인장 시험: 작동 원리, 측정 항목 및 시작 방법
인장 시험은 전 세계 제조 및 연구 시설의 엔지니어와 재료 과학자들이 수행하는 기본적인 기계적 시험입니다. 인장 시험(Tension test라고도 함)은 재료 시편에 단축 하중을 가하여 인장 강도, 항복 강도, 탄성 계수 및 연신율과 같은 주요 기계적 특성을 측정합니다. 이러한 측정값은 제품 설계자와 품질 엔지니어에게 재료가 하중 하에서 어떻게 거동하는지, 영구 변형이 시작되는 지점은 어디인지, 파단되는 지점은 어디인지를 알려주며, 응용 분야에 적합한 재료를 선택하고 요구되는 사양을 충족하는지 확인하는 데 필요한 데이터를 제공합니다.
인장 시험을 수행하는 이유는 무엇입니까?
인장 시험 및 재료 특성 분석은 모든 산업 분야의 제조업체와 연구원에게 매우 중요합니다. 재료가 새로운 제품이나 용도로 선택되기 위해서는 연구원들이 해당 재료가 최종 용도에서 마주하게 될 기계적 힘을 견딜 수 있는지 확인해야 합니다. 예를 들어, 타이어 고무는 노면의 불규칙함을 흡수할 수 있을 만큼 탄성이 있어야 하며, 수술용 봉합사는 생체 조직을 함께 고정할 수 있을 만큼 강해야 합니다. 또한 재료와 제품은 주기적 또는 반복적 사용을 통해 짧거나 긴 시간 동안 기계적 힘에 노출될 수 있으며, 매우 다양한 온도 및 환경 조건에 놓일 수 있습니다. 자동차 타이어는 다양한 기상 조건에서 일정 마일리지 동안 지속될 것으로 기대되는 반면, 수술용 봉합사는 한 번만 사용되지만 신체가 치유될 때까지 충분히 오랫동안 일정한 인장 강도를 유지해야 합니다.
R&D 프로세스에서의 중요성 외에도, 인장 시험은 품질 보증 부서에서 완제품 배치가 인장 특성에 대한 요구 사양을 충족하는지 확인하는 데에도 사용됩니다. 결함이 있는 제품은 최종 사용자에게 위험할 수 있으며 제품 지연, 수익 손실 및 명성 훼손의 형태로 제조업체에 상당한 피해를 줄 수 있으므로 이는 안전과 비즈니스 측면 모두에서 중요합니다.
인장 시험 수행 방법
인장 시험기: 주요 구성 요소 및 기능
- 부하 프레임 - 인장 시험기는 하중 용량에 따라 단일 또는 이중 컬럼 구성으로 제공될 수 있습니다.
- 소프트웨어 - 시험 소프트웨어는 작업자가 시험 방법을 구성하고 결과를 출력하는 곳입니다.
- 로드셀 - 로드셀은 시험 시편에 가해지는 힘을 측정하는 트랜스듀서입니다. Instron 로드셀은 로드셀 용량의 1/1000까지 정확합니다.
- 그립 및 고정 장치 - 다양한 재료, 모양 및 크기의 시험 시편을 수용할 수 있도록 광범위한 시편 그립과 고정 장치를 사용할 수 있습니다.
- 변형 측정 - 일부 시험 방법은 하중 하에서 시편의 연신율 측정을 요구합니다. Instron의 AVE2는 시편 길이의 변화를 ±1 µm 또는 판독값의 0.5%까지 측정할 수 있습니다.
인장 시험 설정
인장 시험을 수행하기 위해 작업자는 시험이 내부 및/또는 외부 시험 표준에 따라 수행되고 있는지 확인하기 위한 다양한 작업을 수행해야 합니다. 실험실에 따라 이러한 작업은 부분적으로 또는 완전히 자동화될 수 있지만, 설정의 정확성에 대한 책임은 항상 작업자에게 있습니다.
시험 방법 선택
시편이 그립에 장착되고 신율계가 부착되면 시작할 준비가 된 것입니다. Bluehill Universal에서 시험 방법을 선택하고 시험 속도, 시편 치수, 파단 감지 또는 최대 하중 제한과 같은 시험 종료 기준을 포함한 주요 파라미터를 구성하십시오.
시험을 시작하면 장비는 규정된 속도로 인장력을 가하며 시편이 변형됨에 따라 하중, 연장 및 변형 데이터를 지속적으로 기록합니다. 시험은 정의된 종료 기준(일반적으로 시편 파단 또는 하중의 백분율 감소)이 충족될 때까지 실행됩니다.
