ASTM D3039 복합재료 인장 시험
ASTM D3039 / ASTM D3039M에 따른 인장 시험은 인장 모듈러스 및 푸아송 비 탄성 물성값은 물론 복합재료의 인장 강도를 측정하는 데 사용됩니다. 여기에는 연속 섬유 강화 단방향(UD) 및 다방향(MD) 합성 라미네이트가 포함되며, MD 라미네이트는 단일 UD 라미네이트, 직조 또는 기타 직물 섬유 구조로 구성될 수 있습니다. 불연속 임의 배열 강화 섬유(예: 시트 성형 화합물-SMC)로 된 섬유 강화 플라스틱 복합재료(FRP)도 시험할 수 있습니다.
또한, 길거나 연속적인 섬유 강화 플라스틱의 인장 시험에 자주 사용되는 규격은 ISO 527-4(등방성 및 비 등방성 섬유 강화 플라스틱을 위한 시험 조건)와 ISO 527-5(단방향 섬유 강화 플라스틱을 위한 시험 조건)가 있습니다.
ASTM D3039에 따른 시험의 목적과 측정된 물성값
ASTM D3039에 따른 복합재료 인장 시험은 재료 개발 및 적격성 평가 절차에서의 인장 성질 결정, 복합재료 구조의 배치 및 설계에 사용할 물성값 측정, 품질 보증 등을 위해 수행합니다.
섬유 강화의 유형과 관계없이 다음과 같은 특성 결과와 물성값이 ASTM D3039에서 결정됩니다.
- 인장 응력: 초기 시편 단면과 관련된 힘
- 축변위: 하중 방향의 초기 표점 거리와 관련한 표점 거리의 변화
- 횡변위: 횡방향의 초기 표점 거리를 참조하여 표점 거리 변경(푸아송 비를 측정하는 경우에만 필요)
- 인장 모듈러스: 탄성 범위에서 변위 간격이 정해진 스트레스-스트레인 곡선의 기울기 탄성 모듈러스 또는 영률(Young’s modulus)이라고도 함
- 인장 강도: 인장 시험에서 측정된 인장 응력 최댓값
- 파단 변위: 인장 강도에 도달했을 때 축변위
- 푸아송 비: 축변위에 대한 횡변위의 네거티브 비율
2선형 스트레스-스트레인 거동을 보이는 섬유 강화 복합재료의 경우, 다음과 같은 추가 물성값을 측정할 수 있습니다.
- 전이 변위: 전이 구역 축변위의 평균값 일반적으로 축방향 스트레스-스트레인 곡선에서 측정
ASTM D3039 및 ISO 527-4/ISO 527-5 규격은 모두 복합재료의 인장 시험을 위한 시험 조건을 정의합니다. 시험법은 유사하지만, 시편 형상과 시편 치수, 물성값 측정치가 일부 측면에서 다르기 때문에(예: 상기 인장 모듈러스의 변위 간격 및 전이 변위) 측정된 물성값이 완전히 같지는 않습니다.
시험을 좀더 간편하게 수행하기 위해 ASTM D3039 규격 요건에 따른 모든 설정이 사전 구성된 testXpert 시험 프로그램을 사용할 수 있습니다.
ASTM D3039에 따른 신뢰할 수 있는 시험 결과값을 위한 시편 그립 및 얼라인먼트 고정부
ASTM D3039에 따른 인장 시험을 수행하기 위하여 해당 인장 시편이 정적 시험기의 시편 그립에 고정됩니다. ASTM E1012에 따라 정확한 시편 그립 얼라인먼트를 주기적으로 점검하는 것이 좋습니다. 항공우주 산업의 Nadcap 인증 실험실은 얼라인먼트를 의무적으로 입증해야 합니다.
기계식 바디 오버 웻지 또는 유압식 바디 오버 웻지 그립이 이 요건에 이상적입니다. 얼라인먼트 입증이 필요하지 않은 경우에는 상황에 따라 조절이 가능한 웻지 나사 그립을 사용할 수도 있습니다.
모듈식 복합재 시험 시스템
규모가 커 시험량이 많은 실험실은 매우 다양한 복합재료 시험법에 사용할 수 있는 다양한 시험기를 사용하고 있으므로 변환 작업을 최소화할 수 있습니다. 다양한 유형의 시험에 필요한 힘 범위에 맞게 개별 시험기를 조절할 수 있습니다. 시험기는 여러 대지만 처리율이 일정치 않거나 높지 않은 경우는 최소한의 기계 전환으로 가능한 한 많은 시험법을 수행할 수 있도록 단일 시험기 장착을 대안으로 채택할 수 있습니다.
