최근에는 물류비용의 증가로 인한 경제적 문제 해결과 사용자의 편의성, 효율 증대를 위하여 많은 사무용 기기 및 가전제품의 부품이 고분자 복합재료로 대체되고 있다. 금속 재료와 비교해 볼 때 이러한 고분자 복합재료는 내구 한도가 낮고 환경에 따라 변형이 심하여 사용 횟수의 증가 및 사용 시간의 증가로 인해 피로 파괴 문제가 빈번하게 발생하고 있다. 본 논문에서는 최근 많이 사용되고 있는 HIPS(High Impact Polystyrene, HR-1360) 재료를 대상으로 하여 $20^{\circ}C$(상온), $40^{\circ}C$, $60^{\circ}C$ 환경 조건에서의 정적 강도 특성을 평가 하였으며, 피로 시험을 통하여 HIPS 재료의 피로 수명(S-N) 선도를 구하였다. 또한 마이크로 비커스 경도 시험기를 이용한 경도 시험을 통해 인장강도와 내구 한도를 예측해 보았다.
최근에는 물류비용의 증가로 인한 경제적 문제 해결과 사용자의 편의성, 효율 증대를 위하여 많은 사무용 기기 및 가전제품의 부품이 고분자 복합재료로 대체되고 있다. 금속 재료와 비교해 볼 때 이러한 고분자 복합재료는 내구 한도가 낮고 환경에 따라 변형이 심하여 사용 횟수의 증가 및 사용 시간의 증가로 인해 피로 파괴 문제가 빈번하게 발생하고 있다. 본 논문에서는 최근 많이 사용되고 있는 HIPS(High Impact Polystyrene, HR-1360) 재료를 대상으로 하여 $20^{\circ}C$(상온), $40^{\circ}C$, $60^{\circ}C$ 환경 조건에서의 정적 강도 특성을 평가 하였으며, 피로 시험을 통하여 HIPS 재료의 피로 수명(S-N) 선도를 구하였다. 또한 마이크로 비커스 경도 시험기를 이용한 경도 시험을 통해 인장강도와 내구 한도를 예측해 보았다.
In recent times, there has been considerable interest in HIPS (High Impact Polystyrene) materials for their use in construction of office equipments, home electronics, housing for electronics appliances, packing containers, etc. However, these materials suffer from problems caused by fatigue fractur...
In recent times, there has been considerable interest in HIPS (High Impact Polystyrene) materials for their use in construction of office equipments, home electronics, housing for electronics appliances, packing containers, etc. However, these materials suffer from problems caused by fatigue fracture. Further, their strength is substantially affected by environmental conditions. Therefore, in this study, the effect of temperature was analyzed by performing a tensile test and a fatigue test. It was observed that the yield strength, the ultimate strength, and the fatigue life decreased relatively with an increase in temperature. Further, an S-N curve can be predicted by using the results of the tensile test and a micro-Vickers hardness test.
In recent times, there has been considerable interest in HIPS (High Impact Polystyrene) materials for their use in construction of office equipments, home electronics, housing for electronics appliances, packing containers, etc. However, these materials suffer from problems caused by fatigue fracture. Further, their strength is substantially affected by environmental conditions. Therefore, in this study, the effect of temperature was analyzed by performing a tensile test and a fatigue test. It was observed that the yield strength, the ultimate strength, and the fatigue life decreased relatively with an increase in temperature. Further, an S-N curve can be predicted by using the results of the tensile test and a micro-Vickers hardness test.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 인장 시험을 통하여 HIPS(High Impact Polystyrene, HR-1360) 재료의 20℃(상온), 40℃, 60℃에서의 항복강도, 인장강도 등의 기계적 특성을 평가하고자 한다. 또한, 이러한 인장 시험 데이터를 이용하여 피로 시험에 필요한 시험 하중을 결정하고 피로 시험을 수행하여 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성을 나타내는 S-N 선도를 구하고자 한다.
20℃에서의 인장시험과 피로시험을 바탕으로 S-N 선도를 예측하였다. 수명 1,000 cycle과 일치하는 응력을 인장강도의 90%로 예측을 하고, 수명 1,000,000 cycle의 내구한도와 일치하는 응력을 인장강도의 50%로 예측하였다.
