인장시험(Tensile test) 이란?
인장시험(Tensile test)은 재료의 기계적 특성을 알아내기 위한 기본적인 시험입니다. 인장시험은 재료 시편에 힘을 가하여 인장(또는 당김) 응력에 대한 해당 재료의 반응을 측정합니다.
인장시험은 일반적으로 간단하며, 상대적으로 저렴하고 거의 대부분 표준화가 되어있습니다. 인장시험은 재료의 인장강도, 항복점, 연신율, 단면수축률, 등의 기계적인 성질과 탄성한계, 비례한계, 푸아송 비, 탄성계수 등의 물리적인 특성을 알아보는 가장 기본적인 시험입니다.
인장시험은 재료가 가지고 있는 특성의 항복점, 탄성계수, 변형 및 파괴력 등을 측정하기 위한 시험입니다. 인장시험 그래프는 탄성영역와 소성영역으로 크게 구분됩니다.
인장시험 응력-변형률(Stress-Strain) 선도 분석
네킹(Necking)
UTS 점을 지나서 발생하며 시편의 단면에 길이방향으로 불균일하고 잘록한 목
부위가 발생한다. 이후 공칭응력은 점차 감소되다가 목 부위에서 파단된다.
연성
재료의 파단까지 견딜 수 있는 변형의 척도이다. UTS 도달전까지 변형률은 균일하다.
연신율
UTS 도달전의 변형률을 균일변형률, 파단전의 변형률을 연신율이라 한다. 연신율에
관한 자료를 제시하는 경우 표점거리를 함께 명시한다.
단면감소율
연성을 나타내는 두 번째 척도이다.
변형률 속도
금속의 강도가 클수록 감소한다. 속도가 높으면 총 연신량과 네킹 이후 연신율이 증가하지만, 변형경화지수는 감소한다.
잔류응력
불균질변형(보의 굽힘)으로 발생하며, 소재변형 후 외력이 제거되어도 남는다.
인장잔류응력
부품의 피로수명과 파괴강도를 저하시키고, 시간이 경과하면서 응력균열이나 응력부식균열의 원인이 된다.
따라서 풀림을 하거나 소성변형을 추가하여 응력이완작용을 준다. 잔류응력제거 시 발생하는 치수변화의 보상을 위한 가공여유가 필요하다.
압축잔류응력
표면에 발생하는 경우 바람직하므로 제품의 피로수명 향상을 위해 숏피닝이나 표면압연을 행한다
응력-변형률 선도의 변수
1. 유동응력(Flow stress)
주어진 변형률에서 소성변형이 유지될 수 있는 진응력의 값이다. 변형경화재료의 유동응력은 변형률에 비례하여 증가한다.
2. 인성(Toughness)
진응력-진변형률 곡선에서 아래부분의 면적이며, 재료의 파단까지 소산된 단위체적당 에너지를 의미한다.
3. 온도
일반적으로 온도가 증가하면 재료의 연성과 인성은 증가하고, 변형경화지수, 탄성계수, 항복응력, 인장강도는 감소한다.
4. 변형률속도
변형률속도의 증가는 강도를 증가시키며, 온도가 높을수록 효과가 크다. 또한 변형률속도는 변형률의 증가와 비례하며, 재료의 변형경화지수 n의 값에도 영향을 준다. (변형률속도가 증가하면 n은 감소한다)
인장시험 방법
| 단계 | 내용 |
|---|---|
| 1. 표본 준비 | 시험에 사용할 시편을 준비합니다. |
| 2. 인장 시험기 조정 | 인장 시험기를 적절히 조정하여 시험 환경을 설정합니다. |
| 3. 시편 고정 | 시편을 인장 시험기에 안전하게 고정합니다. |
| 4. 확인 및 시운전 | 시험 전 시험기가 올바르게 작동하는지 확인하고 시운전을 진행합니다. |
| 5. 인장 기계 시작 | 시험을 시작하고 시편에 힘을 가하며 인장 시험을 진행합니다. |
| 6. 시험편과 기록지 제거 | 시험이 완료된 후 시험편과 기록지를 제거합니다. |
| 7. 버니어 캘리퍼스로 파손 후 거리 측정 | 파손된 시편의 거리를 버니어 캘리퍼스 등을 사용하여 측정합니다. |
인장시험을 통해 얻을 수 있는 것
항복점, 연신율, 단면 수축률, 횡탄성계수, 인장강도, 극한인장강도(UTS), 포아송비, 표점거리 50mm에서 연신율을 알 수 있습니다.
- 연신율: 시험편이 파단될 때까지의 길이 변화 비율을 나타내는 것으로, 소재의 늘어날 수 있는 능력을 측정합니다.
- 항복점: 소재가 변형되기 시작하는 최초의 점을 의미합니다. 이 지점을 넘어서면 소재는 영구적인 변형을 입게 됩니다.
- 단면 수축률: 시험편이 파단될 때의 최종 단면적과 원래 단면적과의 비율을 나타내며, 소재의 변형 능력을 나타냅니다.
- 횡탄성계수(Young’s modulus): 소재의 탄성을 나타내는 값으로, 응력과 변형률 사이의 비율을 의미합니다.
- 인장강도: 소재가 견딜 수 있는 최대 인장응력을 의미합니다.
- 극한인장강도(Ultimate Tensile Strength, UTS): 소재가 견딜 수 있는 최대 응력으로, 이 값을 넘으면 소재는 파단됩니다.
- 포아송비(Poisson’s ratio): 소재가 인장될 때, 길이 방향으로 늘어나는 것과 폭 방향으로 줄어드는 정도의 비율을 나타냅니다.
- 표점거리 50mm에서의 연신율: 표점거리가 50mm인 시험편을 사용할 때 측정되는 연신율을 의미합니다. 이는 특정 길이를 기준으로 한 소재의 늘어남 정도를 나타냅니다.
인장시험은 재료가 파단이 일어날 때까지 당기게 되면 인장 그래프를 얻을 수 있습니다. 이 그래프는 그 재료가 가해지는 인장력에 대해 어떻게 반응하는 가를 보여주는 것입니다.
하중이 가장 높은 지점의 응력이 그 재료의 인장강도 (Tensile strength)가 되며 최대강도 (Ultimate Strength) 또는 UTS라고 합니다.
인장시험 시편 규격
인장 시험 시편은 KS고시 KSB0801에 규정되어 있습니다. 인장 시험을 할 때는 분석 목적과 재료에 따라 조건과 시편 수를 적절히 선택해야 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.
인장시험 결과에 영향을 미치는 요소
| 영향 요소 | 설명 |
|---|---|
| 기계 상태 | 마모된 그립이나 로드 셀은 부정확한 결과를 생성할 수 있습니다. |
| 시편 정렬 | 하중이 올바른 방향으로 가해지도록 시편을 적절하게 정렬해야 합니다. |
| 하중 및 변위 측정 | 하중 및 변위 측정의 정확도는 인장 시험에서 정확한 결과를 얻는 데 매우 중요합니다. |
마무리
오늘은 인장시험(Tensile Test)의 응력-변형률 선도를 분석해 보았고, 관련 내용을 총정리하였습니다.