소개
엔지니어링에서 재료는 다양한 유형의 하중에 노출됩니다. 재료가 받을 수 있는 하중은 인장, 압축, 굽힘, 전단, 비틀림 등으로 나열할 수 있습니다. 동시에 이러한 하중은 정적 또는 동적으로 다를 수 있습니다. 소재는 이러한 하중 중 하나 이상을 동시에 견뎌야 할 수도 있습니다. 이 경우 어떤 조건에서 어떤 소재를 사용할지 알아야 합니다. 재료를 그룹화하기 위해 특정 하중에서의 반응을 테스트를 통해 관찰하고, 이를 통해 재료의 기계적 특성을 파악합니다.
탄성 속성을 얻기 위한 테스트는 정적 테스트와 동적 테스트로 나눌 수 있습니다. 정적 테스트의 경우, 최대 1Hz의 주파수로 한 번만 일정하게 힘을 가해야 합니다. 이 경우 정적 테스트에서 응력은 일정하고 연신율은 0.25 미만입니다. 정적 테스트는 갑자기 변화하는 하중에 대한 적절한 모델을 형성할 수 없기 때문에 이러한 유형의 하중에는 동적 테스트가 사용됩니다. 동적 테스트에서는 하중이 가변적이며 샘플에 정현파 변형이 적용됩니다. 이러한 테스트는 고온 또는 저온에서도 수행할 수 있습니다. 동적 테스트의 결과로 경도 및 감쇠 정보를 얻을 수 있습니다. 동적 테스트의 하위 분야로 피로 테스트를 검사할 수 있습니다. 하중은 주기적으로 적용됩니다. 이러한 테스트는 인장-당김, 압축-압축 또는 압축-역인장 주기로 수행됩니다. 피로 시험의 결과로 재료의 수명을 결정할 수 있습니다. 피로 강도 및 균열 저항도 피로 시험을 통해 결정됩니다.
인장 테스트
인장 시험은 재료의 강도 특성을 결정하기 위한 엔지니어링에서 가장 일반적인 시험 중 하나입니다. 이 테스트는 등방성 재료의 기계적 특성을 결정하기 위해 수행됩니다. 이 테스트는 기본적으로 같은 방향의 반대쪽 면으로부터 시편에 인장력을 가하고 재료가 부러질 때까지 재료에 가해지는 응력을 모니터링하는 방식으로 진행됩니다. 인장 시험의 결과로 재료의 항복 강도, 최대 인장 강도, 연성, 영 계수, 전단 계수 및 푸아송 비율을 얻을 수 있습니다.
스트레스 - 변형률 곡선
응력 및 변형률 곡선
테스트 중 재료에 가해지는 공칭 인장 응력은 다음과 같습니다:
여기서 F는 인장력이고 A_0은 장력을 받는 단면적입니다. 그리고 스트레인은 다음과 같이 정의됩니다;
여기서 L_0은 시편의 초기 길이이고 Δ_L은 테스트 후 재료의 연신율입니다.
테스트에서 도출된 값으로 응력-변형률 곡선을 얻습니다. 이 곡선은 재료의 파단점, 항복 강도, 최대 인장 강도 및 취성-연성 상태를 나타냅니다. 또 다른 장점은 재료의 치수에 관계없이 정보를 제공한다는 것입니다.
위의 다이어그램은 취성 재료의 응력-변형률 곡선을 보여줍니다.
대부분의 곡선의 경우 초기 부분은 선형입니다. 응력-변형률 곡선의 연신율이 0.2%인 지점에서 곡선의 기울기에 평행한 곡선을 그릴 때 곡선에서 항복 강도 값을 얻을 수 있습니다. 항복 강도를 사용하여 재료가 영구적인 손상 없이 견딜 수 있는 최대 응력을 결정할 수 있습니다. 이 시점까지는 물체가 탄성 영역에 있습니다. 그 이후에는 재료가 플라스틱 영역으로 들어가며, 이 영역에 가해지는 힘으로 인해 영구적인 손상이 발생합니다.
수율 스트레스
항복 강도를 구하기 위해 그리는 가상의 선의 기울기는 중요한 재료 특성인 영의 계수를 제공합니다. 영의 계수는 다음과 같이 구할 수 있습니다:
다음 방정식은 수평 변위와 수직 변위의 비율을 음으로 나눈 푸아송 비율을 나타냅니다:
테스트
인장 시험에 사용된 시편의 단면도는 대부분 그림에 나와 있습니다. 샘플은 시트 또는 원통형으로 만들 수 있습니다.
다양한 재료와 측정 감도 수준에 따라 다양한 클램핑 유형을 사용할 수 있습니다. 각 바인딩 방법에는 고유한 장단점이 있습니다.
압축 테스트
압축 테스트는 압축 또는 분쇄 시 재료가 어떻게 작동하는지를 보여줍니다. 이 테스트는 일반적으로 물질이 분해될 때까지 또는 미리 정해진 한계에 도달할 때까지 지속됩니다. 따라서 재료가 찢어지기 전에 견딜 수 있는 하중과 이 시점까지의 열화 정도를 계산합니다. 재료를 테스트하기 위해 재료를 가열하거나 냉각하고 여러 방향의 압축력을 가하는 경우가 많습니다. 그러나 다양한 설정에서 테스트를 수행할 수 있습니다.
