시험 과제/시험 방법에 관한 설명
인장 시험은 전 세계적으로 가장 중요하고 가장 자주 사용되는 기계적-기술적 시험으로, 부품, 물자, 기계, 자동차 및 건물의 설계와 구조에서 매우 중요한 금속 분야의 강도 및 변형 물성값을 측정합니다.
시험 과제는 재료 물성값을 신뢰성 있고 재현 가능하게 측정하여 전 세계적으로 비교할 수 있도록 하는 것입니다.
단축 인장 시험은 항복점 또는 오프셋 항복, 인장 강도 및 파단변형률에 대한 물성값을 측정할 때 사용되는 방법입니다. 하부 항복점, 항복점 연신, 최대 하중에서의 연신도 측정합니다.
ISO 6892에 따른 금속 인장 시험 – 온도 범위에 따른 차이
금속 인장 시험에서 이 표준은 인장 시험을 수행하는 온도 범위를 네 가지, 즉 상온, 고온, 저온, 액체헬륨 온도로 구분합니다. 이 같은 여러 가지 온도 범위와 액체헬륨이라는 매질로 인해 준비해야 하는 시편 등 시험 시스템과 시험 방법에 전혀 다른 요구사항이 부과됩니다. 따라서 국제 ISO 표준은 다음과 같이 네 부분으로 구분되어 각각 위에서 언급한 온도 범위를 다룹니다.
- ISO 6892-1 상온 시험 방법
- ISO 6892-2 고온 시험 방법
- ISO 6892-3 저온 시험 방법
- ISO 6892-4 액체헬륨 시험 방법
이와 같은 국제 인증 ISO 표준 이외에도 미국 ASTM 표준, 유럽 EN 표준, 일본 JIS 표준, 중국 GB/T 표준도 세계적으로 적용되고 있습니다. 항공우주와 같은 전문 분야의 경우, 특정 표준이 추가로 중요하거나 필요할 수 있습니다.
DIN EN ISO 6892-1: 상온 금속 인장 시험
금속 재료 또는 금속 인장 시험은 주로 DIN EN ISO 6892-1과 ASTM E8을 기반으로 합니다. 이 두 표준 모두 시편의 형태와 그 시험을 설명합니다. 이들 표준의 목적은 서로 다른 시험 시스템을 사용하더라도 측정 물성값이 재현성과 정확성을 갖추도록 시험 방법을 정의하고 확립하는 것입니다. 즉, 표준의 요구사항은 기술 실현과 혁신에 충분한 재량을 갖는 방식으로 중요한 영향 요소를 설명하고 요건을 공식화한다는 의미입니다.
ISO 6892-1에 따른 금속 인장 시험에서 중요한 특성은 다음과 같습니다.
파단변형률 A와 At
파단변형률 A 또는 At는 재료의 연성과 흐름 성질을 측정한 값입니다.
파단변형률 At는 신율계를 통해서만 측정이 가능한데, 측정 시 신율계를 파괴점까지 시편 위에 유지하여 시편의 연신을 측정합니다.
파단변형률 A는 보통 수동으로 측정하지만 오늘날에는 신율계로도 측정을 합니다. 그러므로 자동 측정에서는 시편이 파괴되는 지점(파괴점)의 정확한 측정이 매우 중요합니다.
응력-변형 곡선을 자동으로 분석하는 오늘날의 알고리즘은 파괴점을 신뢰성 있게 특정하고 파단변형률을 정확하게 측정합니다. 시편을 따라 생성되는, 즉 시편의 평행부 길이를 따라 생성되는 파괴 위치도 파단변형률의 신뢰할 수 있고 정확한 측정을 하는 데 중요합니다. 파괴 또는 손상점이 접촉식 신율계의 표점 거리 내에 있지 않으면, 네킹 시 발생하는 소성 변형과 파괴점을 정확히 측정할 수 없습니다. 오늘날의 평가 알고리즘은 신율계의 측정점과 대응하는 손상점 또는 파괴점을 추정하고 불안정한 변형을 파괴값으로 표시합니다.
시편의 평행부 길이 전체를 기록하는 광학 비접촉식 신율계를 사용하면 파괴점 또는 손상점을 측정할 수 있습니다. ISO 6892-1:2017 부록 I에 따라 파괴점이 최초 표점 거리 밖에 있더라도 시험 시 적절한 수의 표점 마크를 감안하여 측정한다면 파단변형률을 확인할 수 있습니다. laserXtens 배열과 videoXtens 구성으로 이 작업을 위한 솔루션이 옵션으로 제공됩니다. 이 솔루션을 사용하면 시편 100%에서 파단변형률이 신뢰성 있고 정확하게 자동 측정됩니다.
