인장시험 속도 영향 - injangsiheom sogdo yeonghyang

[금속 가공학1-5] 금속 가공 기초 / 변형 속도와 마찰 효과 

이번 포스팅은 금속가공 기초 단원의 마지막인   변형속도와 마찰에 대해서 설명해 보도록 하겠습니다.

변형속도와 마찰이 금속 가공에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.

[1] 변형 속도의 효과

금속을 가공할때에는 온도나 응력과 같은 파라메터가 전부라고 생각 하기 쉬운데 변형속도 또한 금속 가공에 중요한
요소입니다. 

변형속도가 금속가공에 미치는 영향을 정리해보겠습니다.

**우선 같은 온도 &응력의 상황에서 변형속도가 증가한다면 ?

- 높은 유동 응력을 가진다 (high flow stress)
- workpiece의 온도가 증가
- 윤활 잘되어 있는 상황이라면 마찰력이 크게 감소한다.

**하지만, 변형속도가 너무 빠르다면

- 국부적으로 변형되거나 열간 균열이 발생할 수 있다 (크랙의 원인이 될 수 있다.)

**압축 테스트에서의 True-strain rate 구하는법 (수식)

                                                     v는 변형 속도 / h 변형 중의 실시간 높이

 dε 는 높의 변형으로  dh/h로 표현 할 수 있고

v는 거리/시간으로  최종적으로 v/h로 표현 할 수 있다.

결국 true-strain rate는 변형 중인 높이와 변형속도를 통하여 구할 수 있다.

** 변형속도와 유동 응력의 관계

C상수 / m 변형율과 flow stress의 기울기 관계 값

변형율과 온도가 일정한 상황에서  변형 속도와 유동 응력 는 아래 그래프와 같은 관계를 가진다.

이때 변형속도와 유동응력을 모두 log값으로 나타내었을 때  직선 그래프가 나타나며 이때 기울기 값이 m이다.

m 값이 큰 재료는  변형속도에 따라 영향을 받는 유동응력이 크다는 뜻이다. 

이러한 m 값은 같은 재료에서도 온도에도 영향을 받는다.

일반적인 금속 재료는 RT 환경에서 m 값이 0.1 이하로 알려져 있다.

즉, 상온 변형 및 인장/ 압축 시험에서는 변형 변형 속도가 응력에 미치는 영향이 거의 없다

하지만, 고온 환경에서는 변형속도에 따른 효과가 RT 환경 보다 뚜렷하다.

이는 고온 변형 및 고온 인장/압축 시험에서는 변형속도를 느리게 하였을 때 유동응력을 크게 낮출 수 있다. 

기계적 물성 평가 시에 정해진 규격 안에서 변형속도를 가장 느리게 시험하는 것이 가장 높은 물성을 나타낼 수 있습니다.

** 정리- 위와 같은 사항들을 종합 하였을때 금속 가공에서의 변형속도는  금속가공에 영향을 미치기 때문에 최적의 공정의

최적의 조건을 위해서는 고려해야 될 항목이라고 할 수 있다.

[2] 마찰의 효과

마찰은 수식 증명 보다는 왜 마찰을 고려해야되는지 윤활을 통하여 마찰을 감소시키면 좋은 이점이 무엇 인지에 대해서만 설명하도록 하겠습니다.

위의 압축시험에서 파란색 시험편은 위아래로 접족이 있고 마찰력을 받게 되는데

이때 생성되는 shearing stress가  시편의 중앙으로 모이게 됩니다.   이는 즉 시편의 중앙부가 국부적으로 높은 응력을 받게 된다 뜻입니다.

부분적으로 높은 응력을 받게되면 전체적으로 안정적인 금속 변형이 일어나기 힘들어 집니다. 

그러나, 마찰력은 다른 금속가공에 영향을 미치는 요소들과 다르게  윤활을 통하여 크게 감소 시킬 수 있습니다.

**윤활 (lubricant)의 기능

- 금속 변형 힘을 감소 시키는 효과 (마찰력 감소 ->shearing stress 감소 -> 가공에 드는 힘 감소)

- 성형성과 가공성 증가

- 금속 가공기구의 마모양 감소 

- 금속 가공 후 미려한 표면 상태

*** 여기까지 [1 단원]으로 정리 하였던 금속 가공의 기초 파트를 마무리 하게 되었습니다.

금속 가공의 기초 단원은

소성 변형이 무엇인지? / 유동 응력 + 변형속도 + 마찰이 금속가공에 미치는 영향 등을 정리하였습니다.

이후 부터는 해당 과목의 업로드 계획에 맞춰 단조 / 압연 / 압출 공정에 대해서 정리할 계획입니다.