완료되면 Bluehill Universal은 인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 탄성 계수 등 방법에 정의된 기계적 특성을 자동으로 계산하여 검토, 내보내기 또는 보고할 준비를 마칩니다.
시편 준비
시편의 기하학적 형상은 시험 대상 재료와 사용되는 시험 방법 또는 표준에 따라 크게 달라집니다. ASTM 및 ISO와 같은 관리 기관은 다양한 재료에 대한 시편 요구 사항을 표준화하여 서로 다른 배치 및 제조업체 간에 특성을 신뢰성 있게 비교할 수 있도록 합니다.
인장 시편은 일반적으로 도그본(dogbone) 모양으로 가공되거나 다이캐스팅됩니다. 이 모양은 시험기의 그립으로 잡을 수 있도록 설계된 '숄더(shoulder)'와 인장 특성이 측정될 '표점 거리(gage length)'를 제공합니다. 이러한 숄더의 치수, 그 사이의 표점 거리, 전체 시편의 길이와 너비는 모두 시험 표준에 의해 규정됩니다.
그립에 시편 삽입
시편에 적합한 그립을 선택하는 것은 정확하고 반복 가능한 결과를 얻는 데 매우 중요합니다. 시편의 치수, 질감 및 재료 유형에 따라 다양한 그립 설계와 조 페이스(jaw face) 표면이 필요할 수 있습니다. 그립은 광범위한 하중 용량으로 제공되며 부드러운 엘라스토머 및 박막에서 고강도 금속 및 복합재에 이르기까지 모든 것을 수용할 수 있도록 고무 코팅, 매끄러운 표면, 톱니 모양 및 기타 표면 유형을 갖추고 있습니다.
적절한 정렬도 똑같이 중요합니다. 시편 삽입 중 정렬 불량은 축을 벗어난 힘을 유발하여 결과를 왜곡하거나 표점 거리가 아닌 그립에서 조기 파손을 일으킬 수 있습니다. 작업자가 시편을 일관되고 정확하게 삽입할 수 있도록 Instron은 매번 올바른 축을 따라 힘이 가해지도록 설계된 다양한 정렬 장치와 고정 장치를 제공합니다.
대량 시험 환경의 경우, 공압 및 유압 그립은 시편 교체 시 수동 조정이 필요하지 않고 버튼 하나로 열고 닫을 수 있어 설정 시간과 작업자 변동성을 크게 줄일 수 있습니다.
변형률 측정 장치
변형(Strain)은 응력 하에서 시편의 변형을 측정한 것이며 대부분의 인장 시험 표준에서 요구하는 재료 특성 분석의 필수적인 부분입니다. 변형을 정확하게 측정하려면 크로스헤드 변위(장비 컴플라이언스 및 그립 안착으로 인해 오차가 발생할 수 있음)에 의존하기보다 전용 측정 장치가 필요합니다.
신율계가 가장 일반적인 솔루션입니다. 클립온 신율계와 같은 접촉식 장치는 고정된 표점 거리에서 시편에 직접 부착되어 시편이 변형됨에 따라 두 접점 사이의 거리 변화를 측정합니다. 이는 시편을 그립에 배치한 후 시험을 시작하기 전에 부착합니다. 매우 얇은 필름, 고연신 엘라스토머 또는 취성 재료와 같이 시편에 장치를 부착하는 것이 실용적이지 않은 응용 분야의 경우, 비접촉식 비디오 신율계가 시편의 마커나 표면 특징을 사용하여 광학적으로 변형을 추적하는 대안을 제공합니다.
시험 시작 및 데이터 기록
시편이 그립에 장착되고 신율계가 부착되면 시작할 준비가 된 것입니다. Bluehill Universal에서 시험 방법을 선택하고 시험 속도, 시편 치수, 파단 감지 또는 최대 하중 제한과 같은 시험 종료 기준을 포함한 주요 파라미터를 구성하십시오.
완료되면 Bluehill Universal은 인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 탄성 계수 등 방법에 정의된 기계적 특성을 자동으로 계산하여 검토, 내보내기 또는 보고할 준비를 마칩니다.