인장 강도가 높은 소재는 일반적으로 압축 강도가 낮습니다. 이러한 이유로 이러한 재료는 압축 테스트를 통해 검사합니다. 압축 테스트를 가장 많이 수행하는 재료는 일반적으로 복합 재료, 콘크리트, 목재, 금속 및 벽돌 재료, 폴리머, 플라스틱 및 폼과 같은 부서지기 쉬운 재료입니다.
압축 테스트의 결과로 힘-변형률 곡선을 얻습니다. 그런 다음 힘을 응력으로 변환하여 응력-변형률 곡선을 만듭니다. 이 곡선은 인장 테스트의 응력-변형률 곡선과 매우 유사합니다. 축만 단축을 나타내는 방향에 있습니다.
압축 응력 - % 압축 변형
인장 테스트의 계산은 압축 테스트에도 유효합니다. 압축 응력은 다음과 같이 표현됩니다;
크러싱
분쇄는 테스트 중에 재료가 얼마나 단축되었는지를 표현하는 데 사용됩니다.
분쇄를 표현하세요.
부기
팽창은 테스트 중인 재료의 단면이 커지는 것을 말합니다. 연성 소재는 부풀어 오르기 쉽습니다. 공식화됩니다:
테스트
부서지기 쉬운 재료는 일반적으로 압축 테스트의 대상입니다. 뻣뻣한 폼의 압축 특성은 ISO 844에서 표준의 예로 제공됩니다. 이 표준에는 단면적 값과 형태, 온도-습도 값, 예상되는 샘플 결과가 명시되어 있습니다. 응력은 kPa 단위로 명시되어 있습니다.
표준의 압축 탄성값은 다음과 같습니다:
여기서 σ_e는 기존 탄성 영역 끝의 힘, h_0은 재료의 초기 두께, x_e는 응력을 발생시키는 힘이 이동하는 경로입니다.
다음은 압축 테스트를 위해 개발된 몇 가지 표준입니다:
ASTM D575-91 - 압축 시 고무 특성에 대한 표준 시험 방법
ASTM E9-19 - 상온에서 금속 재료의 압축 시험 표준 시험 방법
TS EN ISO 14126 - 섬유 강화 플라스틱 복합재 - 평면 방향의 압축 특성 결정
기술 설명
인장 및 압축 조건에서 시료의 기계적 거동을 평가하여 부품 설계 및 서비스 성능 평가에 중요한 기본 재료 특성 데이터를 제공할 수 있습니다. 인장 및 압축 강도 값에 대한 요구 사항과 이러한 특성을 테스트하는 방법은 다양한 재료에 대한 다양한 표준에 명시되어 있습니다. 테스트는 가공된 재료 샘플 또는 실제 구성 요소의 실물 크기 또는 축소 모형에서 수행할 수 있습니다. 이러한 테스트는 일반적으로 범용 기계 테스트 장비를 사용하여 수행됩니다.
인장 시험은 축방향 인장 하중 하에서 재료의 거동을 결정하는 방법입니다. 시험은 시편을 시험 장치에 고정시킨 다음 시험기 크로스헤드를 분리하여 시편에 힘을 가하는 방식으로 진행됩니다. 테스트 시편의 변형률을 제어하기 위해 크로스헤드 속도를 변경할 수 있습니다. 테스트 데이터는 인장 강도, 항복 강도 및 탄성 계수를 결정하는 데 사용됩니다. 또한 테스트 후 시편 치수를 측정하면 재료의 연성을 특성화하기 위한 면적 및 연신율 값을 얻을 수 있습니다. 인장 시험은 금속, 플라스틱, 섬유, 접착제 및 고무를 포함한 다양한 재료에 대해 수행할 수 있습니다. 테스트는 주변 온도 이하 및 고온에서 수행할 수 있습니다.
압축 시험은 압축 하중 하에서 재료의 거동을 결정하는 방법입니다. 압축 시험은 두 개의 플레이트 사이에 시험편을 넣은 다음 크로스헤드를 함께 움직여 시험편에 힘을 가하는 방식으로 진행됩니다. 테스트가 진행되는 동안 시편이 압축되고 적용된 하중 대비 변형이 기록됩니다. 압축 시험은 탄성 한계, 비례 한계, 항복점, 항복 강도 및 (일부 재료의 경우) 압축 강도를 결정하는 데 사용됩니다.
분석 정보
압축 강도 - 압축 강도는 재료가 파단 없이 견딜 수 있는 최대 압축 응력입니다. 취성 재료는 테스트 중에 파단되며 압축 강도 값이 정해져 있습니다. 연성 재료의 압축 강도는 테스트 중 뒤틀림 정도에 따라 결정됩니다.
탄력적 제한 - 탄성 한계는 응력을 제거한 후 재료가 영구적인 변형 없이 견딜 수 있는 최대 응력입니다.