Akashi사의 MKV-H2 마이크로 비커스 경도시험기(시험가능하중 1～2000gf)를 사용하여 시험하중 10gf, 25gf, 50gf에 대하여 각각 10회, 10초씩 하중을 가하여 시험하였다. Fig.
상온(20℃)에서의 시험은 1,000,000 cycle까지 시편이 파단하지 않을 때까지 하중을 변화시켜가며 수행하였다. 고온(40℃, 60℃)의 피로시험은 1,000～100,000 cycle 범위 내에서 시편이 파단되는 하중 범위까지 수행하였다.
고온시험에서는 환경로(Environmental chamber)를 사용하였으며, 강제 순환 방식에 의해 ±1℃ 범위 내에서 온도를 조절하였다.
그러므로, 본 연구에서는 탄성 구간 내에서 하중비 R=0.1, 10Hz로 피로시험을 수행하였으며 각 온도별 시험 결과를 Table 3에 정리하였다. 상온(20℃)에서의 시험은 1,000,000 cycle까지 시편이 파단하지 않을 때까지 하중을 변화시켜가며 수행하였다.
또한, 이러한 인장 시험 데이터를 이용하여 피로 시험에 필요한 시험 하중을 결정하고 피로 시험을 수행하여 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성을 나타내는 S-N 선도를 구하고자 한다. 또한 재료의 브리넬 경도 값을 이용하여 인장강도를 예측하는 방법들 중에서 Mitchell(3)가 제안한 식을 이용하여 본 재료의 인장 강도와 내구 한도를 예측해 보았으며, 실제 인장 강도와 피로 시험 결과와 비교해 보았다.
따라서, 본 연구에서는 인장 시험을 통하여 HIPS(High Impact Polystyrene, HR-1360) 재료의 20℃(상온), 40℃, 60℃에서의 항복강도, 인장강도 등의 기계적 특성을 평가하고자 한다. 또한, 이러한 인장 시험 데이터를 이용하여 피로 시험에 필요한 시험 하중을 결정하고 피로 시험을 수행하여 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성을 나타내는 S-N 선도를 구하고자 한다. 또한 재료의 브리넬 경도 값을 이용하여 인장강도를 예측하는 방법들 중에서 Mitchell(3)가 제안한 식을 이용하여 본 재료의 인장 강도와 내구 한도를 예측해 보았으며, 실제 인장 강도와 피로 시험 결과와 비교해 보았다.
1, 10Hz로 피로시험을 수행하였으며 각 온도별 시험 결과를 Table 3에 정리하였다. 상온(20℃)에서의 시험은 1,000,000 cycle까지 시편이 파단하지 않을 때까지 하중을 변화시켜가며 수행하였다. 고온(40℃, 60℃)의 피로시험은 1,000～100,000 cycle 범위 내에서 시편이 파단되는 하중 범위까지 수행하였다.
상온(20℃)의 경우 Instron사의 0.1ton 유압식 만능 시험기를 사용하여 최대 1,000,000 cycle까지의 피로 시험을 수행하였고, 고온(40℃, 60℃) 시험의 경우에는 1,000~100,000 cycle까지의 시험을 수행하였다. 시험을 위한 모든 시험 장비는 표준 시험법의 조건을 만족하도록 하였다.
수명 1,000 cycle과 일치하는 응력을 인장강도의 90%로 예측을 하고, 수명 1,000,000 cycle의 내구한도와 일치하는 응력을 인장강도의 50%로 예측하였다. 수명 1,000 cycle과 내구한도를 연결하는 선으로 HIPS(HR-1360) 재료의 20℃에서의 S-N 선도를 예측하여 Fig. 5와 같이 나타내었다. 전체적인 예측선도는 시험치와 비슷한 경향을 띄고 있지만 내구한도에 가까워질수록 오차가 커지고 있다.