인장 시험 데이터 분석: 응력-변형률 곡선 및 주요 재료 특성 이해
인장 상태에서 재료를 측정하면 기계적 특성에 대한 완전한 프로필이 생성됩니다. 그래프로 그리면 기록된 하중 및 연장 데이터는 시험의 모든 단계에서 재료가 가해진 힘에 어떻게 반응했는지 보여주는 응력-변형률 곡선을 생성합니다. 요구되는 특정 특성은 표준 및 응용 분야에 따라 다르지만, 엔지니어가 찾는 주요 측정값은 극한 인장 강도, 탄성 계수, 항복 강도 및 변형률이며, 각각은 재료가 사용 중에 어떻게 거동할지에 대해 서로 다른 정보를 나타냅니다.
극한 인장 강도
재료에 대해 결정할 수 있는 가장 중요한 특성 중 하나는 극한 인장 강도(UTS)입니다. 이는 시험 중에 시편이 견디는 최대 응력입니다. UTS는 재료가 취성인지, 연성인지 또는 두 가지 특성을 모두 나타내는지에 따라 시편의 파단 강도와 일치할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 때때로 재료가 실험실에서 시험할 때는 연성일 수 있지만, 실제 사용 시 극저온에 노출되면 취성 거동으로 전이될 수 있습니다.
후크의 법칙
대부분의 재료에서 시험의 초기 부분은 가해진 힘 또는 하중과 시편이 나타내는 연신율 사이에 선형 관계를 보입니다. 이 선형 영역에서 선은 응력과 변형률의 비율이 일정한 후크의 법칙으로 정의된 관계를 따릅니다. E는 응력(σ)이 변형률(ε)에 비례하는 이 영역에서 선의 기울기이며 탄성 계수 또는 영률(Young's modulus)이라고 불립니다.
탄성 계수
탄성 계수는 곡선의 초기 선형 영역에만 적용되는 재료의 강성 측정값입니다. 이 선형 영역 내에서는 시편에서 인장 하중을 제거할 수 있으며 재료는 하중이 가해지기 전과 정확히 동일한 상태로 돌아갑니다. 곡선이 더 이상 선형이 아니고 직선 관계에서 벗어나는 지점에서 후크의 법칙은 더 이상 적용되지 않으며 시편에 일부 영구 변형이 발생합니다. 이 지점을 탄성 한계 또는 비례 한계라고 합니다. 인장 시험의 이 지점부터 재료는 하중이나 응력의 추가 증가에 대해 소성 반응을 보입니다. 하중을 제거해도 원래의 응력이 없는 상태로 돌아가지 않습니다.
항복 강도
재료의 항복 강도는 소성 변형이 발생하기 시작하는 재료에 가해진 응력으로 정의됩니다.
오프셋 방법
일부 재료(예: 금속 및 플라스틱)의 경우 선형 탄성 영역에서의 이탈을 쉽게 식별할 수 없습니다. 따라서 재료의 항복 강도를 결정하기 위한 오프셋 방법이 허용됩니다. 이 방법론은 일반적으로 금속의 항복 강도를 측정할 때 적용됩니다. ASTM E8/E8M에 따라 금속을 시험할 때 오프셋은 변형률의 백분율(보통 0.2%)로 지정됩니다. 오프셋 "m"에서 선형 탄성 영역의 선(기울기는 탄성 계수와 동일)을 그었을 때 교차점 "r"에서 결정되는 응력(R)이 오프셋 항복 강도가 됩니다.
대체 계수
일부 재료의 인장 곡선은 매우 잘 정의된 선형 영역을 갖지 않습니다. 이러한 경우 ASTM 표준 E111은 영률뿐만 아니라 재료의 계수를 결정하기 위한 대체 방법을 제공합니다. 이러한 대체 계수는 할선 계수(secant modulus) 및 접선 계수(tangent modulus)입니다.
변형률
또한 인장 시험 중에 시편이 겪는 신장 또는 연신량을 찾을 수 있습니다. 이는 길이 변화에 대한 절대 측정값으로 표현하거나 "변형률(strain)"이라고 불리는 상대 측정값으로 표현할 수 있습니다. 변형률 자체는 "공칭 변형률(engineering strain)"과 "진 변형률(true strain)"의 두 가지 방식으로 표현될 수 있습니다.
공칭 변형률은 아마도 가장 쉽고 가장 흔히 사용되는 변형률 표현일 것입니다. 이는 원래 길이에 대한 길이 변화의 비율입니다.
진 변형률도 비슷하지만 시험이 진행됨에 따라 시편의 순시 길이를 기준으로 합니다. 여기서 Li는 순시 길이이고 L0은 초기 길이입니다.
추가 정보는 인장 시험 및 인장 시험기 FAQ를 참조하십시오.
