만능재료시험기란 무엇입니까? 완전한 가이드

만능재료시험기(유TM)는 기계적 특성(가장 일반적으로 인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 탄성 계수)을 측정하기 위해 재료 시편에 제어된 인장, 압축, 굽힘, 전단 및 굽힘력을 적용할 수 있는 기계 시험 장비입니다. "범용"이라는 단어는 무제한 용량이 아니라 테스트 설비를 변경하여 단일 프레임에서 여러 유형의 기계적 테스트를 수행할 수 있는 능력을 의미합니다. 부하 용량 범위는 다음과 같습니다. 섬세한 재료의 경우 1kN 미만 필름, 섬유 등 구조용 강철 및 콘크리트의 경우 2,000kN 이상 구성 요소.

만능인장시험장비 금속, 고분자, 복합재, 직물, 고무, 접착제, 건축 자재, 의료 기기, 포장 등 거의 모든 제조 및 연구 부문에서 설계, 품질 관리 또는 규정 준수를 위해 기계적 부하 하에서 재료가 어떻게 거동하는지에 대한 정량적 데이터가 필요한 모든 곳에서 사용됩니다.

만능재료시험기의 작동 원리

UTM의 기본 작동 원리는 간단합니다. 두 개의 고정 장치(고정 장치와 이동 장치) 사이에 시편을 고정하고 제어된 힘을 가하는 동시에 기계가 적용된 힘과 시편의 변위 또는 변형을 측정합니다. 이 두 측정 간의 관계는 모든 주요 기계적 특성이 파생되는 응력-변형 곡선을 생성합니다.

로드 프레임 및 드라이브 시스템

로드 프레임은 편향 없이 테스트 힘에 저항할 수 있는 구조적 강성을 제공합니다. 일반적인 프레임은 2개 또는 4개의 수직 기둥, 한쪽 끝에 있는 고정 크로스헤드, 테스트 액추에이터에 의해 구동되는 이동식 크로스헤드로 구성됩니다. 구동 시스템은 제어된 속도로 크로스헤드를 움직이거나 제어된 속도로 힘을 가합니다. 두 가지 드라이브 기술이 지배적입니다.

• 전자기계식(나사 구동식) - 서보 모터는 크로스헤드를 이동시키기 위해 볼스크류 또는 리드스크류를 구동합니다. 매우 정확한 속도 제어, 조용한 작동, 에너지 효율적; 대부분의 인장, 압축 및 굴곡 테스트에 적합합니다. 0.1N ~ 600kN
• 서보유압 - 유압이 크로스헤드에 부착된 피스톤과 로드를 움직입니다. 매우 높은 힘을 견딜 수 있음( 200kN ~ 5,000kN 이상 ), 고속 동적 테스트 및 피로 사이클링; 유압 동력 장치 유지 관리가 필요하고 전기 기계 시스템보다 소음과 열이 더 많이 발생합니다.

힘 측정: 로드셀

힘은 금속 요소에 결합된 스트레인 게이지를 사용하여 기계적인 힘을 전기 신호로 변환하는 정밀 변환기인 로드 셀에 의해 측정됩니다. 로드 셀은 크로스헤드와 상부 그립 사이의 로드 트레인에 장착됩니다. 최신 로드 셀은 다음과 같은 정확도를 달성합니다. 표시부하의 ±0.5% 또는 ISO 7500-1 클래스 0.5 또는 ASTM E4 요구 사항을 충족하여 전체 크기의 1%~100% 범위에서 더 좋습니다.

대부분의 UTM에는 다양한 힘 범위를 포괄하는 교체 가능한 로드 셀이 함께 제공됩니다. 예를 들어 구조 테스트를 위해 50kN 프레임을 50kN 로드 셀과 함께 사용하거나 박막 테스트를 위해 500N 로드 셀을 사용하여 기계의 유효 범위를 크게 확장할 수 있습니다.

변위 및 변형률 측정

크로스헤드 변위는 기계에 내장된 인코더로 측정되지만 여기에는 프레임 컴플라이언스와 그립 슬립이 포함됩니다. 이는 정확한 스트레인 측정의 오류 원인입니다. 정확한 재료 변형률 데이터를 위해 전용 신율계가 시편 게이지 길이에 직접 부착됩니다. 유형은 다음과 같습니다.