20℃에서의 인장시험과 피로시험을 바탕으로 S-N 선도를 예측하였다. 수명 1,000 cycle과 일치하는 응력을 인장강도의 90%로 예측을 하고, 수명 1,000,000 cycle의 내구한도와 일치하는 응력을 인장강도의 50%로 예측하였다. 수명 1,000 cycle과 내구한도를 연결하는 선으로 HIPS(HR-1360) 재료의 20℃에서의 S-N 선도를 예측하여 Fig.
시험 장비로는 0.1ton(Instron model 8841) 및 25ton 용량의 전기유압식 재료시험 시스템(Instron model 1332)을 사용하였고, 본 시험을 시작하기 전에 하중, 변위 및 변형율에 대한 교정을 실시하여 시험기의 정밀도를 확인하였다.
1ton 유압식 만능 시험기를 사용하여 최대 1,000,000 cycle까지의 피로 시험을 수행하였고, 고온(40℃, 60℃) 시험의 경우에는 1,000~100,000 cycle까지의 시험을 수행하였다. 시험을 위한 모든 시험 장비는 표준 시험법의 조건을 만족하도록 하였다.
고온시험에서는 환경로(Environmental chamber)를 사용하였으며, 강제 순환 방식에 의해 ±1℃ 범위 내에서 온도를 조절하였다. 인장 시험에서는 고온용 COD 게이지(Capacitec model B)와 증폭기(Capacitec model SP 3200)를 사용하여 각각 게이지 변위(gage length)와 하중선 변위(load line displacement)를 측정하였다.
2% 오프셋법을 사용하여 결정하였다. 인장강도는 ASTM E8에 따라 최대하중을 원단면적으로 나누어 결정하였으며, 또한 시험에서 얻어진 하중-변위 선도로부터 공칭응력-공칭변형률 선도를 얻었다.
대상 데이터
본 피로 특성 평가 시험에 사용된 재료는 HIPS(HR-1360) 고분자 복합 재료이다.
데이터처리
모든 시험의 제어, 데이터 처리 및 결과 해석은 PC를 사용하여 수행하였다. 고온시험에서는 환경로(Environmental chamber)를 사용하였으며, 강제 순환 방식에 의해 ±1℃ 범위 내에서 온도를 조절하였다.
이론/모형
전체적인 예측선도는 시험치와 비슷한 경향을 띄고 있지만 내구한도에 가까워질수록 오차가 커지고 있다. 그러나, 금속재료를 대상으로한 S-N선도 예측방법을 고분자 복합 재료인 HIPS(HR-1360)에 적용하여 S-N선도를 구할 수 있었다.
보간법을 이용하여 비커스 경도값을 브리넬 경도값으로 추정하여, Mitchell(3)이 제안한 Thumb's rule을 이용하여 인장강도를 추정하였다.
인장 시험은 ASTM E8(4)과 ASTM E21(5), ASTM D638(6)의 기준을 만족하도록 하였다.
피로 시험은 ASTM E466(7)과 ASTM E468,(8) ASTM E739(9)의 기준을 만족하도록 하였다.
항복강도는 0.2% 오프셋법을 사용하여 결정하였다. 인장강도는 ASTM E8에 따라 최대하중을 원단면적으로 나누어 결정하였으며, 또한 시험에서 얻어진 하중-변위 선도로부터 공칭응력-공칭변형률 선도를 얻었다.
성능/효과
(1) 인장시험 결과의 경우, 상온(20℃)에서 고온(40℃, 60℃)으로 시험 온도가 증가할수록 HIPS (HR-1360) 재료의 항복강도와 인장강도가 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 시험 온도 증가에 따라 항복강도와 인장강도의 감소 경향이 더욱더 큼을 알 수 있었다.
(2) 피로 시험 결과의 경우, 인장시험에서의 결과와 같이 20℃과 40℃의 차보다 40℃와 60℃의 차가 더 크게 나타나 본 시험재료는 시험 온도 증가에 따라 같은 응력하에서의 피로 수명의 감소 경향이 더 큰 것으로 나타났다.
(3) 인장시험을 이용한 S-N 선도의 예측 결과, 전체적인 예측 선도는 시험치와 비슷한 경향을 보이고 있지만 내구한도에 가까워질수록 오차가 커지고 있다.
