인장 시험

 

인장시험이란? 

 인장시험이란 물성 시험 기계로 시험편의 양쪽 끝을 잡고 끊어질때까지 당기는 시험으로 제품의 재질이 얼마나 강하고 얼마나 잘 늘어나는지를 파악하는 기계적 특성을 알아내기 위한 대표적인 시험입니다. 인장시험으로 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면수축율 등의 정보를 얻을 수 있습니다. 용어부터 짚어나가며 살펴보겠습니다.

인장력

 먼저, 인장력(Tensile Stress ·引張力)은 물체를 잡아당겨 물체를 늘어나게 하는 힘입니다. 비슷한 말로

인장 강도(Tensile Strength)는 잡아당겨서 끊어지기까지 견딘 최대의 저항하는 힘(응력)으로 인장력이라고도 합니다.

인장력 Tensile Stress

 

 

시험편

 인장력을 알아보기 위해 제품을 직접 힘을가해 파손시킬 수 없기 때문에 제품과 시험편이라고 하는 같은 재료로 만들어진 시험용 소편(小片)을 이용합니다. 시험편을 Test specimen, Specimen,Test Piece 등 영어로 다양하게 쓰이고 있고, 일본어로 試驗片(しけんへん)이라고 합니다. 시험편의 모양은 재질에 따라 1~12호 12가지 종류는 각각 형상(모양), 치수, 용도에 따라 규정되어 있습니다.

출저 :labtesting.com

출저: researchgate.net

 

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 시험 종류에는 인열시험, 평판 시험, 환봉 시험, 파이프 시험, 박리 시험 등이 있습니다. 그 중 대표적으로 사용 되는 시편은 환봉 시험입니다.

환봉 시험

환봉시험편_출저:대경테크

 

봉처럼 생긴 모양의 시험편을 봉상 또는 환봉이라고 합니다.

비철 금속의 경우 환봉시험 4호를 사용하며 지름 D 14㎜ 표점거리 L 의 길이는 50㎜로 가공한 시험편을 사용합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

판재 시험

판형시험편_출저 :대경테크

 

납작한 판처럼 생긴 모양의 시험편을 판상 또는 판재라고 합니다.

비철 금속의 경우 판재 시험 5호를 사용하며 폭W 25㎜ 표점거리L 의 길이는 50㎜로 가공한 시험편을 사용합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

환봉 시험 4호와 판재 시험 5호의 규격

환봉 시험 4호와 판재 시험 5호의 규격

D - 지름(Diameter) : 평행부의 지름을 가리킵니다.

L - 표점 거리(Gauge Length) : 시험편 평행부에 정한 두 기준점(표점) 사이의 거리입니다.

P - 평행부의 길이(Parallel Length) : 시험편의 중앙부 동일한 단면을 갖는 부분입니다.

R- 어깨부의 반지름(Radious of Shoulders) : 평행부와 시험편의 물림 장치에 물리는 끝부분 사이에 원호부분의 반지름입니다.

W- 폭(Width) : 평행부의 너비를 가리킵니다.

 

인장 시험기

인장 시험을 통해 기계적 특성을 알어내가 위해 아래와 같은 기계를 사용합니다.

 

 

물성 시험기 (오른쪽:유압식)_출저: 대경테크

 

인장 시험의 목적

 

 응력-변형률 선도 그래프를 통해 하중이 가장 높은 지점의 응력(인장 강도)과 최대 강도를 통해 재질의 특성을 파악할 수 있습니다. 그리고 이를 바탕으로 기초적인 설계 정보를 제공하는데 이용되고 있습니다. 

 

시험 방법 및 절차

장비

인장 시험기, 버니어 캘리퍼스(노기스)

시험 준비

1. 시험편 채취 :  보통, 동일한 제품의 1차지(Charge)에 1개의 시험편을 준비합니다. 고객 요청사항마다 요구하는 시험편의 개수가 달라질 수 있습니다.
2. 시험편 준비 : 시험편 가공 시 형상(모양)을 정합니다. 예를 들어 판형 또는 환봉형으로 할 것인지 표점 거리(G.L-Gauge Length)를 결정합니다. 시험 편의 형상에 따라 강도 차이보다는 표점거리의 차이로 연신율에 상당한 차이를 나타내기 때문입니다.
3. 시험편 제작 : 가공 업체에 가공을 맡겨 시험편을 준비합니다.

