장 특성을 평가, 검증 및 인증하는 데 널리 사용됩니다. ISO 527-4는 연속 및 불연속 섬유 보강재가 모두 포함된 복합소재에 사용할 수 있으며, ISO 527-5는 단방향 연속 섬유 복합소재를 시험하기 위한 것입니다. 입자 또는 단섬유로 강화된 플라스틱은 ISO 527-2에 따라 시험할 수 있습니다. 이러한 모든 표준과 더 많은 표준에 대해 사전 구성된 시험 방법은 Instron의 Bluehill® Universal 시험 소프트웨어에서 찾아볼 수 있습니다.

ISO 527-4에는 세 가지 유형의 시편이 정의되어 있습니다. 유형 1B 시편은 열가소성 매트릭스로 단섬유 강화 소재를 시험하는 데 적합한 것으로 성형된 "도그본" 유형입니다. 유형 2 시편은 단면이 일정한 직사각형이며 열경화성 및 열가소성 매트릭스가 있는 연속 섬유 소재를 시험하는 데 적합합니다. 유형 3 시편은 시편이 그립에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 복합 시험에서 일반적으로 사용되는 엔드 탭이 추가된 유형 2 시편과 유사합니다.

모든 시편은 ISO 16012 또는 ISO 23529에 따라 시험하기 전에 측정해야 합니다. 대부분의 일반적인 마이크로미터는 이러한 측정을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 시험기가 힘 측정이 아닌 응력 측정을 표시하기 위해서는 운용자가 시편의 단면적(두께 및 너비)을 입력해야 합니다. 이는 적용된 힘을 시편의 단면적(Psi, Pa, kPa, GPa 등의 단위로 표시)으로 나누어 응력을 계산하기 때문입니다. 단단한 시편의 두께와 너비에는 상이한 측정 정확도가 요구되지만 양쪽에 대해 동일한 측정 장치를 사용하는 것이 일반적입니다. ISO 16012에서 요구하는 치수를 충족한다고 가정하면, 원통형 또는 직사각형 마이크로미터 팁을 사용할 수 있습니다.

Bluehill Universal의 자동 시편 측정 장치 기능을 이용하면 운용자가 최대 2개의 장치(마이크로미터 또는 캘리퍼스)를 시험 소프트웨어에 연결할 수 있습니다. 측정 데이터는 시험 소프트웨어에 직접 업로드되므로 입력 오류 가능성을 제거하고 시험 효율성을 높일 수 있습니다.

ISO 527-4는 탁상형 또는 플로어 모델 만능 재료 시험기에서 수행할 수 있습니다. 탄소 섬유 복합소재를 시험할 때는 일반적으로 100 또는 250kN 시스템이 필요하지만, 유리 섬유 복합소재 시험에는 30kN 또는 50kN 테이블 모델 시스템으로 충분할 수 있습니다. 

ISO 527-4 시험에서는 변형률 측정을 위해 다양한 장치를 이용할 수 있습니다. 적절한 기기와 함께 사용하는 경우, 결합된 전기 저항 변형계로 게이지의 활성 영역(일반적으로 수 mm²) 아래의 변형률을 측정할 수 있습니다. 변형계는 일반적으로 유기 기재상의 얇은 금속 호일 그리드로 구성되며 극저온에서 200°C 이상까지 광범위한 온도에서의 시험에 사용할 수 있습니다. 변형계는 유용한 전기 신호를 생성하기 위해 컨디셔닝이 필요하며, Instron 시험 기계의 표준 전자 장치와 함께 사용하기 쉬운 어댑터가 있습니다.

실험실의 요구사항에 따라 다양한 연신계 옵션도 사용할 수 있습니다. 가장 간단한 유형은 각 시험을 시작할 때 시편에 직접 클립을 고정하고 시편이 파손되기 전에 제거해야 하는 클립온 장치입니다. 고정 게이지 길이의 2630 시리즈 클립온 연신계는 축방향 변형률 측정에 적합합니다. 포아송 비를 결정하기 위해 축 방향 및 가로 방향 변형을 모두 측정해야 하는 시험에는 이축 클립온 연신계를 이용할 수 있습니다.