ZwickRoell이 개발한 모듈식 설계는 21가지 시험법과 약 120가지 시험 규격(ISO, EN, ASTM에 더하여 Airbus AITM 및 Boeing BSS)을 준수하는 100kN 또는 250kN 시험기로 사용할 수 있습니다. 또한 상온에서 섬유 강화 복합재료의 종합 특성을 규명하거나 --80°C~+360°C 온도 범위에서 저온·고온 시험을 수행할 수도 있습니다.
ASTM 3039 인장 시험기
규격 시편을 사용하는 ASTM D3039 인장 시험과 섬유 강화 플라스틱을 위한 기타 많은 규격화된 시험법에는 대개 100kN 시험기를 사용하는 것으로 충분합니다. 오른쪽에 표시되어 있는 100kN 시험기와 함께 기계식 바디 오버 웻지 그립을 사용하면 다양한 시험 설비와 시험 고정부를 교체하기 쉽습니다. 시편 그립을 쉽게 분리할 수 있어 시험기의 전체 작업 영역을 비규격 시험에도 사용할 수 있습니다. 보조 다리가 있어 작업 영역의 높이를 개별적, 인체공학적으로 조절할 수 있습니다.
유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)에서만 시험을 수행하는 경우, 최대 힘이 50kN인 정적 시험기를 사용하면 대체로 충분합니다.
ASTM D3039에 따른 변위 측정용 신율계
정확한 탄성 물성값과 파단 변위를 측정하려면 시편에서 직접 변위를 측정해야 합니다. 영률과 파단 변위를 측정하기 위해서는 축변위를 측정하는 것으로 충분합니다. 푸아송 비를 추가로 측정하려면 횡변위도 측정할 수 있는 2축 변위 측정 시스템이 필요합니다. 변위 측정을 위해 클립 장착식 신율계(제한 사항: 시편 파단까지가 아님) 또는 자동 센서 암 신율계(makroXtens, multiXtens), 비접촉식 광학 시스템(videoXtens)과 같은 변형계, 센서 암 측정 시스템을 사용할 수 있습니다.
ASTM D3039 시험 조건
시험 속도
ASTM D3039는 시험 속도 설정에 관한 두 가지 옵션을 명시하고 있습니다.
하나는 0.01 min-1(공칭값)의 일정한 스트레인 레이트를 설정하는 방법입니다. 또는 2mm/min(공칭값)의 일정한 속도에서 시험을 수행할 수도 있습니다.
- 유효한 시편 파단
시편 파단을 기록하기 위해 ASTM D3039는 고정된 시편을 따라 파단 모드와 위치를 고유하게 정의하는 3문자 코드를 규정하고 있습니다. 집게, 전이 영역 또는 집게에서부터 시편 1개의 폭과 동일한 거리 내에서 파단이 발생한 경우에는 무효로 간주합니다. 그러나 직선 0° UD 인장 시험에서는 시편의 완전 자유(그립핑되지 않은) 영역이 산산이 부서지는, 고에너지의 폭발적 파단이 종종 나타납니다. 따라서 이러한 파단은 일반적으로 유효한 파단으로 분류됩니다.
온도 범위
섬유 강화 플라스틱의 기계적 성질은 온도에 따라 매우 다르게 측정되기 때문에 상온 외에 저온 및 고온에서도 인장 시험을 수행합니다. 이때 시험기에 온도 범위가 -80°C ~ 360°C인 온도 챔버를 장착할 수 있습니다.
ASTM D3039에 따른 시편 및 치수
| 시편 유형 / 라미네이트 | 시편 형태 계통도 (약식형으로 실제 규격이 아님) | 캡 스트립 사용 시 주의 사항 |
|---|---|---|
| 0° UD 라미네이트 |  |
|
| 90° UD 라미네이트 |  |
|
| 다방향 UD와 직조 라미네이트, 섬유 방향이 무작위인 불연속 섬유 강화 라미네이트(예: SMC) |  | 다방향 UD 또는 직조 라미네이트나 섬유 방향이 무작위인 불연속 섬유 강화 라미네이트로 이루어진 시편의 경우, 접착력 적용 요소 대신 연마포를 사용하는 것으로 충분한 경우가 많습니다. |
- 접착력 적용 요소(캡 스트립)는 의무는 아니지만, UD 라미네이트에 유효하지 않은 집게 파손(집게 또는 집게 안의 파손)을 방지하는 목적으로 강력히 권장되고 있습니다.