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시험 작업 상세정보

시험 작업은 고온 인장 시험에서 물성값을 신뢰성 있고 재현 가능하게 측정하여 전 세계적으로 비교할 수 있도록 하는 것입니다. 시험 속도에 관한 두 가지 방법은 ISO 6892-1에 설명되어 있습니다. 첫 번째 A 방법은 공차가 엄격한(±20%) 변형률에 기반하고, 두 번째 B 방법은 기존의 변형률 범위 및 공차에 기반합니다. 변형률 의존적인 물성값을 측정하려는 경우, A 방법은 속도 의존성을 최소화하고 시험 결과 측정 불확실성을 최소화하는 데 이상적입니다.

기계적 성질에 대한 속도의 영향은 인장 시험으로 측정하며, 일반적으로 상온보다 고온에서 더 큽니다. ISO 6892-2에서는 상온에서보다 낮은 변형률을 사용할 것을 권장합니다. 하지만 특정 적용의 경우, 예를 들어 동일한 변형률에서 상온 인장 시험 물성값과 비교하기 위해서는 더 높은 변형률이 추가로 허용됩니다.

ISO 6892-2를 작성하는 과정에서 시험 속도와 관련하여 논의할 때, 표준의 향후 버전에서는 응력 속도 방법 제거를 고려하기로 결정되었습니다.

인장 시험의 핵심 물성값

DIN EN ISO 6892-2에 따른 인장 시험의 주안점인 시험 속도

DIN EN ISO 6892-2는 특히 시험 속도에 초점을 둡니다. 이전 버전의 표준에서는 큰 변형률 범위를 허용했습니다. 속도 범위가 클 경우 다른 시험 속도에 민감한 재료가 표준에 따라 시험한 경우에도 다른 시험을 받을 때 물성값에서 상당한 편차를 보일 수 있습니다.

이러한 시험 속도의 변화로 인한 결과의 측정 불확실성을 최소화하기 위해 국제표준화기구(ISO)는 위치와 힘 제어 및 응력 증가율(B 방법)에 기반한 현재 방법 외에 표준에 다른 방법을 추가로 채택했습니다. 이 추가 방법을 이용하면 시편 자체에서 시험 속도를 제어할 수 있습니다(A 방법). 이는 시편 자체의 변형률을 측정하고 움직이는 크로스 헤드를 제어하기 위해 폐쇄 루프에 이 변형률 신호를 도입할 때 발생합니다.

ISO 6892-2에 따른 시험 속도 선택

달리 명시되지 않는 한, ISO 6892-2 요구사항이 충족되는 경우 방법(A 또는 B)과 시험 속도 선택은 제조사나 제조사가 지정한 시험실의 책임입니다.

폐쇄 루프 변형 제어는 인장 시험의 처음이자 가장 민감한 단계에 대해 표준화되어 두 개의 속도 범위만 공차가 상당히 감소된 Rp를 안정적으로 감지할 수 있도록 설정됩니다. 변형률은 초당 0.00007 또는 0.00025이고, 공차는 ± 20%이며, 달리 지정되지 않는 한 최초 속도 범위는 표준으로 권장됩니다. 폐쇄 루프의 변형 제어를 위해서는 신율계가 절대적으로 필요합니다. 인장 강도와 파단변형률을 측정하기 위해서는 초당 0.0014의 변형률이 권장되며, 이에 따라 (크로스 헤드 위치 신호를 통해) 표준 준수 위치 제어가 사용됩니다.

엄밀히 말해, 이 두 변형률은 개념적으로 신율계 표점 거리에 대한 변형률(폐쇄 루프, A1 방법)(Le)과 시편의 시험 길이와 관련하여 시험 길이에 대한 평균 변형률(개방 루프, A2 방법)(Lc)로 각각 구분되어야 합니다. 표준에서는 후자를 “평행 길이에 대한 예상 변형률”이라고도 부릅니다. 변형 제어의 경우 변형률은 Le와 관련되기 때문에 변형률 신호에 기반하고, 위치 제어는 Lc와 관련되기 때문에 크로스 헤드 위치 신호에 기반합니다.

동영상:

DIN EN ISO 6892-2 Method A1에 따른 금속 인장 시험

ISO 6892-2에 따른 온도 조절 장치 및 온도 제어 요구사항

시험 속도 외에 온도 역시 재료 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 DIN EN ISO 6892-2는 온도 조절 장치 및 온도 제어에 관해서도 자세히 설명합니다.

