ASTM D638 - 플라스틱 인장 시험에 대한 확실한 가이드

ASTM D638에 따른 플라스틱의 인장 강도 시험 방법

저자 Erica Lawrence

ASTM D638은 강화 및 비강화 플라스틱의 인장 특성을 결정하기 위한 가장 일반적인 시험 표준입니다. 사상 최고의 플라스틱 사용으로 인해, 제조업체가 재료의 기계적 강도를 적절히 측정할 수 있어야 하는것에 대한 중요도가 높아졌습니다. 이 가이드는 ASTM D638 시험의 필요한 기본 요소, 장비, 소프트웨어 및 필요로 하는 샘플을 소개하기 위해 고안되었습니다. ASTM D638 시험을 수행하려는 분들은 이 가이드를 표준 전체 내용을 대체할 수 있는 충분한 자료로 간주하지 않으시기 바랍니다.

ASTM D638 플라스틱 인장 속성

무엇을 측정합니까?

ASTM D638은 샘플 시편에 인장력을 가하고, 응력 하에서 시편의 다양한 특성을 측정하는것으로 수행됩니다. 이는 만능재료시험기(인장 시험기라고도 함)에서 시편이 파손(항복 또는 파단)될 때까지 1~500 mm/분 범위의 인장 속도로 수행됩니다. ASTM D638은 다양한 인장 특성을 측정하며 가장 일반적인 특성은 다음과 같습니다.

  • 인장 강도 – 플라스틱이 항복하거나 파단하기까지 가할 수 있는 힘의 양입니다.
  • 인장 영률 – 재료의 항복이 일어나기 전에 응력에 따라 변형(신축)할 수 있는 정도입니다. 영률은 재료의 강성을 측정합니다.
  • 신율 – 파단 후의 표점 거리 증가량을 원래의 표점 거리로 나눈 값입니다. 신율이 클수록 연성이 높습니다.
  • 푸아송비 - 재료가 얼마나 멀리 늘어나는지와 늘어나는 과정에서 얼마나 얇아지는지 간의 관계를 측정합니다.

ASTM D638은 귀하에게 적합한 표준입니까?

다양한 종류의 플라스틱에 대해 다양한 시험 방법이 있습니다. ASTM D638은 두께가 1.00 mm~14 mm 사이의 경질 플라스틱 샘플에만 적용됩니다. 샘플 두께가 1.00 mm 미만인 시트 또는 필름인 경우 ASTM D882를 참조하십시오. 엘라스토머를 시험하는 경우 ASTM D412를 참조하십시오. 이러한 방법 등은 Bluehill® Universal의 응용 모듈(Applications Module)에서 찾을 수 있습니다. 이 모듈은 가장 널리 사용되는 ASTM 및 ISO 표준에 대한 사전 구성된 시험 템플릿입니다.

 Bluehill Universal 프리셋 메소드 메뉴

시편 유형

ASTM D638에는 시편의 두께와 사용 가능한 재료의 양에 따라 크기가 다른 5가지의 허용 가능 시편 유형이 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 Type I 시편은 두께가 3.2 mm이며, 일반적으로 사출 성형으로 생성됩니다. Type I 시편은 전체 길이가 165 mm이고 폭은 13 mm이며, 표점 거리가 50 mm입니다. 판형 시편은 일반적으로 "Dogbone형" 또는 "아령형"으로 성형, 다이 컷 또는 기계 가공되며 이는 클램핑 영역이 아닌 시편의 중앙에서 파단이 발생하도록 합니다. 판형 시편 외에도, ASTM D638은 경질 튜브 및 봉에 대한 시험도 가능하며, 두 가지 모두 Dogbone형으로 가공해야 합니다.

 ASTM D638 dogbone형 시편

제한되어 있는 재료의 경우 많은 실험실에서 Type IV 또는 Type V 시편을 사용할 것입니다. Type IV 시편에 필요한 치수는 ASTM D412 다이 컷 C에서 요구되는 치수와 동일합니다. 즉, 동일한 다이 컷을 사용할 수 있습니다. Type V 시편은 가장 작고 표점 거리가 0.3인치에 불과합니다.

Bluehill Universal에 시편 속성 입력

시편 측정

모든 시편은 ASTM D5947에 준하여 시험하기 전에 측정해야 합니다. 가장 일반적인 마이크로미터는 이러한 측정을 수행하는 데 적합해야 합니다. 시험 장비가 단순 힘 측정만이 아닌 응력 측정을 표시하기 위해 작업자는 시편의 단면적(또는 두께 및 폭)을 입력하도록 요청받습니다. 왜냐하면 응력 = 힘/단면적(표시 단위: Psi, Pa, kPa, GPa 등)이기 때문입니다.

다이 컷 또는 기계 가공된 샘플은 개별적으로 측정해야 하지만, 사출 성형된 시편을 사용하는 작업자는 해당 샘플 로트의 변형이 1% 미만인 것으로 입증된 경우 샘플 로트에서 단일 샘플만 측정하면 됩니다. 사출 성형된 시편은 완벽하게 정사각형이 아닌 구배 각도로 생성되는 경우가 많으며, 이는 시편을 측정할 때 반드시 고려되어야 할 사항이 있습니다. 항상 구배 각도의 중심에서 폭 측정을 수행하여야 합니다.