AutoX750은 시험 운용자의 간섭 없이 시편에 자동으로 부착되는 연신계입니다. 이것은 운용자가 수동으로 조작해야 하는 시간 소모적인 조작 필요성을 없애고, 많은 수의 시편을 보다 일관되게 배치할 수 있으므로 높은 처리량이 필요한 실험실에서 유용합니다. 일관된 배치는 더 반복 가능한 탄성계수 값을 생성합니다.

복합소재는 종종 항공 우주 산업에서 사용되기 때문에 극한의 온도 조건에 대한 회복력이 있어야 합니다. 이러한 조건을 시뮬레이션하기 위해 ISO 527-4 시험은 LN2 또는 CO2를 이용하여 챔버를 애플리케이션별 온도로 가열하거나 냉각하는 데 사용되는 온도 챔버 내에서 수행할 수 있습니다. 변형계 또는 클립형 연신계는 최대 200°C의 온도까지 사용할 수 있습니다. 비접촉식 고급 비디오 연신계(AVE2)도 사용할 수 있는데, 이는 온도 챔버 외부에 배치할 수 있다는 장점이 있습니다. AVE2는 시편에 물리적으로 닿지 않으므로 파손되기 전에 시편에서 제거할 필요가 없습니다. 따라서 시험 운용자가 시험 중에 챔버 도어를 열고 닫을 필요가 없습니다.

온도 챔버는 강제 공기 대류 및 저항성 가열 소자를 이용하여 고온을 달성하고, 액체 질소 또는 이산화탄소 냉각을 통해 저온을 달성합니다. Instron의 3119-600 시리즈 환경 챔버 제품군은 주변 온도가 아닌 시험 조건에서 소재 특성을 평가하기 위한 광범위한 온도 시험 기능을 제공합니다. 보충 그립, 풀로드(pullrod) 및 연신계의 전체 제품군도 이용 가능합니다.

ISO 527-4 시험은 일정한 크로스헤드 속도로 수행됩니다. 규정된 시험 속도는 시편 유형과 수행되는 시험 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어, 일상적인 품질 관리를 위해 수행되는 시험은 검증에 사용되는 시험(2mm/분)보다 더 빠른 속도(5 및 10mm/분)로 실행할 수 있습니다.

시험 결과를 제시할 때는, ISO 527-4 준수를 보장하고 다른 실험실 간의 데이터 비교를 용이하게 하기 위해 측정 용어가 올바르게 정의되었는지 확인하는 것이 중요합니다.

인장 응력은 주어진 지점에 가해진 힘을 평균 시편 면적으로 나누어 결정됩니다. 시편의 인장강도는 파손되기 전에 도달한 최대 인장 응력입니다. 

인장 변형률은 변형률 측정 장치(변형계 또는 연신계)로 측정한 공학적 변형률입니다. 인장 파괴 변형률은 인장 강도에 해당하는 변형률입니다.

탄성계수는 소재 사양에 다른 값이 제공되지 않는 한, 0.05% ~ 0.25% 변형률 사이의 응력-변형률 응답의 기울기로 정의됩니다. 탄성계수 계산은 0.05% 변형률에서 시작되기 때문에 시편을 파지할 때 유발되는 느슨함 또는 압축력을 제거하기 위해 적절한 사전 응력을 소재에 적용하는 것이 매우 중요합니다. 변형률의 0.05% 또는 소재 인장 강도의 1%를 초과해서는 안 됩니다.

포아송 비는 탄성계수를 결정하는 데 사용된 동일한 축방향 변형률 범위(0.05%~0.25%)에서 축방향 변형률에 대한 횡방향 변형률의 비율을 취하여 결정됩니다.