JIS Z2241은 파괴점의 분류를 설명합니다. 이 분류는 보통 육안 검사나 별도의 비접촉 측정을 통해 수동으로 이루어집니다. 두 가지 경우 모두 인력과 시간이 소요됩니다. 최신 광학 비접촉식 신율계를 이용하면 인장 시험에서 이 작업이 자동으로 처리됩니다. 그리고 나서 기록 가능한 최종 결과와 함께 등급이 표시됩니다(파괴점 A, B, C에 따라 다름).
하중 측정 및 연신 측정 요구사항
가장 중요하고 명확한 설명이 가능한 요구사항은 하중 측정과 하중 적용 시 시편의 연신 측정도 설명하고 있습니다.
- 하중 측정과 관련하여 ISO 6892 표준에서는 ISO 7500-1 '인장 및 압축 시험기용 하중 측정 시스템의 교정 및 유효성 검증'을 인용하고 있으며 1등급 이상을 요구합니다.
- 연신 측정과 관련하여 ISO 6892 표준은 ISO 9513 '단축 시험에 사용되는 신율계의 교정'을 인용하며, 오프셋 항복 측정 시 최소 1등급을 요구합니다. 다른 물성값의 측정에는(연신이 5% 이상) 2등급이 적용될 수 있습니다.
교정 과정, 특히 그 결과와 등급의 정의는 하중 측정 및 연신 측정에 대한 표준을 설명합니다. 그중에서 후자는 시험 실무에서 매우 중요합니다. 최대 허용 편차와 분해능은 교정을 거친 측정 시스템의 등급을 구분함으로써 도출되며, 이는 측정 시스템의 측정 불확실성 확인에 사용합니다.
- ASTM E8은 하중 측정에 ASTM E74를,
- 연신 측정에는 ASTM E83을 언급합니다.
- 국제적으로 인정되는 여러 표준은 그 내용 구성이 다를 때가 있지만, 인장 시험에서 도출한 관련 물성값이 서로 크게 차이가 나지 않도록 하기 위해 그 정의와 요구사항은 서로 일치합니다.
한 가지 주목할 예외 사항은 평가와 이에 따른 신율계의 분류입니다. ISO 9513은 도달해야 할 설정값과의 편차를 언급하고 있지만, ASTM E83에서는 최초 표점 거리와의 비율도 고려합니다. 최초 표점 거리가 짧을 때 사용할 수 있는 신율계는 최초 표점 거리가 더 길 때 사용할 수 있는 신율계보다 더 많은 측정 요구사항을 충족해야 합니다.
금속의 인장 시험에서 ISO 9513에 따라 1등급 이상의 신율계를 사용해야 산출할 수 있는 물성값은 다음과 같습니다.
- 응력-변형 곡선의 최초 기울기 mE
- 오프셋 항복 Rp 및 Rt
금속 인장 시험에서 ISO 9513에 따라 2등급 이상의 신율계를 사용해야 산출할 수 있는 물성값은 다음과 같습니다.
- 항복점 연신 Ae
- 균일 연신 Ag 및 Agt
- 인장 강도 Rm 또는 최대 인장 하중 Fm 주변의 평탄 구간
- 파괴점 A와 At 이후의 연신
시험 속도가 항복점(ReH 및 ReL)과 오프셋 항복(Rp 및 Rt)에 미치는 영향
항복점(ReH 및 ReL)과 오프셋 항복(Rp 및 Rt)뿐만 아니라 하중 측정과 변형률을 정확히 측정하기 위해서는 시험 속도가 중요합니다.
- 시험 수행 시 변형 속도가 바뀌면 금속 재료의 물성값도 바뀝니다.
- 일반적으로 변형 속도가 높을수록 강도 값이 커집니다.
- 금속 재료의 합금 및 제품 품질에 따라 변형 속도 의존도가 매우 클 수 있으므로 해당 품질의 규격 한도를 넘을 수 있습니다.
- 이에 적정 시험 속도(더 엄격한 공차를 통해 특정 변형 속도의 유지가 필요)를 수정하기 위해 국제 표준에 추가 방법을 도입했습니다.
2009년부터 ISO와 ASTM은 항복점과 오프셋 항복 측정 시 결과의 신뢰도를 향상시키기 위해 금속 인장 시험의 각 표준에서 변형 속도 제어를 똑같이 수정했습니다.