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Bluehill Universal의 자동 시편 측정 장치(Automatic Specimen Measuring Device) 기능을 통해 작업자는 최대 두 대의 마이크로미터 또는 측정 장치를 컴퓨터에 연결하고, 데이터를 소프트웨어에 자동으로 입력할 수 있습니다. 이를 통해 오류 입력의 가능성을 없애고 효율성을 높일 수 있습니다.

재료 시험 장비

대부분의 ASTM D638 시험은 테이블형 만능 재료 시험기에서 수행됩니다. 5 kN 또는 10 kN(1125 또는 2250 lbf) 장비가 가장 일반적이지만, 강화 플라스틱 및 복합 재료의 강도가 증가함에 따라 30 kN 또는 50 kN 같은 고용량 장비가 필요할 수 있습니다.

Instron 5960 시리즈 만능재료시험기와  Instron 3360 시리즈 만능재료시험기

그립

시편을 인장 시험기 내부에 단단히 고정시키는 것이 중요합니다. 톱니형 죠 페이스가 있는 측면 작동 공압 그립은 일반적인 경질 플라스틱을 고정하는 데 가장 이상적으로 사용됩니다. 공압 그립의 경우 그립 힘은 공기 압력에 의해 유지되며, 이는 시험 도중 시편 두께가 크게 변하더라도 일정하게 유지됩니다. 10 kN을 초과하는 힘이 측정되는 강화재료의 경우, 일반적으로 수동 웨지 그립이 사용됩니다.

만능재료시험기의 그립, 죠 페이스 및 시편 정렬 장치를 나타내는 다이어그램

시편 정렬

올바른 시험하기 위해 시편은 죠 페이스에 수직으로 고정되어야 하며 기울여지지 않은 각도로 채결 되어야합니다. 시편의 오정렬은 결과에 큰 변화를 일으킬 수 있으며, 각 시험마다 시편이 일관성 있게 정렬되도록 적절한 주의를 기울여야 합니다.

잘 정렬된 시편과 그렇지 않은 시편의 차이점

오정렬을 해결하는 한 가지 방법은 시편과 폭이 최대한 가까운 죠 페이스를 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 시각적으로 정렬을 조정하기가 비교적 쉬워집니다. 그러나, 오정렬을 방지하는 가장 쉬운 방법은 그립 본체에 직접 장착되는 시편 정렬 장치를 사용하는 것입니다. 정지 지점을 조정할 수 있는 간단한 바를 통해 작업자가 시편이 올바르게 정렬되었음을 쉽게 알 수 있습니다.

시험을 수행하려는 준비 중에 그립을 통한 압축하중이 플라스틱 시편에 가해 지기도 합니다. 비록 극미하긴 하지만 이러한 오차를 제대로 처리하지 않으면 시험 결과를 방해할 수 있습니다. 시편을 삽입한 후에 균형이 맞는지 확인해야 합니다. 균형이 맞지 않으면 결과에 오프셋이 생기기 때문입니다. Bluehill Universal 소프트웨어는 여러 시편에 걸리는 힘을 표준화하고 슬랙 또는 압축하중을 제거하도록 프로그래밍할 수 있어 시편 간의 일관된 결과를 보장합니다. 5900 시리즈 만능재료시험기에서 시편 보호 기능(Specimen Protect) 사용을 권장합니다. 이는 시험 조작 한계가 정의되기 전에 시험의 설정 단계에서 시편이나 장비의 손상을 방지하도록 설계된 기능입니다. 이 기능을 켜면 시편 보호 기능이 자동으로 크로스헤드를 조정하여 원치 않는 힘을 일정한 한계미만으로 유지합니다.

이 동영상을 시청하여 시편 보호 기능에 대해 자세히 알아보십시오.

인장 시험을 위한 신율계

탄성 계수 - 시편이 인장력에 따라 늘어나거나 변형되는 양으로, ASTM D638 플라스틱 인장 시험으로 수집되는 가장 중요한 데이터 유형 중 하나입니다. 사용자는 이 데이터를 수집하기 위해 적절한 변형률 측정 장치, 즉 신율계가 필요합니다. 영률 측정용 신율계는 ASTM E83 Class B-2 등급을 만족해야 합니다.

실험실의 필요에 따라 몇 가지 신율계 옵션을 사용할 수 있습니다. 가장 간단한 유형은 표점 거리가 고정되어 있는 2630 시리즈 클립 온 신율계입니다. 작업자는 각 시험 시작 시, 시편에 직접 클립으로 고정해야 하며, 시편이 항복한 후 또는 파단하기 전에 이를 제거해야 합니다.

