인장 시험
소개

최대 인장 강도

재료에 관하여 우리가 결정할 수 있는 가장 중요한 특성 중 하나는 재료의 최대 인장 강도(UTS)입니다. 이 최대 인장 강도(UTS)는 시편이 시험하는 동안 유지하는 최대 응력을 말합니다. UTS는 파단이 일어날 때의 시편의 강도와 동일하거나 동일하지 않을 수 있으며, 이는 재료가 취성(부서지기 쉬운 성질)인지 연성인지 또는 양쪽의 특성을 나타내는지에 따라 결정됩니다. 때때로 재료가 실험실에서 시험할 때는 연성일 수 있지만, 사용 중에 극한 저온에 노출되는 경우 취성으로 바뀔 수 있습니다.

훅의 법칙

대부분의 재료에 있어서 시험의 초기에는 하중과 연신 그래프에서 선형으로 나타납니다. 이 선형 영역에서, 해당 선은 응력 대 변형의 비율이 상수인 "훅의 법칙(Hooke's Law)"으로 정의된 관계를 따릅니다. E는 응력(σ)이 변형(ε)에 비례하는 이 영역에서의 선의 기울기이며, "탄성계수" 또는 "영률(Young's Modulus)"이라 합니다:

$$E=\frac{\sigma }{\epsilon }$$

탄성계수

탄성계수는 ​​재료의 강성을 측정한 것으로, 곡선의 초기 선형 영역에만 적용되는 것입니다. 이 선형 영역 내에서는 시편에서 인장 하중을 제거하면 시편은 하중이 적용되기 전과 똑같은 상태로 돌아갑니다. 곡선이 더는 직선이 아니고 직선 관계에서 벗어나는 지점부터는 훅의 법칙이 더 이상 적용되지 않고, 시편에 일부 영구 변형이 발생합니다. 이 지점을 탄성한계 또는 비례한계라고 합니다. 인장 시험에서 이 지점부터는 재료는 하중이나 응력의 추가 증가에 대해 소성 반응을 합니다. 하중이 제거되더라도 원래의 응력이 없던 상태로 돌아가지 않습니다.

항복 강도

재료의 항복 강도는 플라스틱 변형이 발생하기 시작하는 재료에 가해지는 응력으로 정의됩니다.

오프셋 방법

일부 재료(예: 금속 및 플라스틱)의 경우, 선형 탄성 영역으로부터의 이탈을 쉽게 식별할 수 없습니다. 따라서 재료의 항복 강도를 결정하는 오프셋 방법이 사용됩니다. 이 방법은 금속의 항복 강도 측정 시 일반적으로 적용됩니다. ASTM E8/E8M에 따라 금속을 시험할 때 오프셋은 변형률(보통 0.2%)로 지정됩니다. 선형탄성 영역(탄성계수와 같은 기울기를 가짐)의 선이 오프셋 "m"으로부터 그려질 때 교차점 "r"에서 결정되는 응력(R)은 오프셋 항복 강도가 됩니다.

대체 탄성계수

일부 재료의 인장 곡선에는 잘 정의된 선형 영역이 없습니다. 이러한 경우, ASTM 표준 E111은 재료의 탄성계수뿐만 아니라 영률을 결정하기 위한 대안적인 방법을 제공합니다. 이러한 대체 탄성계수는시컨트 탄성계수 및 탄젠트 탄성계수입니다.

변형

또한 인장 시험 중에 시편에 작용하는 연신 또는 연신율도 확인할 수 있습니다. 연신율은 길이 변화의 절대 측정 값 또는 "변형률"이라고 하는 상대 측정 값으로 표현할 수 있습니다. 변형 자체는 "공칭변형"과 "진변형"이라는 두 가지 다른 방식으로 표현할 수 있습니다.

공칭변형은 아마도 우리가 사용하는 변형의 가장 쉽고 일반적인 표현일 것입니다. 변형은 원래 길이에 대해 변화한 길이의 비율입니다:

$$e=\frac{L-Lₒ}{Lₒ}=\frac{\mathrm{\Delta }L}{Lₒ}$$

진변형은 비슷하기는 하지만 시험이 진행됨에 따라 시편의 순간 길이를 기준으로 하며, 여기서 L_i는 순간 길이이고 L₀은 초기 길이입니다:

$$\epsilon =In\frac{Lᵢ}{Lₒ}$$