- 인장 시편의 하중 방향에 대해 섬유 방향이 ±45°인 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP) 라미네이트는 적합한 캡 스트립 재료로 입증되었습니다.
- 해당 라미네이트 유형의 시편 형상을 지정한 ASTM D3039 사양이 권장되며, 이 사양을 이용하면 실험실 간에 결과를 비교할 수 있습니다. 규격에 정의된 시편 형상에 대한 일반적인 권고사항을 준수할 경우 시편 치수의 편차는 허용됩니다.
- 센서 암이나 비접촉식 변위 측정 시스템을 이용하는 경우 표점 거리 L0은 10mm~50mm이여야 합니다.
ASTM D3039 추가 정보
- ASTM D3039 규격을 이용할 경우, 시험 매개변수와 시편 치수에 국제단위계(SI)와 인치-파운드(임페리얼) 단위계를 모두 사용할 수 있습니다. 그러나 규격에 맞지 않는 결과값이 나올 수 있으므로 두 단위계를 혼용하는 것은 피해야 합니다.
- 단층 수준의 인장 성질을 측정하기 위해 개별 층이 같은 방향을 향하는 다층 복합재료를 제작합니다. 이는 특히 0° 또는 90° UD 라미네이트에 적용됩니다. 해당 방향을 향하는 다층 직조 복합재료의 경우, 날실 및 씨실 방향의 측면에서도 기계적 물성값이 언급됩니다.
- 재료 개발, 재료 적격성 평가, 품질 보증 목적을 위해 인장 수행을 수행하는 것 외에도, 단층 수준에서 측정된 물성값도 분석 계산법을 위한 복합재료 구조의 설계에 사용됩니다. 예를 들어, 고전적인 라미네이트 이론을 이용하여 해당 개별 층의 물성값에서 다방향 다층 복합재료의 탄성 성질을 계산할 수 있습니다. 단층 수준의 강도값은 특히 최대 응력, Hashin, Puck 또는 LaRC과 같은 파손 기준을 계산하는 데 사용됩니다.
- 다층 복합재료의 기계적 성질은 해당 개별 층의 방향에 따라 달라지기 때문에 개별 층의 방향이 다른 모든 다층 복합재료는 서로 다른 기계적 인장 성질을 보입니다. 따라서 섬유 강화 플라스틱의 기계적 재료 성질은 라미네이트의 제조 공정에서만 드러납니다. 제조 공정 자체가 물성값 결과에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 제조 공정이 섬유 강화 플라스틱(FRP)의 기게적 성질에 미치는 영향을 기계적 시험을 통해 확인하는 경우가 많습니다.
ASTM D3039 복합재료 시험에 대하여 자주 묻는 질문
ASTM D638은 덤벨형 시편을 이용하여 비강화 및 강화 플라스틱의 인장 성질을 측정하는 규격 시험법입니다. 계수가 20Gpa 이상인 연속 섬유 또는 불연속 섬유를 강화에 사용하는 경우, ASTM D638은 폴리머 매트릭스 복합재료의 인장 특성을 측정하는 데 ASTM D3039 규격 시험법을 참조합니다. 직사각형 시편은 ASTM D3039에 사용됩니다. 특히 연속 섬유로 된 탄소 또는 유리 섬유 강화 플라스틱(CFRP, GFRP)은 적절한 시험기를 사용해야 하는 비강화 또는 단섬유 강화 플라스틱 인장 시험에 비해 시험 하중이 현저히 높습니다.
ASTM D3039는 섬유 강화 복합재료의 인장 성질 측정에 사용되는 규격 시험법입니다. 고탄성 강화 섬유는 연속 섬유 또는 섬유 방향이 무작위인 불연속 섬유가 될 수 있습니다. ASTM D3039의 직사각형 시편의 권장 치수는 시험 대상 합성 라미네이트 유형에 따라 다릅니다(예: 0° 단방향, 90° 단방향, 다방향 또는 무작위 불연속).
ASTM D3039의 시편 두께는 인장 성질을 측정하는 라미네이트 유형에 따라 다릅니다. ASTM D3039는 시편 두께의 경우 0° 단방향(UD) 인장 시험은 1mm, 90° UD 인장 시험은 2mm를 각각 권장하고 있습니다. 다방향 라미네이트 또는 섬유 방향이 무작위 불연속인 라미네이트의 경우, 권장 두께는 2.5mm입니다. 시편의 전체 길이, 폭, 캡 스트립 길이, 캡 스트립 두께에 대한 권장사항도 규정되어 있습니다.
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