신장 - 연신율은 인장 시험에서 파단된 시편이 영구적으로 연장되는 양을 말합니다.
탄력성 모듈 - 탄성 계수는 응력(비례 한계 이하)과 변형률의 비율, 즉 응력-변형률 곡선의 기울기입니다. 금속의 강성 또는 강성의 척도로 간주됩니다.
비례 제한 - 비례 한계는 응력-변형률 곡선의 선형 관계에서 벗어나지 않고, 즉 소성 변형이 발생하지 않고 재료가 도달할 수 있는 최대 응력량입니다.
면적 감소 - 면적 감소는 인장 시편의 원래 단면적과 시험 후 골절 후 가장 작은 면적의 차이입니다.
스트레인 - 변형률은 힘에 의해 재료의 크기나 모양이 변화하는 정도를 말합니다.
수익률 포인트 - 항복점은 응력의 증가 없이 변형률의 증가가 발생하는 재료의 응력(일반적으로 도달 가능한 최대 응력보다 낮음)을 말합니다. 특정 금속에만 항복점이 있습니다.
수율 강도 - 항복 강도는 재료가 선형 응력-변형률 관계에서 지정된 편차를 나타내는 응력입니다. 금속의 경우 0.2%의 오프셋이 자주 사용됩니다.
궁극의 인장 강도 - 최대 인장 강도 또는 UTS는 재료가 파단 없이 견딜 수 있는 최대 인장 응력입니다. 인장 시험 중에 가해진 최대 하중을 시료의 원래 단면적으로 나누어 계산합니다.
일반적인 애플리케이션
인장 및 압축 제품 사양과 비교하기 위한 원재료의 특성
원하는 기계적 거동 및 서비스 성능을 위한 유한 요소 모델링 또는 기타 제품 설계를 위한 재료 특성 데이터 확보
서비스 중 구성 요소의 기계적 성능 시뮬레이션
샘플 요구 사항
금속 및 플라스틱에 대한 표준 인장 시험은 특별히 준비된 시험 시편으로 수행됩니다. 이러한 시편은 가공된 원통형 시편 또는 평판 시편(도그본)이 될 수 있습니다. 테스트 샘플은 반복 가능한 결과를 생성하고 표준을 준수하기 위해 테스트 영역(게이지)에서 길이 대 너비 또는 직경의 특정 비율을 가져야 합니다. 테스트 방법 요구 사항. 관형 제품, 섬유 및 전선은 최적의 그립 및 고장 위치를 촉진하는 특수 고정 장치를 사용하여 전체 크기로 인장 테스트를 수행할 수 있습니다.
압축 테스트에 사용되는 가장 일반적인 시편은 끝이 평평한 오른쪽 원형 원통입니다. 다른 모양을 사용할 수도 있지만 좌굴을 방지하기 위해 특별한 고정 장치가 필요합니다. 구성 요소 테스트 또는 서비스 시뮬레이션을 위한 특수 구성은 사용할 특정 테스트 기계에 따라 다릅니다.
인장 테스트와 압축 테스트 장비의 차이점
인장 시험의 경우, 시험기는 인장 하중 또는 힘을 가하여 인장 시험 시료를 분리합니다. 플라스틱 인장 시험의 경우, 인장 강도와 강성 및 항복 강도를 포함한 기타 특성을 측정하기 위해 테스트 샘플을 분리합니다. 플라스틱 인장 시험의 합의된 방법을 제공하는 몇 가지 일반적인 업계 표준이 있습니다. ASTM D638과 ISO 527-2는 모두 유사하지만 표준화된 테스트 샘플 형상과 치수가 다릅니다. 이러한 테스트에는 시료를 잡고 테스트 과정에서 시료가 얇아질 때 조정할 수 있는 인장 그립이 필요합니다. 이러한 액세서리는 압축 고정 장치와는 다릅니다.
압축 시험에서 시험기는 시험 시료가 부러지거나 찌그러질 때까지 밀거나 압축하는 하중 또는 힘을 가하여 시험 시료를 찌그러뜨립니다. 폴리머 구조 폼 재료의 압축 테스트는 다음과 같이 적용됩니다. ASTM D1621 는 사용되는 압축 플레이트와 편향계 유형을 지정합니다. 테스트 샘플은 세포 구조가 실패하거나 파열될 때까지 압축 테스트 플래튼 사이에 놓입니다.
범용 테스트 기계는 인장 및 압축 테스트 중 하나 또는 둘 다를 수행할 수 있습니다. 크로스헤드는 베이스 플레이트와 움직이는 헤드 사이에 있는 테스트 샘플을 당기거나 압축하는 데 사용할 수 있습니다.
인장 테스트 고정구 또는 그립과 스트레인 센서(신장계라고도 함)는 압축 테스트를 수행할 수 없습니다. 또한 인장 그립은 정확한 테스트 시편 형상과 치수를 커버하기 위해 특별히 맞춤 제작됩니다. 압축 테스트 플래튼과 편향계도 압축 테스트만 수행할 수 있으므로 이 경우 두 가지 액세서리 세트가 모두 필요합니다.
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