Instron 인장 시험 장비: 응용 분야에 적합한 시스템, 그립 및 변형 측정 선택
인장 시험기는 0.02 N에서 2,000 kN에 이르는 다양한 크기와 하중 용량으로 제공됩니다. 대부분의 저하중 시험은 전기 기계식 단일 컬럼 또는 이중 컬럼 탁상형 장비에서 수행되는 반면, 고하중 응용 분야에는 플로어 모델 프레임이 필요합니다. Instron의 6800 시리즈 시스템은 최대 300 kN의 용량 범위에서 사용할 수 있으며 인장, 압축, 굽힘, 박리, 인열, 전단, 마찰, 비틀림, 천공 등을 포함한 광범위한 시험 유형을 수행할 수 있습니다. Instron의 산업용 시리즈 서보 유압 시스템은 고강도 금속, 합금 및 고급 복합재의 훨씬 더 높은 용량 시험을 위해 설계되었습니다.
최대 300 kN의 만능 재료 시험 시스템
0.02 N (2 gf) ~ 300 kN의 하중 용량 범위를 갖는 단일 및 이중 컬럼 탁상형 및 플로어형 시험 시스템입니다.
최대 2000 kN의 산업용 만능 재료 시험 시스템
Instron의 산업용 시리즈에는 단일 또는 이중 시험 공간을 갖춘 프레임이 포함되며 하중 용량 범위는 300 kN ~ 2000 kN입니다.
플라스틱, 금속, 복합재, 엘라스토머, 섬유 및 부품 시험용 인장 그립
Pneumatic Side Action Tensile Grip
카탈로그 번호 2712-XXX
가장 인기 있는 인장 그립으로 모든 Instron 만능 재료 시험기의 절반 이상에 설치되어 있습니다. 이 그립은 사용하기 쉽고 매우 다재다능하며 대량 시험에 효율적입니다. 최대 10kN 하중 용량.
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기계식 웨지 액션 그립
카탈로그 번호 2716-XXX
전형적이고 단순하며 견고한 인장 그립 설계입니다. 수동 웨지 액션 그립은 금속, 복합재 및 플라스틱에 적합합니다. 쉬운 시편 장착, 정렬 및 위치 지정을 위해 설계되었습니다. 최대 250kN 하중 용량.
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고급 스크류 사이드 액션 그립
카탈로그 번호 2710-XXX
스크류 액션 그립은 시험 시편을 고정하는 매우 간단하고 효율적인 방법을 제공하며, 생체 의학, 플라스틱 필름, 전자 및 접착 응용 분야에 가장 일반적으로 사용됩니다. 최대 10kN의 하중 용량을 가집니다.
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고급 유압 쐐기형 그립
카탈로그 번호 2742-XXX, 2743-XXX
대부분의 금속 및 복합재 인장 시험 응용 분야에 사용할 수 있는 최고의 그립입니다. 전기 기계식 시스템에 설치하는 경우 유압 그립 펌프가 필요합니다. 최대 500kN 하중 용량.
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공압식 코드 및 원사 그립
카탈로그 번호 2810-410, 2714-XXX
원사, 실, 로프, 코드, 튜브, 봉합사 및 와이어의 인장 시험을 위해 특별히 설계된 그립입니다.
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유압식 웨지 액션 그립
카탈로그 번호 W-52XX, 53XX
Instron의 고용량 정적 유압 만능 재료 시험 시스템용 유압식 웨지 액션 그립입니다. 최대 2,000kN 하중 용량.
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유압식 사이드 액션 그립
카탈로그 번호 W-54XX
유압식 사이드 액팅 DuraSync™ 고용량 그립은 기존 그립 설계보다 향상된 그립 성능, 사용성 및 작업자 안전을 제공합니다. 최대 2,000kN 하중 용량.
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신율계: 변형 측정을 위한 접촉식 및 비접촉식 솔루션
비디오 신율계는 고해상도 디지털 카메라 기술을 사용하여 시편에 부착된 두 마커의 움직임을 추적함으로써 변형을 측정할 수 있는 비접촉식 신율계입니다.
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자동 접촉식 신율계
카탈로그 번호 2665-750
AutoX750은 높은 품질 표준과 안전한 작동 조건을 유지하면서 효율성과 수익을 극대화합니다.
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정적 축방향 클립온 신율계
카탈로그 번호 2630-XXX
Instron의 정적 축방향 클립온 신율계는 변형을 측정하기 위한 빠르고 쉬운 솔루션이며 플라스틱, 금속 및 복합재와 같은 광범위한 재료에 사용하기에 적합합니다.