• 접촉식 신율계 - 스트레인 게이지 또는 LVDT가 있는 클립형 칼날 장치; 정확하다 ±0.5 µm 변위 ; 손상을 방지하려면 시편이 파손되기 전에 제거해야 합니다.
• 비디오 신율계 - 시편 표면에 표시된 지점을 추적하는 비접촉 광학 시스템; 접촉이 측정을 방해할 수 있는 취약하거나 신장률이 높은 시편 및 재료에 적합합니다. 일반적으로 해상도 0.001~0.01mm
• 디지털 이미지 상관관계(DIC) - 전체 시편 표면에 걸친 고급 전체 장 변형 측정; 단일 평균 변형률 값이 아닌 변형률 분포 맵을 제공합니다. 연구 및 고급 고장 분석에 사용됩니다.

인장 시험: 측정 대상 및 중요한 이유

인장 시험은 만능 시험기에서 수행되는 가장 일반적인 시험이며 전 세계 대부분의 재료 사양의 기초입니다. 표준화된 도그본 또는 직사각형 시편은 파손될 때까지 제어된 크로스헤드 속도로 장력을 가하여 시편의 단면적과 게이지 길이를 사용하여 응력-변형 곡선으로 변환되는 힘-변위 곡선을 생성합니다.

다음 주요 특성은 단일 인장 시험에서 파생됩니다.

실제적인 예로: 구조용 강철 등급 S355의 최소 지정 UTS는 다음과 같습니다. 470~630MPa , 항복 강도 최소 355MPa , 그리고 최소 신장 22% . 만능 시험기는 강철이 구조물에 사용되도록 승인되기 전에 재료 사양과 비교하여 이러한 값을 확인합니다.

만능재료시험기에서 수행되는 기타 시험

인장 시험에 사용되는 동일한 로드 프레임은 고정 장치와 시험 구성을 변경하여 다양한 기계적 시험을 수행할 수 있습니다. 이러한 다용성은 "범용" 지정을 정당화하고 단일 UTM이 실험실의 다양한 테스트 요구 사항을 충족할 수 있게 해줍니다.

압축 테스트

크로스헤드가 아래쪽으로 이동하여 두 압반 사이의 시편을 압축합니다. 콘크리트의 압축 강도를 측정하는 데 사용됩니다(일반적으로 20~100MPa 구조용 등급), 세라믹, 폼 포장, 고무 개스킷 및 뼈. 콘크리트 큐브 및 실린더 압축 테스트는 건설 업계에서 UTM이 가장 많이 사용되는 응용 분야 중 하나입니다.

3점 및 4점 굽힘(굴곡) 테스트

빔 시편은 두 지점에서 지지되고 지지대 사이의 한 지점(3 지점) 또는 두 지점(4 지점)에 로드됩니다. 굽힘 강도 및 굽힘 계수를 측정합니다. 특히 인장 그립 실패로 인해 직접적인 인장 시험이 어려운 세라믹, 복합재, 플라스틱과 같은 부서지기 쉬운 재료에 중요합니다. 표준에는 플라스틱의 경우 ISO 178 및 ASTM D790, 치과용 세라믹의 경우 ISO 6872가 포함됩니다.

박리 및 전단 접착력 테스트

접착 조인트, 라미네이트, 테이프 및 코팅은 정의된 각도(90°, 180°, T-박리)에서 떼어내거나 접착면에서 전단하여 테스트됩니다. 결과는 박리 테스트의 경우 N/mm 너비로 표시되고 랩 전단 테스트의 경우 MPa로 표시됩니다. 포장, 자동차 접착 본딩 및 의료 기기 접착 인증에 매우 중요합니다.

인열 저항 테스트

필름, 직물 및 얇은 고무 시트는 ISO 34 또는 ASTM D1004에 따라 바지, 혀 또는 각도 인열 테스트 구성을 사용하여 인열 전파에 대한 저항성을 테스트합니다. 최대 힘과 평균 인열력이 보고됩니다.

보증 하중 및 부품 테스트

패스너, 스프링, 체인, 로프, 안전 장치, 의료용 임플란트 등 완성된 구성 요소는 지정된 보증 하중을 적용하고 영구 변형이 발생하지 않는지 확인하거나 최소 파단 하중을 확인하기 위해 파괴까지 테스트하여 테스트됩니다. 에이 500kN UTM EN 818 및 유사한 표준에 따라 리프팅 장비 및 체인을 검증하는 데 일반적으로 사용됩니다.

만능재료시험기 구성 및 프레임 유형

UTM은 각각 다양한 부하 범위, 공간 제약 및 테스트 유형에 적합한 여러 가지 물리적 구성으로 제조됩니다.

