인장시험 (Tensile Strength Test)

 

1. 인장시험 (Tensile Strength Test) 이란?

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 시험이다.

 

위의 그래프는 일정한 속도로 시편 양쪽에서 잡아당겨 변형량을 증가시키고, 이에 필요한 하중을 측정하여 하중(Load) - 변형(Deformation)의 곡선이 얻어진다. 

 

2. 인장시험은 왜 하는가?

인장시험을 통하여 그 재료의 특성을 잘 알수 있기 때문이다. 재료가 파단이 일어날 때까지 당기게 되면 위의 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.

3. 인장시험 계산식

UTS (psi) = maximum load (최대 하중) / area of original cross section (단면적 : 원일경우 3.14 x r ^2)

=> 탄성영역에서의 응력은 거의 차이가 없으므로, 소성영역에서의 진응력 σt (True Stress)를 적용한다.

1) 시험편의 최대하중을 시험편의 최초 단면적으로 나눈값(kg/㎟ 또는 MPa)을 말한다. 즉 공칭응력의 최대점.

2) "psi" 단위를 "MPa"로 변환할 경우, 0.00689를 곱해줄 것.

 

 

4. 항복강도 (Yield Strength)

 

탄성한계를 넘어서 하중을 계속 증가시키면 응력과 변형률의 곡선이 직선에서 벗어나게 되는 점에서의 응력을 말하며, 상항복점에서의 응력 또는 0.2% 의 소성변형을 일으키는 응력, 즉 0.2% Offset 응력을 항복강도로 규정한다.

 

 

5. 공칭변형률

 

공칭변형률 εn 은 시편의 변화 ΔL (변형 후 시편의 표점거리 L – 초기 표점거리 L0)을 L0로 나눈값으로 정의한다. 

εn = ( L - L0 ) / L0 = ΔL / L0                                             

 

 

6. 일반적으로 인장시험 그래프는 탄성영역와 소성영역으로 크게 구분된다.

 

1) 탄성영역 : 하중을 제거시키면 시편의 원래 길이로 회복되는 구간을 말한다. 탄성영역에서 응력과 변형율 사이에 비례관계가 성립되며, 이것을 보통 Hook의 법칙이라 한다.

(후크의 법칙이란? 고체에 힘을가해 변형시키는 경우, 힘의 크기가 어떤 한도를 넘지않는한 변형의 양은 힘의 크기에 비례한다는 법칙)

 

2) 소성영역 :  재료를 탄성영역 이상으로 인장력을 주게 되면 하중을 제거해도 원래 (최초)의 길이로 회복되지 못하는 구간을 말한다.

 

 

7. 네킹 (Necking)

 

인장응력이 최대가 되는 곳에서 시편 단면이 급격히 작아지는 현상을 네킹 (Necking) 이라 한다. 이때부터 공칭응력은 감소하지만 시편의 단면적이 감소하여 단위면적당의 응력이라 할 수 있는 진응력은 상승한다. 

 

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8. 인장시험 절차

 

1) 시험목적

 

재료의 강도에 대한 기초적인 설계정보를 제공하는데 이용되며, 자재 특성을 규명하기 위한 시험.

  >> 하중이 가장 높은 지점의 응력이 그 재료의 인장강도가 되며, 최대강도 (Ultimate tensile)가 된다.

 

2) 시험편 채취 및 시험방법

① 시험편채취 기준

- 시편채취 lot : 후판의 경우 최소시험 lot는 매날판단위이며(제품단위가 아님)，최대 50톤, 50톤 초과

                     시 Test 시편 2매 실시.

- 길이방향위치 : 압연시 final pass 시 먼저 취입된 부위를 Top부라하며, 반대쪽 부위를 Bottom 부 

                       (or “Tail")라 하며, 그의 중앙을 Middle부라하며, 통상 Top부에서 시편채취 하게됨.

                       {규격의 채취기준 적용， Code는 항목 정의서 참조)

- 폭방향 위치 : 날판의 폭방향으로 1/4, 중앙，3/4，edge 등으로 구분하며，1/4위치가 통상임.

- 시편호수 : 이는 시험편 가공시 판형으로 할 것인가, 환형으로 활 것인가와 G.L (Gauge Length)를 결

                 정하는 것으로 시험편 형상에 따라서 강도의 큰차이는 없으나 G.L의 차이는 연신율(EL,%)

                 에 큰 차이를 나타냄.

 

② 시험방법

- 시험편제작 : 지시된 시편호수에 따라서 재료시험실 시편가공실에서 제작

 

 

 

③ 시험편

 

 

 

④ 시험평가

 

 

- A : 상부 항복점

- B : 하부 항복점

- C : 인장강도 (최대하중을 시험편 초기 단면적으로 나 눈 값 , Pmax / AO )

- D : 탄성영역

- E : 소성영역

- El : e = (L - L0) / L0)

 

- 연신율 (Elongation)은 인장시험으로부터 파단 후의 시편 변형량을 (%)로 나타낸 것.

- 단면수축률 (Reduction of Area)은 인장시험으로부터 시편파단 후의 단면적 수축량을 (%)로 나타낸 것.

  RA (Reduction of Area, %, 단면수축율) : q = ( A0-Af ) / A0

- YR : YP를 TS 값으로 나눈값