Y- block

Y-block은 시험편 제작을 위한 재료로 제품을 주입할때 함께 부어 만든것 입니다. Y자 모양의 block 형태 입니다.

Y-block 출저:  ASTM A536 − 84

 

 

<제품에 달려있는 Y-block 모습>

 

 

용접 시험의 인장 시험용 시험편을 채취하기 위한 Y-block의 경우 그 규격과 치수가 정해져있기 때문에 따로 살펴 보아야 합니다. 용접 부분에서 따로 자세히 다루겠습니다.

 

시험 절차

1. 컴퓨터 전원과 Pump(기계)전원을 킨다.
2. 프로그램을 및 하중 범위를 설정한다.
3. 시험편을 버니어 캘리퍼스로 측정하여 표점 거리와 규격 치수를 확인한다.
4. 착색 페인트로 시험편의 평행 부위를 칠한 후 물림 장치에 고정한다.
5. 영점 조정을 확인한다.
6. 신율계를 위치시킨다.
7. 시작 버튼을 눌러 시험을 시작한다.
8. 신율계를 제거한다.
9. 시험편 파단 후 파단 하중을 읽는다.
10. 시험편의 파단면을 버니어캘리퍼스로 최소 직경을 측정한다.
11. 컴퓨터에 기록하여 결과치를 구한다.

응력-변형도(Stress-Strain curve)

 

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Tensile Test Steel 출저: mtu.edu

 

위와 같은 절차로 실험을 진행하면 계산식을 통해 결괏값을 변형과 하중의 관계 그래프로 나타납니다. 아래와 같은 그래프를 응력-변형률선도 또는 응력-변형률 곡선이라고 합니다.

응력-변형률선도

 

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그래프의 내용을 파악하기 앞서 용어부터 짚어보도록 하겠습니다. 용어설명과 그래프를 번갈아 보며 이해하시면 쉽게 파악할 수 있습니다.

 

 인장 시험 그래프(응력-변형률선도)는 크게 탄성 영역과 소성영역으로 구분됩니다. 탄성은 고무줄을 떠올리며 쉽게 의미를이해하지만 소성이라는 단어는 조금 생소하게 느끼시는 분들이 많으실 것 같습니다. 그렇기 때문에 탄성과 소성의 의미를 함께 살펴보겠습니다.

 

탄성, 소성 구간

탄성 (Elasticity)

 힘을 가했을 때 다시 원형으로 복구되는 성질입니다. 눌렀다가 떼어도 그대로 모양을 유지하는 용수철, 고무밴드, 스펀지 등의 상태를 예로 들 수 있습니다.

 응력-변형률 그래프에서 탄성 구간은 하중을 제거했을때 시험편의 원래 길이로 회복하는 구간을 말합니다.

출저: Infinity Learn NEET

 

 

소성 (Plasticity)

 탄성 영역을 넘는 힘을 가했을 때 다시 원형으로 복구되지 않고 변형되는 성질입니다. 랩 또는 심하게 늘려버려서 복구가 어려운 용수철의 상태를 말합니다.

 응력-변형률 그래프에서 소성구간은 탄성 영역 이상으로 힘이 가해지면 하중을 제거해도 원래의 길이로 회복하지 못하는 구간입니다. 이 구간을 지나 더욱 힘을 가하면 파괴됩니다.

출저: Infinity Learn NEET

 

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응력(Stress)

작용하는 영역의 힘으로 N/㎟ 으로 표시되며 미터법 단위는 kPa 또는 MPa입니다. 즉, 시험편을 양쪽으로 당기는 힘을 가리킵니다.

 

변형률(Strain)

시편의 치수 변화율입니다. 응력의 변화율로 단위가 없습니다.

 

탄성계수(Elastic modulus)

인장응력과 변형률 곡선에서 탄성 영역에 해당하는 직선 부분의 기울기를 뜻하며 영률이라고도 합니다. 탄성계수가 크면 큰 응력에 작은 변형률을 가진 물질, 작으면 작은 응력에도 큰 변형률을 가지는 약한 물질로 볼 수 있습니다.