범용 인장 시험 장비 선택 시 주요 기술 사양

실험실이나 생산 환경에 적합한 UTM을 선택하려면 헤드라인 부하 용량 이상의 사양을 평가해야 합니다. 다음 매개변수는 측정 정확도, 테스트 다양성 및 장기 유용성에 직접적인 영향을 미칩니다.

부하 용량 및 힘 분해능

기계의 정격 부하 용량은 테스트에서 예상되는 최대 힘을 충분히 초과해야 합니다. 일반적으로 프레임은 다음 수준에서 선택됩니다. 활용도 60~80% 100%가 아닌 낮은 부하에서 정확성을 보장하고 과부하 이벤트를 방지합니다. 힘 분해능(측정 가능한 가장 작은 힘 증분)도 똑같이 중요합니다. 100kN 프레임의 분해능은 1~10N에 불과하며 이는 5~50N에서 파손되는 얇은 필름을 테스트하는 데 부적합합니다. 이러한 경우 더 큰 프레임에 장착된 저용량 로드 셀(예: 500N)이 필요한 분해능을 제공합니다.

크로스헤드 속도 범위

테스트 표준은 다양한 재료 및 테스트에 대한 크로스헤드 속도를 지정합니다. 금속에 대한 ISO 6892-1은 변형률을 지정합니다. 0.00025~0.0025초⁻¹ 탄성 영역에서 플라스틱에 대한 ISO 527은 크로스헤드 속도를 사용합니다. 1~500mm/분 . 기계의 속도 범위는 모든 해당 표준을 충족해야 합니다. 대부분의 전기 기계 UTM은 다음과 같은 속도를 제공합니다. 0.001mm/분 ~ 1,000mm/분 , 준정적 테스트 요구 사항의 대부분을 다루고 있습니다.

테스트 공간(일광)

최대 분리 시 그립 사이의 수직 거리에 따라 기계가 수용할 수 있는 최대 시편 길이가 결정됩니다. 신율계를 사용한 인장 시험의 경우 최소 400~600mm 일광 일반적으로 ISO 6892에 따른 표준 금속 표본에 필요합니다. 더 긴 표본(로프, 케이블, 철근)에는 다음이 포함된 수평 기계 또는 수직 프레임이 필요합니다. 1,500~3,000mm 일광 .

정확도 등급 및 교정

UTM 정확도는 ISO 7500-1(금속) 또는 ASTM E4(미국)에 따라 분류됩니다. 클래스 0.5는 기계가 힘을 측정함을 나타냅니다. 표시된 값의 ±0.5% 로드셀 용량의 1%에서 100%까지. 클래스 1(±1%)은 대부분의 산업 품질 관리 응용 분야에 적합합니다. 국제 표준에 따른 테스트를 위해 추적 가능한 정확성을 유지하려면 공인된 실험실에서 매년 교정을 수행해야 합니다.

제어 및 데이터 수집 소프트웨어

최신 UTM은 크로스헤드 이동을 제어하고 일반적으로 샘플링 속도로 힘 및 변위 데이터를 수집하는 PC 기반 소프트웨어를 통해 작동됩니다. 10Hz ~ 2,500Hz , 재료 특성을 자동으로 계산하고 테스트 보고서를 생성합니다. 주요 소프트웨어 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 공통 표준(ISO, ASTM, EN, DIN, GB)에 대해 사전 프로그래밍된 테스트 방법
• 원시 데이터 곡선에서 필요한 모든 재료 특성의 자동 계산
• 여러 표본의 통계 분석(평균, 표준편차, 최소/최대)
• 표준 형식(CSV, Excel, PDF)으로 내보내기 및 LIMS 시스템과 통합
• 전자 기록 및 감사 추적이 필요한 제약 및 의료 기기 실험실에 대한 21 CFR Part 11 준수

그립 및 고정 장치: 기계와 시편 사이의 인터페이스

그립 시스템은 유효한 인장 시험 결과를 얻는 데 있어 가장 중요한 요소일 것입니다. 부적절한 그립으로 인해 시편이 미끄러지거나(강도가 과소보고됨) 그립 인터페이스에서 조기 파손(파괴 데이터 무효화)이 발생합니다. UTM은 테스트 중인 특정 시편에 대한 고정구만큼만 우수합니다.