이 두 표준과 더불어 이와 관련된 JIS Z2241과 GB/T 228 같은 다른 국가 표준들은 이 변형 속도 제어에 두 가지 방식을 제안하였습니다.
- 첫째, 신율계 신호(폐쇄회로)의 사용을 통한 자동 제어
- 둘째, 크로스 헤드 속도(이후 물성값의 측정을 위한 적정 변형 속도가 이 속도에서 달성됨)의 사전 선택을 통한 수동 조정(개방회로)
첫 번째 방법은 드라이브 조절기가 제공하는 최신 기술 옵션을 이용하여 크로스 헤드 속도를 표준에 명시된 변형 속도의 공차 범위 이내로 자동으로 유지합니다. 이 방법은 제어 기술이 적용된 시험 시스템을 요구하지만, 시험 과정을 크게 간소화하고 크로스 헤드 속도의 설정 오류를 없앱니다. 그러므로 이 제어 방법을 사용하는 것이 좋습니다.
testXpert를 이용하면 변형률 속도를 항상 추적할 수 있습니다. 빨간선(1)은 ISO 6892-1에 정의된 공차 범위(설정된 속도의 20%)입니다. 녹색 점선은 더 좁은 공차 범위(5%)입니다. 이는 ZwickRoell 시험 시스템에서 예상치 못한 상황이 발생할 경우 위험을 피하기 위해 사용하는 기준값입니다.
올바른 변형률 속도 제어의 특징은 (2) 낮은 입구 변동과 (3) 안정적인 속도 제어입니다. 여기에 중요한 필수 항목은 적응형 컨트롤러입니다.
폐쇄회로 변형률 속도 제어는 시험 시스템에서 어떻게 작용할까요?
ZwickRoell testControl II 전자 시스템은 변형률 속도를 정확하게 조정하기 위해 신율계의 측정값을 직접 사용하여 시험기의 속도를 제어합니다. 시험기 제어 매개변수는 실시간으로 자동 계산되고 적응형 방식으로 조정됩니다. 이런 과정을 적응 제어가 되는 폐쇄회로라고 하며, 1kHz로 ZwickRoell 시험기에서 실행됩니다. 이는 변형률 속도 준수를 위한 표준 규격을 충족합니다.
모든 것이 자동으로 진행되고 매우 간편하며, 작업자의 시간도 상당히 절약하는, 오차율이 낮은 신뢰할 수 있는 결과가 산출됩니다.
testXpert III: ISO 6892-1에 따른 금속 인장 시험
표준 시험 프로그램에서 ISO 6892와 ASTM E8에 규정된 여러 가지 방법을 선택하고, 이후 나머지는 testXpert III 시험 소프트웨어가 처리합니다. 관련된 모든 설정이 편의를 위해 testXpert III에 미리 설정되어 있습니다. 직접 확인해보세요!
TENSTAND 소프트웨어 유효성 확인
ISO 6892-1에 따른 유효성 확인으로 100% 신뢰할 수 있는 시험 결과/TENSTAND
표준 ISO 6892-1에 따른 소프트웨어로 확인한 시험 결과값은 전 세계 국가들이 협의하여 정리한 데이터 세트와 시험 결과값을 이용하여 그 유효성을 검증하고 확인할 수 있습니다. 유럽의 한 연구 프로젝트(TENSTAND)에서는 금속 시험을 통해 원시 데이터를 생성하고 그 적격성을 인정받았습니다. 이 데이터는 시험 결과값과 결과 범위를 확인하고 적격성을 인정하는 데 사용되었습니다. TENSTAND 데이터 세트와 결과 세트를 이용하면 결과값의 비교를 통해 시험 소프트웨어의 유효성을 빠르고 신뢰성 있게 검증할 수 있습니다. 런던 국립물리학연구소(NPL)는 이 데이터 세트와 결과 세트를 이용합니다.
- 국립물리학연구소(NPL)는 독일의 국립 측량 연구소(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)와 동일한 영국 연구소입니다. NPL은 물리학과 기술 분야에 사용되는 국가 표준을 정의합니다.
- NPL의 업무에는 기본상수와 자연상수를 결정하고, 법적 규제를 받는 부문은 UKAS(United Kingdom Accreditation Service, 영국 인증 서비스) 교정 서비스와 같은 기관의 도움을 받아 국제단위계(SI)의 법적 단위를 설명하고 보존하고 전달하는 일이 포함됩니다.