 

탄성 변형 단계에서 응력과 변형률은 Hooke의 법칙 (σ = Eε), 즉 탄성 계수라고 하는 스케일 계수와 함께 서로 비례합니다.

 

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응력-변형 단계

수율 (Yield strength)

 응력이 탄성한계에 도달하면 소성 변형이 급격히 증가하고 작은 변동 곡선이 나타납니다. 이를 수율이라고 합니다.

수율 단계에서 최대 응력 지점을 상항복점, 최소 응력 지점을 하항복점이라고 합니다. 이 지점을 지나게 되면 원래 모양으로 돌아갈 수 없기 때문에  재질의 저항 지표로 사용되고 항복점이라고 합니다.

↓

강화(Strain hardning)

강화 단계는 항복점을 넘은 변형으로 저항이 증대되는 현상입니다. 시험편의 형상(모양)에 변형이 생기며 물체 저항이 커지는 동시에 재질의 강도는 증가합니다.

↓

네킹 (Necking)

네킹 단계는 극한 점에 도달했을 때 시험편에서 취약한 부분의 지름이 줄어드는 현상으로 재질의 강도가 감소하게 되고 변형이 증가해 파괴되는 현상이 일어납니다.

 

 

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인장 시험 결과항목

항복점 (Yield point)

 원래의 모양대로 돌아가는 성질 이상의 힘이 가해져 시험편이 포기하고 항복(降伏)하는 지점을 항복점이라고 합니다.

 

항복 강도 (Yield strength)

 소성 변형이 일어날때 한계 응력을 말합니다. 성적서 작성할시 기계적 성질(물성치)을 평가를 위한 필수 항목으로 규격 사항과 결과값을 기재합니다. 

 

인장강도 (Tensile strength)

 재료의 강도를 나타내는 힘으로 인장강도는 극한강도(Ultimate strength)라고도 합니다. 시험편이 파단될때까지의 최대 하중을 시험 하기전 측정한 시험편의 초기 단면적 나눈 값입니다.

 

연신율 (Elongation)

 연신(延伸率)은 늘어난 비율을 뜻하는 말로 시험편의 파단 후에 변형량(%)과 시험편의 표점거리가 얼마나 늘어났는지(연신율%)를 산출한 값입니다.

 

파단강도 (Breaking strength)

 시험편을 파단시키기 되기까지 요구되는 최대의 힘(또는 하중)을 말하며 최대 하중을 시험 전의 시험편의 평행부 단면적으로 나눈 값입니다.

 

단면수축률 (Reduction of area)

 시험편의 파단 후 파단부위의 수축된 단면적이 시험 전의 평행부의 단면적보다 얼마나 수축되었는지(%)를 산출한 값입니다.

 

결괏값 계산공식

인장 시험의 결괏값과 강도에 영향을 미치는 다양한 요인 있어 주의가 필요합니다.

인장 시험 계산공식

 

주의점

인장 시험의 결괏값과 강도에 영향을 미치는 다양한 요인이 있기 때문에 시험 전, 주의가 필요합니다. 주의 사항은 대표적으로 다음과 같습니다.

1. 시험편 채취를 위한 열처리와 절단 가공을 할 때 기계적 성질에 영향을 받지 않도록 주의합니다.
2. 시험편을 가공하기 전에 시험하고자하는 인장시험편의 규격을 확인하고 치수에 맞게 정확히 가공합니다.
3. 시험 전 시험편을 측정하는 치수 측정 기계 (버니어캘리퍼스)의 검교정을 필수적으로 확인하여 측정합니다.
4. 시험 전 인장시험기 장비를 검교정을 1년마다 정기적으로 실시하고 검교정 성적서 서류를 확인하고 보관을 철저히 합니다.
5. 시험 환경 온도 
6. 시편 치수 측정 방법이 정확하지 않거나, 인위적으로 큰 치수, 어림잡아 하는 경우 오류가 발생 할 수 있습니다.

 

참고출저: TESTEX