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탄성 계수란 무엇입니까?

탄성 계수(Elastic Modulus 또는 간단히 Modulus라고도 함)는 재료의 탄성을 측정하는 것입니다. 탄성 계수는 비영구적 또는 탄성 변형에 대한 재료의 저항을 정량화합니다. 응력을 받으면 재료는 먼저 탄성 특성을 나타냅니다. 응력으로 인해 변형되지만, 응력이 제거되면 재료는 이전 상태로 돌아갑니다. 탄성 영역을 지나 항복점을 통과한 후, 재료는 소성 영역으로 진입하며, 인장 응력이 제거된 후에도 영구적인 변형을 나타냅니다.

계수는 응력(σ)-변형률(ε) 곡선의 직선 부분 기울기로 정의됩니다. 탄성 영역에 초점을 맞춰 두 응력-변형률 지점 사이에서 기울기를 취하면, 계수는 응력 변화량을 변형률 변화량으로 나눈 값입니다. 계수 =(σ2 - σ1) / (ε2 - ε1) 여기서 응력(σ)은 시편의 단면적으로 나눈 힘이고, 변형률(ε)은 재료의 길이 변화량을 재료의 원래 표점 거리로 나눈 값입니다. 응력과 변형률 모두 정규화된 측정값이므로, 계수는 크기가 다른 시편 간에 비교할 수 있는 일관된 재료 특성입니다. 큰 강철 시편은 작은 강철 시편과 동일한 계수를 가지지만, 큰 시편은 재료를 변형시키기 위해 더 높은 최대 힘이 필요합니다. 금속, 플라스틱, 복합재와 같은 취성 재료는 고무와 같은 연성 재료보다 더 가파른 기울기와 더 높은 계수 값을 나타냅니다.

엘라스토머 계수

플라스틱 및 금속과 같은 취성 재료와 달리, 엘라스토머 재료는 항복점을 나타내지 않으며 파괴될 때까지 탄성적으로 계속 변형됩니다. 이 경우, 계수는 단순히 주어진 신장률에서의 힘 측정값으로 보고됩니다. 예를 들어, 아래 그래프에서 계수는 100%, 200%, 300% 변형률에서의 응력으로 보고됩니다.

계수는 인장 시험 중에 가장 일반적으로 보고되지만, 탄성 계수는 압축 시험의 압축 탄성 계수, 굽힘 시험의 굽힘 탄성 계수, 전단 시험의 전단 탄성 계수 또는 비틀림 시험의 비틀림 탄성 계수로도 보고될 수 있습니다. 탄성 계수는 동적 시험을 통해서도 결정될 수 있으며, 이 경우 복합 계수로부터 유도될 수 있습니다.

다양한 유형의 계수 계산

계수를 기록하는 사용자는 응력/변형률 곡선의 초기 선형 부분 기울기를 계산하는 여러 가지 방법이 있다는 점을 인지해야 합니다. 예를 들어, Instron의 Bluehill® Universal 소프트웨어는 탄성 계수를 계산하는 8가지 이상의 다양한 방법을 제공합니다. 특정 재료에 대한 계수 결과를 다른 실험실 간에 비교할 때는 어떤 유형의 계수 계산이 선택되었는지 아는 것이 중요합니다.

영률

시험 데이터에 최소 제곱법을 적용하여 곡선의 초기 선형 부분에서 기울기를 계산합니다. 가장 가파른 기울기가 계수로 보고됩니다.

현 계수

사용자가 시작 변형률 지점과 끝 변형률 지점을 선택합니다. 두 지점 사이에 선을 긋고 해당 선의 기울기가 계수로 기록됩니다.

할선 계수

영 응력/변형률 지점을 시작 값으로 사용하고, 사용자가 선택한 변형률 지점을 끝 값으로 사용합니다. 두 지점 사이에 선을 긋고 해당 선의 기울기가 계수로 기록됩니다.

세그먼트 계수

사용자가 시작 변형률 지점과 끝 변형률 지점을 선택합니다. 시작 지점과 끝 지점 사이의 모든 지점에 최소 제곱법을 적용하여 선을 구성합니다. 최적 적합 선의 기울기가 계수로 보고됩니다.

접선 계수

사용자가 응력/변형률 곡선에서 접점을 선택합니다. 접선 기울기가 계수로 보고됩니다.

E-계수

탄성 계수는 표준 선형 회귀 기법을 사용하여 결정됩니다. 계산에 사용될 곡선 부분은 자동으로 선택되며, 응력-변형률 곡선이 비선형인 탄성 변형의 초기 및 최종 부분은 제외됩니다.

히스테리시스 계수

계수는 하중 및 재하중 구간에 의해 생성된 히스테리시스 루프를 통해 결정됩니다.

용융 흐름 지수는 용융된 플라스틱의 유동성을 측정하는 척도이며, 열가소성 수지의 품질 관리를 위한 대표적인 지표입니다. 원래는 용융 흐름 지수 또는 용융 지수(일반적으로 폴리에틸렌에 사용되었으나, 다양한 재료에 적용됨)라고 불렸으며, 오늘날 표준 명칭은 용융 질량 흐름 지수(MFR)로, (SI 단위로) g/10분으로 표시되는 질량 흐름입니다. 다른 양으로는 (SI 단위로) cm3/10분으로 표시되는 부피 흐름이 있으며, 이를 용융 부피 흐름 지수(MVR)라고 합니다. MVR에 용융 밀도(즉, 용융 상태의 재료 밀도)를 곱하면 MFR이 됩니다.

