Tensile Testing (인장 시험)

인장시험이란 무엇인가?

인장시험은 재료의 기계적 특성을 알아내기 위한 가장 기본적인 시험일 것이다. 인장시험은 일반적으로 간단하며, 상대적으로 저렴하고 거의 대부분 표준화가 되어있다. 재료를 당겨봄으로써 그 재료가 인장력에 대하여 어떤 반응을 보이는 지를 알아내는 것이다. 즉 재료가 당겨질 때 그 재료가 얼마나 강하며 얼마나 잘 늘어나는지를 알아보는 것이다

인장시험은 왜 하는가?

인장시험을 통하여 그 재료의 특성을 잘 알수 있기 때문이다. 재료가 파단이 일어날 때까지 당기게 되면 그림과 같은 인장 그래프를 얻을 수 있다. 이는 그 재료가 가해지는 인장력에 대해 어떻게 반응하는 가를 보여주는 것이다. 하중이 가장 높은 지점의 응력이 그 재료의 인장강도 (Tensile strength)가 되며 최대강도 ("Ultimate Strength") 또는 UTS라고 한다.

훅의 법칙(Hooke's Law)

대부분의 재료의 인장시험에서 시험의 초반부에는 가해진 힘과 연신율과의 관계는 직선적이다. 이러한 직선구간에서는 "훅의 법칙(Hooke's Law)" 라고 알려진 관계를 갖는다. 즉, 응력(Stress)과 연신(Strain)의 비가 일정하며   로 표시된다. E는 연신(strain (ε))에 대해 응력(stress (σ))가 일정하게 비례하는 이 구간의 기울기를 탄성계수"Modulus of Elasticity" 또는 영률 "Young's Modulus"이라고 한다.

탄성계수(Modulus of Elasticity) 

탄성계수는 재료의 강한 정도를 나타내는 값이다. 이 직선 구간에서 시편에 하중을 가하는 경우 이 하중이 제거되면 그 재료는 원래의 위치로 되돌아 오게된다. 이 구간이 더 이상 직선이 되지 않고 벗어나게 되면 훅의 법칙은 더 이상 적용되지 않고 시편에 영구변형이 발생하게 된다. 이 지점을 비례한도 또는 proportional limit라고 한다. 이 지점에서 하중 또는 응력이 더 증가하게 되면 재료는 소성으로 반응하게 된다. 즉 가해진 힘을 제거하여도 원래의 위치로 되돌아 오지 않는다.

항복 강도(Yield Strength)

항복강도(yield strength)는 재료가 힘을 받아 소성변형(plastic deformation)을 일으키는 지점에서의 응력을 말한다.

오프셋 법(Offset Method)

금속이나 플라스틱과 같은 재료에서는 탄성영역의 직선구간을 벗어나는 점을 찾기가 쉽지 않다. 따라서 그 시험 재료의 항복강도를 알아내기 위하여 오프셋 법이 사용되기도 한다. 이 방법은 금속의 경우 ASTM E8에, 플라스틱의 경우 ASTM D638에 설명되어 있다. 오프셋 값은 연신율(% of strain)로 정한다. 예를 들면 금속에서는 대개 0.2%를, 플라스틱에서는 2%가 사용된다. 즉 탄성영역의 직선구간의 접선을 연신축을 따라 0.2% 수평이동하여 이 접선이 만나는 인장곡선에서의 응력값은 0.2% 오프셋 항복점이라고 한다. 이와 같은 방법을 오프셋 방법에 의해 구하는 항복 강도(Yield Strength by the offset method)라고 한다.

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기타 탄성계수 구하는 방법

어떤 재료들의 인장 곡선에서는 직선 구간을 찾기가 쉽지 않다. 이러한 경우 ASTM Standard E111 을 참조하면 영율뿐만 아니라 다양한 방법으로 재료의 탄성계수를 구할 수 있다. 이런 기타 탄성계수로는 시컨트 모듈러스(secant modulus)와 탄젠트 모듈러스(tangent modulus) 등이 있다.

연신(Strain)

또한 인장시험에서는 그 재료가 늘어나는 양을 측정할 수 있다. 이는 길이 변화를 그대로 표현하거나 연신(strain)이라는 변형의 상대적 양을 표현함으로써 표시한다. 연신은 공칭변형(engineering strain) 과 진변형(true strain)의 두가지로 나타낼 수 있다. Engineering strain은 가장 쉽고 보편적으로 사용되는 변형량의 표현이며 초기 표점거리에 대한 길이의 변화로 다음 식과 같이 표시된다.

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반면에 진변형(true strain )은 시험이 진행됨에 따라 표점거리도 연속적으로 변화한다는 개념에서 다음과 같이 표시된다.

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여기서 Li 은 그 순간의 표점거리이고 L0 는 시험 시작 때의 초기 표검거리이다.

최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength)

재료에 대하여 측정할 수 있는 또 한가지 물성은 최대 인장강도(ultimate tensile strength (UTS))이다. 이 값은 시험 중 시편이 유지하는 최대 하중값이다. UTS는 파단 시의 강도와 일치할 수도 일치하지 않을 수도 있다. 이는 취성, 연성(ductile)또는 두가지 성질이 혼합된 경우 등 어떤 형태의 재료를 시험하느냐에 달려 있다. 또한 실험실에서 시험을 할 때는 연성인 재료도 실제 사용되어 아주 낮은 온도에 노출되었을 경우엔 취성 거동을 나타내기도 한다.