ASTM D638: 플라스틱 인장 시험

소개

플라스틱 공학 및 고분자 과학에서는 재료의 기계적 특성을 알아야 합니다. 모든 재료 특성 중에서 가장 중요한 것은 인장 강도, 즉 재료가 장력을 받았을 때 고장 없이 견딜 수 있는 응력의 양입니다. 미국 재료 시험 협회(ASTM)에서 국제적으로 인정하는 표준인 ASTM D638은 실험실 조건에서 플라스틱의 인장 특성을 테스트하는 방법을 제공합니다.

ASTM D638이란?

ASTM D638, 즉 "플라스틱의 인장 특성에 대한 표준 시험 방법"은 열가소성 및 열경화성 폴리머의 인장 강도, 파단 신장률, 탄성 계수를 시험하는 방법, 시편 유형 및 시험 조건에 대해 설명합니다. 반강성 및 경질 플라스틱에 적용 가능하며 다양한 제조업체의 제품 또는 다양한 가공 방법을 비교할 수 있는 수단을 제공합니다.

인장 시험을 반복할 수 있도록 재료가 표준화되어 있어 시험 속도, 그립 유형 및 시편 형태 변화를 최소화합니다. ASTM D638은 광범위한 용도로 사용되며 엔지니어링 설계, 재료 선택 및 규제 지원의 기초를 형성합니다.

시편 유형 및 준비

ASTM D638 규격은 크기에 따라 다섯 가지 유형의 시험편(유형 I ~ 유형 V)을 분류합니다. 유형 I과 유형 IV가 가장 많이 사용됩니다:

유형 I: 총 길이 165mm, 단면 폭 13mm, 두께 3.2mm. 일반적인 플라스틱의 일반 인장 시험에 가장 많이 사용됩니다.

유형 IV: 총 길이 115mm, 얇은 단면 폭 6mm, 두께 3mm. 재료 가용성이 제한적인 경우 또는 비교 기반 연구로 사용됩니다.

시편은 사출 성형, 압축 성형, 압출 또는 판재에서 절단하여 제작할 수 있습니다. 또한 시편은 인장 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 표면에 공극, 긁힘 또는 불규칙성과 같은 결함이 없는지 주의해야 합니다.

테스트 절차

인장 시험은 시편을 범용 시험기(UTM) 내부에 넣고 시편에 제어된 일축 인장 하중을 가하여 파단까지 시험하는 것입니다. 이 과정과 관련된 몇 가지 중요한 요소는 다음과 같습니다:

1. 그립 선택: 시편은 공압식 또는 기계식 그립으로 잡습니다. 그립은 미끄러짐을 유발해서는 안 되며 그립이 응력 집중의 원인이 되어서는 안 됩니다.

2. 테스트 속도: 크로스헤드 속도는 재료 유형 및 테스트 시편 두께에 따라 다릅니다. 두께가 3.2mm인 공칭 유형 I 시편의 경우, 속도는 보통 50mm/min입니다. 속도는 점탄성 플라스틱의 경우 측정된 연신율과 인장 강도에 영향을 줄 수 있습니다.

3. 컨디셔닝 환경: 시편은 ASTM D618에 따라 상대 습도 50%, 온도 23°C에서 최소 40시간 동안 컨디셔닝하여 수분 함량 및 온도와 관련하여 가능한 한 안정적입니다.

측정되는 주요 속성

ASTM D638 테스트에는 가장 중요한 몇 가지 재료 특성이 포함됩니다:

항복 시인장 강도: 영구적인 변형이 일어나기 전에 재료가 견딜 수 있는 최대 응력. 예를 들어, HDPE는 일반적으로 20-30MPa에서 항복하는 반면, 폴리카보네이트(PC)는 60-70MPa에서 항복할 수 있습니다.

파단 인장 강도: 시편이 최종적으로 파단되는 응력. 폴리스티렌과 같은 취성 플라스틱은 항복점 또는 그 근처에서 파단되는 반면, 폴리에틸렌과 같은 연성 플라스틱은 파단되기 전에 상당히 늘어납니다.

파단 연신율: 파단 연신율: 파단 시 길이의 연신율을 백분율로 나타낸 값입니다. HDPE는 400~600%의 연신율을 보이는 반면, 폴리스티렌은 5% 미만입니다.

탄성 계수(영의 계수): 응력-변형률 곡선의 첫 번째 선형 부분의 기울기로부터 강성을 측정한 값입니다. 예를 들어, 폴리프로필렌은 약 1.5-2 GPa, PVC는 최대 3-3.5 GPa의 탄성률을 가집니다.

엔지니어는 이러한 값을 적용하여 재료가 파손 또는 영구 변형 없이 작동 하중을 견딜 수 있는지 여부를 결정합니다.

ASTM D638 테스트의 적용 분야

1. 엔지니어링 소재 선택

설계자는 ASTM D638 데이터에서 구조 부품용 플라스틱을 대조합니다. 예를 들어, 인테리어 패널과 같은 차량 부품용 소재를 선택할 때 인장 강도와 연신율은 플라스틱이 충격에 강하고 균열 없이 유연한지 여부를 결정합니다.

2. 제조 품질 관리

플라스틱 제조업체는 기계적 특성이 일정한지 확인하기 위해 때때로 배치 테스트를 수행할 수 있습니다. 다양한 압출 온도, 사출 압력 또는 냉각 속도는 인장 특성에 영향을 미칩니다. ASTM D638은 배송 전에 재료가 사양을 충족하는지 확인하기 위해 허용되는 방법입니다.

3. 연구 및 개발

R&D에서 인장 시험은 원자재에 첨가제, 필러 또는 보강재가 미치는 영향을 결정합니다. 예를 들어, 폴리프로필렌에 유리 섬유를 첨가하면 인장 강도가 30MPa에서 80MPa 이상으로 두 배가 되고 파단 연신율은 절반으로 감소합니다. ASTM D638은 제형 간의 효과적인 비교를 보장합니다.

4. 규정 준수

의료 기기, 식품 팩 및 전자 부품은 ISO, FDA 또는 ASTM 규정 표준을 충족하기 위해 ASTM D638에 따른 기계적 테스트가 필요한 경우가 많습니다. FDA 승인을 받은 폴리에틸렌 튜브는 의료 기기에서 안전한 사용을 보장하기 위해 인장 특성 균일성이 보장되어야 하는 대표적인 사례 중 하나입니다.

결론

ASTM D638은 플라스틱의 인장 특성 테스트의 기본이 되는 표준입니다. 테스트, 시편 준비 및 분석에 대한 신뢰할 수 있는 절차를 제공함으로써 엔지니어와 제조업체는 재료 선택, 제품 설계 및 품질 보증에 대해 충분한 정보를 바탕으로 의사 결정을 내릴 수 있습니다. 자동차 패널부터 의료 기기에 이르기까지 이 표준은 플라스틱이 기계적 스트레스를 받을 때 일관되고 안전하게 작동하도록 보장합니다. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.