일반적인 용융 흐름 측정 장비는 작고 사용하기 쉽습니다. 기본 원리는 열가소성 시료(원래는 알갱이, 분말 또는 플레이크 형태)를 가열하여 유동성 있게 만든 다음, 모세관 다이를 통해 실린더 밖으로 흐르도록 강제하는 것입니다. 압출 피스톤에는 일반적으로 최대 21.6kg의 추(dead weights)가 장착됩니다. MFR(및 MVR)은 각 재료 유형에 대해 정의된 표준 온도 및 적용 하중 조건에서, 일반적으로 고정된 유형의 다이(내경 2.095mm, 길이 8mm)를 사용하여 얻어집니다. 결과는 항상 시험 조건을 명시해야 합니다. 왜냐하면 결과가 해당 조건에 크게 의존하기 때문입니다.

MFR과 MVR은 일반적으로 품질 관리 연구실과 생산 관리 연구실에서 사용됩니다. 기본 절차는 압출된 재료의 수동 타이밍, 절단 및 중량 측정을 포함하며, 이를 통해 직접 MFR 값을 얻습니다. 최신 장비에서 가능한 반자동 절차는 피스톤 변위의 직접 측정을 기반으로 하므로, 직접 MVR 값을 제공합니다. 용융 밀도는 입력하거나 측정할 수 있으며, 따라서 MFR 결과도 얻을 수 있습니다. 반자동 절차는 훨씬 더 높은 정확도를 달성하고 더 넓은 범위의 측정 가능한 유량을 보장할 수 있습니다. 더 진보된 방법은 동일한 시험 동안 여러 하중을 적용하는 것을 포함하며, 각 하중은 MFR(MVR) 결과를 제공합니다. 이를 다중 하중 시험이라고 하며, 시료에 대한 추가 정보와 점도의 전단 의존성에 대한 통찰력을 제공합니다. 단일 하중 MFR 시험은 평균 분자량과 상관관계가 있을 수 있으며, 전단 의존성은 분자량 분포에 따라 달라집니다.

용융 흐름 지수는 재료 특성에 대한 깊은 이해가 필요하지 않을 때, 동일한 재료의 배치(batches)를 비교하거나 다른 재료의 유동 특성(일반적으로 압출 공정용)을 추정하는 데 유용한 빠른 도구입니다. 진정한 유변학적 특성 분석은 레오미터를 통해 수행할 수 있습니다. 용융 흐름 지수는 (전단) 점도에 반비례하지만, 점도를 결정하는 데 사용되지는 않습니다(대략적인 추정치만 제공할 수 있습니다).

참고 자료:

• ISO 1133:2005 "플라스틱 - 열가소성 수지의 용융 질량 유량(MFR) 및 용융 부피 유량(MVR) 측정"
• ASTM D1238-10 "압출 플라스토미터를 이용한 열가소성 수지의 용융 흐름 속도 표준 시험 방법"

시험 장비

용융 흐름 시험은 Instron의 용융 흐름 시험기 탁상형 장비인 MF20 및 MF30에서 수행됩니다. 이 장비들은 다양한 크기로 제공됩니다. 재료에 필요한 추의 개수에 따라, 장비에는 자동 추 리프터가 장착될 수 있습니다.

인성 계수는 재료가 소성 변형 시 에너지를 흡수하는 능력입니다. 이는 주어진 재료가 파괴되기 전에 흡수할 수 있는 변형 에너지 밀도(재료 단위 부피당 변형)의 양으로 정의됩니다. 인성 계수는 PSI 또는 파스칼 단위로 측정됩니다. 시험에서 시편의 파괴점까지 응력-변형률 곡선 아래의 총 면적을 계산하여 결정할 수 있습니다. 재료의 인성 계수는 재료의 연성에 따라 달라집니다. 동일한 항복 강도를 가진 두 재료라도 한 재료가 다른 재료보다 더 연성이라면 인성 계수에서 크게 차이가 날 수 있습니다. 연성 재료는 더 많이 늘어나고 응력-변형률 곡선 아래의 면적이 더 넓을 것입니다.

토목 기술자가 새로운 구조물을 설계할 때, 재료를 선택할 때 인성 계수 데이터에 접근할 수 있는 것이 중요합니다. 우발적인 과부하에 취약할 수 있는 구조물을 설계할 때, 다른 더 저렴한 재료가 동일한 항복 강도를 가지고 있더라도 더 높은 인성 계수를 가진 더 연성 재료를 선택하는 것이 더 안전합니다.

파괴 전 하중-시간 곡선에서 가장 높은 지점입니다. 최대 하중 지점은 종종 재료 손상 또는 완전 파괴의 시작과 일치합니다. 탄소 섬유와 같은 충전재로 강화된 플라스틱 재료의 경우, 피크 하중이 최대 하중보다 높을 수 있습니다.