ISO 527-4 | ISO 527-5 섬유 강화 복합재료 인장 시험
ISO 527-4 및 ISO 527-5에 따른 인장 시험은 인장 모듈러스 및 푸아송 비 탄성 물성값은 물론 섬유 강화 플라스틱의 주요 재료 방향에서의 인장 강도를 측정하는 데 사용됩니다. ISO 527-4는 등방성 및 비등방성 섬유 강화 플라스틱을 위한 시험 조건을 설명합니다. 여기에는 매트, 직조 또는 절단 섬유, 단방향 개별 층으로 이루어진 다방향 라미네이트와 같은 비단방향 강화 처리가 된 복합재료가 포함됩니다. ISO 527-5는 단방향(UD) 섬유 강화 플라스틱을 위한 시험 조건을 설명합니다. 두 규격 모두 ISO 527-1에서 인장 성질을 측정하는 일반적인 원칙을 참조하고 있습니다.
길거나 연속적인 섬유 강화 플라스틱의 인장 시험에 자주 사용되는 또 다른 규격은 ASTM D3039로서, 여기에는 등방성 및 비 등방성 섬유 강화 플라스틱과 단방향 섬유 강화 플라스틱을 위한 시험 조건이 포함되어 있습니다.
목적과 물성값 동영상 시험 시행 및 시험 장비 시험 요건 시편 및 치수 추가 정보
ISO 527-4 및 ISO 527-5에 따른 시험 목적 및 물성값
섬유 강화 플라스틱 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 ISO 527-4 및 ISO 527-5에서 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 때의 축변위
- 푸아송 비: 축 변형률에 대한 횡변형의 네거티브 비율
ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039는 섬유 강화 플라스틱의 인장 시험을 위한 시험 조건을 규정합니다. 시험법은 유사하지만, 시편 형상과 시편 치수, 물성값 측정치가 일부 측면에서 다르기 때문에(예: 인장 모듈러스의 변위 간격) 측정된 물성값이 완전히 같지는 않습니다.
ISO 527-4 및 ISO 527-5에 따른 신뢰할 수 있는 시험 결과값을 위한 시편 그립 및 얼라인먼트 고정부
ISO 527-4 및 ISO 527-5에 따른 인장 시험을 수행하기 위해 해당 인장 시편이 정적 시험기의 시편 그립에 고정됩니다. ISO 23788 또는 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.
ISO 527-4 및 ISO 527-5용 인장 시험기
규격 시편을 사용하는 ISO 527-4 및 ISO 527-5에 따른 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.
ISO 527-4 및 ISO 527-5에 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.
ISO 527-4 및 ISO 527-5에 따른 시험의 조건
시험 속도
설정해야 하는 일정한 시험 속도는 시편 유형과 시험의 목적에 따라 다릅니다. 재료 특성 규명에 사용되는 인장 시험 목적보다는 품질 관리를 위한 인장 시험의 속도를 더 높이 설정할 수 있습니다.
- 유효한 시편 파단
집게 내부 또는 집게에서 시편이 고정되지 않은 부분까지의 전환 영역이 파손된 시편은 사용할 수 없으며, 최소 5개의 유효한 시험 결과값을 얻기 위해서는 새로운 시편으로 교체해야 합니다.
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.
| 기본 | 시편 유형 | 계통도 (약식형으로 실제 규격이 아님) | 응용 분야 |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Type 1B 덤벨형 |  |
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| Type 2 캡 스트립이 없는 직사각형 |  |
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| Type 3 * 캡 스트립이 있는 직사각형 |  |
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| Type 4** 캡 스트립이 없는 원뿔형 |  |
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| ISO 527-5 | Type A, Type B *** |  |
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- * ISO 527-4의 Type 3 시편과 ISO 527-5의 Type A 및 Type B 시편의 경우 캡 스트립이 시편의 양쪽에 적용됩니다. 일반적으로 시험 대상 라미네이트에 접착되는 이러한 힘 적용 요소의 목적은 그립에 집중되는 응력을 줄여 집게가 파손(시편 그립의 집게에서 또는 집게 안에서 파손)되는 것을 방지하는 것입니다. ±45° GFRP 라미네이트로 구성된 캡 스트립으로 그 가치가 입증되었습니다. 직선 캡 스트립이 항상 사용되지만 ASTM D3039에서는 스카프 각도를 이용한 캡 스트립 사용도 허용합니다. 동일한 강도가 달성되고 물성값이 크게 분산되지 않는다는 것을 입증할 수 있는 경우, 결합되지 않은 것을 포함하여 다른 힘 적용 요소를 사용할 수 있습니다(연마포나 사포 등).
- ** 캡 스트립 없이 다방향 연속 섬유 강화 열경화성 플라스틱 인장 시험을 수행하려 할 때는 ISO 527-4:2023을 기준으로 새로 포함된 Type 4 시편의 경우, 시편 중앙에서 L0 = 25mm의 직선 표점 거리 밖에서 파손이 발생했다면 결과값을 다시 계산해야 합니다. ISO 527-4 부록 E에 등재된 Type 4 시편에 대한 파괴 관련 인장 강도 계산은 ISO 527-4:2023에 대하여 사전 구성된 testXpert 시험 프로그램에 이미 포함되어 있습니다.
- *** ISO 527-5의 Type A와 Type B 시편은 라미네이트의 다양한 두께와 시편 폭이 특징입니다. Type A 시편은 UD 라미네이트 0° 방향에서의 인장 시험을 위한 것이며 폭은 15mm이고 라미네이트 두께는1mm입니다. 반면, Type B 시편은 UD 라미네이트 90° 방향에서의 인장 시험을 위한 것이며, 폭은 25mm이고 라미네이트 두께는 2mm입니다. 따라서 0° 인장 시험에서 측정된 힘이 너무 크지 않고, 90° 인장 시험에서 측정되는 힘이 충분하기 때문에 동일한 시험 설비를 이용하여 두 시편 유형을 모두 시험할 수 있습니다. ID 라미네이트는 섬유 방향과 섬유 전체에서 극도로 다른 강도를 보이기 때문에 이러한 기하학적 조정이 필요합니다.
ISO 527-4 및 ISO 527-5에 대한 상세정보
- 단층 수준의 인장 성질을 측정하기 위해 개별 층이 같은 방향을 향하는 다층 복합재료를 제작합니다. 여기에는 ISO 527-5에 지정되어 있는 0° 또는 90° UD 라미네이트가 포함됩니다. ISO 527-4에서는 해당 방향을 향하는 다층 직조 복합재료의 경우, 날실 및 씨실 방향의 측면에서도 기계적 물성값을 언급합니다.
- 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.
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