일반적인 그립 유형

• 웨지 그립(자체 조임) - 평평하고 둥근 금속, 플라스틱 및 복합 시편을 위한 가장 일반적인 그립; 인장 하중이 증가함에 따라 그립력도 증가합니다. 다음의 하중에 적합 1kN ~ 600kN ; 공압식, 유압식 및 수동 조임 버전으로 제공
• 공압 그립 - 공기압은 제어되고 일관된 클램핑 힘으로 조를 닫습니다. 수동으로 조이면 손상이 발생할 수 있는 부드러운 소재(고무, 폼, 직물)에 적합합니다. 표본 간 정확하고 반복 가능
• 핀 및 클레비스 그립 - 구멍이 있는 시험편(볼트 조인트, 체인 링크, 나사봉, 안전 장치 웨빙)을 테스트하는 경우 하중은 표면 마찰이 아닌 핀을 통해 가해집니다.
• 캡스턴(볼라드) 그립 - 클램핑으로 인해 손상될 수 있는 와이어, 원사 및 섬유의 경우 시편을 드럼에 감고 마찰을 사용하여 점차적으로 파지력을 발생시킵니다.
• 압축 플래튼 - 큐브, 실린더 및 디스크의 압축 시험을 위한 편평한 경화 강판 작은 표본의 비평행성을 수용하려면 구형으로 장착되어야 합니다.

만능 인장 시험에 대한 주요 국제 표준

재료 테스트는 시편 형상, 테스트 속도, 환경 조건 및 계산 방법을 정의하는 공개 표준을 따라야 합니다. 결과가 의미 있고 비교 가능하며 재료 사양 또는 규제 요구 사항을 준수하려면 재료 및 응용 분야에 대한 올바른 표준을 사용하는 것이 필수입니다.

UTM과 전용 인장 시험기: 각각을 선택하는 시기

전용 인장 시험기 단일 시험 유형(일반적으로 인장 전용)에 최적화되어 있으며 설계가 단순하고 비용이 낮으며 때로는 대용량 단일 재료 시험 환경을 위한 더 높은 처리량을 제공합니다. 만능재료 시험기는 비용이 더 많이 들지만 실험실 요구 사항이 발전함에 따라 다양한 시험 유형을 수행할 수 있는 유연성을 제공합니다.

• 전용 인장 시험기를 선택하세요 언제: 실험실에서 대량으로 단일 재료 유형을 테스트하고(예: 신선 공장에서 들어오는 와이어 검사) 예산이 제한되어 있으며 다른 테스트 유형이 예상되지 않습니다.
• 만능재료시험기를 선택하세요 언제: 실험실에서 여러 재료 유형을 테스트하거나 여러 테스트 유형(인장, 압축, 굴곡, 박리)을 수행합니다. 재료 혼합은 시간이 지남에 따라 변경될 수 있습니다. 또는 연구 개발 테스트에는 테스트 구성의 유연성이 필요합니다.

대부분의 산업 품질 관리 및 R&D 실험실에서는 UTM이 올바른 선택입니다. 전용 인장 시험기에 대한 추가 비용은 압축, 굴곡 또는 접착 시험을 위해 별도의 장비를 구매할 필요가 없으므로 일반적으로 몇 달 내에 회수됩니다.

환경 및 온도 테스트 액세서리

많은 재료는 주변 온도 이외의 온도에서 매우 다르게 작동합니다. 폴리머는 낮은 온도에서 부서지기 쉽고, 금속은 높은 온도에서 크리프되며, 접착제는 열에 부드러워질 수 있습니다. 만능 시험기에는 환경 챔버가 장착되어 제어된 온도 및 습도 조건으로 시험 기능을 확장할 수 있습니다.

• 환경 챔버(온도) - UTM의 테스트 영역 주위에 장착합니다. 일반적인 범위 -70°C ~ 350°C ; ISO 6892-2(고온 금속 인장 테스트)와 같은 표준에 따라 주변 온도가 아닌 온도에서 인장, 압축 및 굴곡 테스트가 가능합니다.
• 습도 챔버 — 상대 습도를 제어합니다. 10%~98%RH 온도와 동시에; 흡습성 재료(나일론, 종이, 목재) 및 열대 또는 냉장 환경에 적합한 제품을 테스트하는 데 사용됩니다.
• 액체 목욕 비품 - 시험 중 시편을 액체(물, 기름, 화학 용액)에 담그십시오. 씰, O-링 및 화학 서비스 재료의 인증에 사용됩니다.
• 극저온 그립 — 액체질소에서 시험을 허용합니다( -196°C ) 항공우주 재료, 초전도체 와이어 및 저온 구조 응용 분야