 단축, 이축 신율계

AutoX750은 시험 작업자의 개입 없이 시편에 자동으로 부착되는 신율계입니다. 이는 작업 처리량이 많은 실험실에서 유용합니다. 왜냐하면 작업자가 시간을 들여 수동으로 조작해야 할 필요가 없으며, 많은 수의 시편에 대해 일관된 신율계 배치 안내도 제공되기 때문입니다. 일관된 배치로 인해 더 반복적인 영률 값을 측정할 수 있습니다. ASTM D790과 같은 다른 표준을 시험할 경우, 자동 신율계 하나의 단일 장치로 다양한 표점 거리를 사용할 수 있는 유연성도 제공합니다.

자동신율계

때때로, 플라스틱 시험은 최종 비상온 조건에서 측정되도록 셋팅되어져 있습니다. 이러한 최종상태에 대한 응용 분야를 시뮬레이션하기 위해 ASTM D638은 가열 또는 냉각 기능(LN2 또는 CO2)이 사용될 수 있는 온도 챔버 내에서 수행됩니다. 이 경우, 비접촉식 비디오 신율계(AVE2)가 권장 됩니다. AVE 2는 시험 작업자가 챔버를 여닫지 않고, 시험 중 온도변동의 유발 없이 영률 데이터를 수집할 수 있게 합니다.

온도챔버와 자동 비디오 신율계를 부착한 만능재료시험기 

푸아송비를 시험할 경우, 시편의 탄성 영역 전체의 폭 변화를 측정하기 위해 폭방향 신율계도 추가되어야 합니다. 독립형 폭방향 신율계를 사용하여 기존의 클립 온 또는 자동 신율계를 보완하거나 2축 장치를 사용하여 축 방향 및 횡 방향 변형률 모두를 측정할 수 있습니다.

단축,이축 신율계를 부착한 만능재료시험기의 플라스틱 시편

계산 및 결과

시험 결과를 제시할 때 표준 준수사항을 보장하며, 다양한 실험실 간의 데이터 비교를 수월하게 하기 위해 용어가 올바르게 정의되었는지를 확인하는 것이 중요합니다.

Bluehill Universal 시험 계산 화면

변형 측정

데이터 처리 시 가장 흔히 저지르는 실수는 잘못된 신율값(크로스헤드 대신 신율계)을 사용하여 스트레인 값을 보고해 결과가 크게 달라질 수 있다는 것입니다.

플라스틱 시험 표준은 시험 방법이 사용되는 방식에 따라 다르게 정의된 공칭 변형률이라는 용어를 사용합니다. ASTM D638의 경우, 공칭 변형률은 신율계에서가 아니라 크로스헤드 변위에서 측정한 변형률로 정의됩니다. 이는 플라스틱이 균질하게 파단되지 않기 때문이며, 변형률은 종종 샘플에서 불균형적으로 작은 부분인 "네킹(necking)"이라는 속성에 초점을 맞추기 때문입니다. 넥 또는 항복점이 있는 재료의 경우, 신율계의 표점 거리를 벗어난 곳에서 네킹이 발생할 수 있으므로 파단 시 신율을 신율계를 통해 보고할 수 없습니다. 따라서 공칭 변형률은 항복 후 임의의 지점에서 신율을 보고해야 합니다. 파단 시 변형률에 대해 신율계를 사용하는 것은 변형이 시편 전체에서 걸쳐 균질하고 네킹 또는 항복을 나타내지 않는 경우에만 허용됩니다.

Bluehill Universal 응력 변형 곡선과 시험결과

영률

다양한 반응을 보이는 플라스틱은 시험의 탄성 부분을 적절히 포착하기 위해 여러 다른 영률 계산을 사용해야 할 수도 있습니다. 대부분의 최신 시험 소프트웨어는 영률 계산을 사용자가 직접 정의할 수 있습니다. 영률 계산 방법을 이해하는 것은 결과의 일관성을 보장하는 데 중요합니다.

진정한 선형 부분을 나타내지 않는 재료의 경우, 0과 사용자 정의된 지점 사이의 영률 선을 생성하는 시컨트 계수가 일반적으로 권장됩니다. 세그먼트 영률 계산은 지정된 시작점과 종료점 간에 가장 잘 맞는 선을 형성하고 최소 자승법을 수행합니다. 가장 일반적으로, 영스모듈러스 계산이 사용되며 여러 영역에 대한 기울기를 결정하고, 가장 가파른 기울기를 최소 자승법을 통해 보고합니다. Bluehill Universal을 통해 사용자는 여러 영역을 정의하거나 영스모듈러스 계산을 사용할 수 있습니다.

처리량

대용량 시험이 필요한 실험실의 경우, 인장 시험기 설정을 몇 가지 수정을 통해 시험 과정 속도를 높이고 처리량을 늘릴 수 있습니다.(완전 자동화 장비 포함) 완전 자동화 장비는 시편 측정, 시편 로딩, 시험 및 제거를 통합하도록 설계되었으며, 작업자와의 상호 작용 없이 몇 시간 동안 스스로 작동할 수 있습니다. 이 장비는 사람의 실수로 인한 변동성을 줄이는 데 도움이 되며, 작업자가 귀가 후 교대작업이 이루어져도 결과를 계속 얻을 수 있도록 지속적인 상태로 둘 수 있습니다.


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