시편을 가열하는 데 사용하는 온도 조절 장치는 시편이 설정된 시험 온도 T로 가열될 수 있어야 합니다. 아울러 온도 조절 장치에는 온도 센서와 신율계 센서 암에 적합한 개구부가 있어야 합니다. 설정된 시험 온도 T와 지정된 온도 Ti 사이의 허용되는 편차와 시편 길이에 따른 최대 허용 온도 차이가 위의 표에 나와 있습니다. 1,100°C 이상의 허용 편차는 참여 당사자들 간에 결정합니다

온도 측정 시스템(측정 체인의 모든 부분)의 분해능은 최소 1°C, 오차 한계는 ±0,004*T 또는 ±2°C여야 하며, 여기에서 더 높은 값을 고려합니다. 표준에 따라 시험을 수행하려면 온도 센서와 시편 표면의 열 접촉이 양호하고, 온도 조절 장치의 벽에서 나오는 복사열로부터 온도 센서를 적절한 방식으로 보호해야 합니다.

사용하는 온도 센서의 수는 시편의 크기에 따라 다릅니다. 초기 표점 거리가 50mm 미만인 경우에는 시험 길이의 각 끝에 있는 온도 센서 1개로 온도를 측정해야 합니다. 초기 표점 거리가 그보다 긴 경우에는 세 번째 온도 센서를 추가로 시편 중앙에서 사용해야 합니다. 그러나 온도 조절 장치와 시편의 전체 배열(경험에 기초)이 시편 길이에 걸친 온도 차이가 정해진 허용 편차를 초과하지 않는다면 시편 열전대의 수를 줄일 수 있습니다. 어떠한 경우라도 시편의 온도는 하나 이상의 온도 센서로 직접 측정해야 합니다.

또한 ISO 6892-2 표준은 온도 측정 시스템의 모든 부분에 대한 전체 작동 범위의 점검과 최대 1년 안의 교정을 명시하고 있습니다. 시편이 최종적으로 시험 온도 T로 가열되면, 하중을 가하기 전에 최소 10분의 가열 시간을 유지해야 합니다.

ISO 6892-2에 따른 변형률 측정 요구사항

ISO 6892-2는 관련 범위에서 오프셋 항복을 측정하는 데 사용하는 신율계 시스템은 ISO 9513에 따라 최소 Class 1이어야 한다고 규정합니다. 신율계 표점 거리는 10mm 보다 작을 수 없고, 시험 길이의 중심에 있어야 합니다. 온도 조절 장치 바깥에 있는 신율계의 모든 부분(퍼니스, 온도 챔버 등)은 반드시 상온 변동이 측정값에 영향을 거의 미치지 않도록 설계하거나 외풍으로부터 보호해야 합니다. 이 표준은 상온 변동의 가능한 영향에 대한 정보는 더 이상 제공하지 않습니다.

실제로는 시험을 고온에서 수행하기 때문에 실제 시험을 시작하기 전 가열하는 동안 시편의 열팽창을 고려했는지에 따라 초기 표점 거리를 다양하게 설정할 수 있습니다.

ISO 6892-2에 따른 시편 요구사항

시편은 재료 성질에 영향을 미치지 않는 방식으로 준비해야 합니다. 시편을 준비하는 동안 절단이나 펀칭을 통해 변형 경화된 모든 영역은 성질에 영향을 미친다면 가공해야 합니다.

단면이 일정한 제품(프로파일, 바, 와이어 등)과 주조 시편(예: 주철, 비철, 합금)은 가공 없이 시험할 수 있습니다. 시편 단면은 원형, 정사각형, 직사각형, 링 모양일 수 있으며, 경우에 따라 다른 고유한 단면이 있을 수도 있습니다. 초기 표점 거리 Lo와 초기 단면 So 사이에 특정 비율을 보이는 시편이 선호되며, 이 비율은
Lo =k x √So 방정식으로 표현할 수 있습니다. 여기서 k는 비례 계수입니다. 국제적으로 인정되는 k 값은 5.65입니다.

DIN EN ISO 6892-2에 따른 인장 시험을 위한 일반적인 시편 모양:

• 잠금 핀이 있는 판상 시편
• 나사형 단부가 있는 봉상 시편

새로운 DIN EN ISO 6892-2:2018 표준

• 신율계로 시편의 변형률을 측정하여 변형률을 제어하는 것이 더 나은 표준 방법이라는 전 세계적 인식 확립
• 변형률 한계와 항복점을 보다 안정적이고 신뢰할 수 있게 측정하는 방법 마련
• 시험 기관과 인증 기관의 협업을 통해 재료 물성시험기, 시험실, 공급자와 구매자 사이의 결과 재현성 향상
• 모든 변형률 범위에서 변형률의 공차 한계를
  ±20%(A 방법)로 설정

DIN EN ISO 6892-2에 따른 인장 시험과 관련된 제품