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금속, 플라스틱, 엘라스토머 등을 위한 인장 시험 표준
대부분의 인장 시험은 ASTM 및 ISO와 같은 표준 기구에서 발행한 확립된 표준에 따라 수행됩니다. 시험 표준은 금속, 플라스틱, 엘라스토머, 섬유 및 복합재와 같은 다양한 유형의 원재료뿐만 아니라 의료 기기, 자동차 부품 및 가전 제품과 같은 완제품에 대해 허용 가능한 시험 파라미터와 결과를 규정합니다. 이러한 표준은 공급망에 들어오는 재료와 제품이 예측 가능한 기계적 특성을 나타내고 예상되는 최종 용도에서 실패할 가능성이 없음을 보장합니다. 제품 실패에 따른 비용 및 안전상의 영향은 아무리 강조해도 지나치지 않으므로, 기업은 제품이 해당 표준을 충족하는지 여부를 쉽게 판단할 수 있도록 설계된 고품질의 정확한 시험 장비에 투자할 것을 권장합니다.
ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892
ASTM E8, ASTM A370 및 ISO 6892는 금속 및 금속 재료의 인장 시험을 위한 주요 표준입니다. 시험 제어 방법은 금속 시험에서 주요 고려 사항이며, 정확한 시험 결과를 얻으려면 크로스헤드 컴플라이언스 및 변형 제어에 대한 철저한 이해가 필요합니다.
다음은 가장 일반적인 국제 시험 표준 중 일부입니다. 이러한 표준 준수는 복잡할 수 있지만, Bluehill Universal® 소프트웨어는 설정 시간을 줄이고 절차 오류 위험을 최소화하도록 설계된 사전 구성된 시험 방법으로 과정을 간소화합니다.
- ASTM A370 | 강철 제품의 기계적 시험을 위한 표준 시험 방법 및 정의
- ASTM A416 | 프리스트레스트 콘크리트용 저이완 7선 강연선 표준 사양
- ASTM A48 | 회주철 주물 표준 사양
- ASTM A746 | 구상흑연주철 중력식 하수관 표준 사양
- ASTM A996 | 콘크리트 보강용 레일강 및 차축강 이형 철근 표준 사양
- ASTM C297 | 샌드위치 구조의 평면 인장 강도 표준 시험 방법
- ASTM D1037 | 목재 기반 섬유 및 입자 패널 재료의 특성 평가를 위한 표준 시험 방법
- ASTM D1414 | 고무 O-링 표준 시험 방법
- ASTM D1708 | 미세 인장 시편을 이용한 플라스틱의 인장 특성 표준 시험 방법
- ASTM D2256 | 단사법에 의한 원사의 인장 특성 표준 시험 방법
- ASTM D3039 | 고분자 매트릭스 복합 재료의 인장 특성 표준 시험 방법
- ASTM D4018 | 연속 필라멘트 탄소 및 흑연 섬유 토우의 특성 표준 시험 방법
- ASTM D412 | 가황 고무 및 열가소성 엘라스토머의 표준 시험 방법—인장
- ASTM D4632 | 지오텍스타일의 그랩 파단 하중 및 연신율 표준 시험 방법
- ASTM D5034 | 직물의 파단 강도 및 연신율 표준 시험 방법(그랩 시험)
- ASTM D5035 | 직물의 파단력 및 연신율 표준 시험 방법(스트립법)
- ASTM D5766 | 고분자 매트릭스 복합 적층판의 오픈 홀 인장 강도 표준 시험 방법
- ASTM D5961 | 고분자 매트릭스 복합 적층판의 베어링 반응 표준 시험 방법
- ASTM D638 | 플라스틱의 인장 특성 표준 시험 방법
- ASTM D7269 | 아라미드 원사의 인장 시험을 위한 표준 시험 방법
- ASTM D882 | 얇은 플라스틱 시트의 인장 특성 표준 시험 방법
- ASTM A416 | 프리스트레스트 콘크리트용 저이완 7선 강연선 표준 사양
- ASTM D885 | 타이어 코드, 타이어 코드 직물 및 산업용 필라멘트 얀 표준 시험 방법
- ASTM F2150 | 고분자 하이드로젤 인장 시험
- ASTM F606 | 패스너, 와셔, 직접 인장 지시기 및 리벳의 인장 시험
- ASTM F2516 | 니켈-티타늄 초탄성 재료의 인장 시험 표준 방법
- ASTM E8 | 금속 재료의 인장 시험 표준 방법