(4) 마이크로 비커스 경도시험 결과를 이용한 S-N 선도의 예측은 인장강도는 오차 범위가 적었지만, 내구한도는 오차 범위가 크게 나타났다.
3에 보이는 바와 같이 항복강도와 인장강도가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 20℃, 40℃, 60℃에서 각각의 항복강도와 인장강도의 차를 살펴보면, 20℃ 인장시험을 기준으로 항복강도는 40℃ 인장시험에서 약 8.2% 저하하고, 60℃ 인장시험에서는 약 31.6% 저하된 것으로 나타났다. 항복강도의 저하률이 약 8.
7%가 더 저하되어 HIPS(HR-1360) 재료는 시험 온도 증가에 따라 인장강도의 감소경향은 항복강도의 경향과 유사하였다. 따라서 본 시험재료는 시험 온도 증가에 따라 항복강도와 인장강도의 감소 경향이 더욱더 커지고 항복강도보다 인장강도의 저하률이 더욱 큼을 확인하였다.
(1) 인장시험 결과의 경우, 상온(20℃)에서 고온(40℃, 60℃)으로 시험 온도가 증가할수록 HIPS (HR-1360) 재료의 항복강도와 인장강도가 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 시험 온도 증가에 따라 항복강도와 인장강도의 감소 경향이 더욱더 큼을 알 수 있었다.
마이크로 비커스 경도시험으로 추정한 20℃에서의 인장강도와 내구한도와 3.1절과 3.2절에서 구한 시험 값과 비교해 보면, 인장강도는 약 4%의 오차가 나타났고, 내구한도는 약 20%의 오차가 나타났다.
상온(20℃)에서 고온(40℃, 60℃)으로 피로시험 온도가 증가할수록 같은 응력하에서의 피로 수명이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 인장시험에서의 결과와 같이, 20℃, 40℃, 60℃에서 각각의 같은 응력하에서의 피로 수명이 감소하는 경향을 살펴보면, 20℃과 40℃의 차보다 40℃와 60℃의 차가 더 크게 나타나 본 시험재료는 피로시험 온도 증가에 따라 같은 응력하에서의 피로 수명이 감소 경향이 큰 것으로 나타났다.
후속연구
본 연구에서 수행된 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성 평가 결과는 이 소재를 사용한 제품 및 부품의 피로 수명 평가에 필수적인 자료로서 활용될 것으로 기대된다. 이러한 연구 결과를 이용하면 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 수명 설계가 가능할 것이다.
본 연구에서 수행된 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성 평가 결과는 이 소재를 사용한 제품 및 부품의 피로 수명 평가에 필수적인 자료로서 활용될 것으로 기대된다. 이러한 연구 결과를 이용하면 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 수명 설계가 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
피로란 무엇인가?
피로란 재료가 반복 응력이나 반복 변형을 받아 구조물의 일부에서 점진적인 영구변형이 생기고 상당한 기간 동안 반복되면 균열이 생기거나 완전 파괴에 이를 수도 있는 현상이다. 대부분의 기계 및 구조물은 사용 시 변동하중 상태에 놓이는 경우가 많게 되고 이에 따라 변동응력이 작용 되며 그 재료의 정적강도(static strength)보다 상당히 작은 값이라도 오랫동안 반복되면 파괴가 발생하게 되는데 이를 피로파괴(fatigue fracture)라 한다.
피로파괴란 무엇인가?
피로란 재료가 반복 응력이나 반복 변형을 받아 구조물의 일부에서 점진적인 영구변형이 생기고 상당한 기간 동안 반복되면 균열이 생기거나 완전 파괴에 이를 수도 있는 현상이다. 대부분의 기계 및 구조물은 사용 시 변동하중 상태에 놓이는 경우가 많게 되고 이에 따라 변동응력이 작용 되며 그 재료의 정적강도(static strength)보다 상당히 작은 값이라도 오랫동안 반복되면 파괴가 발생하게 되는데 이를 피로파괴(fatigue fracture)라 한다.
HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성 평가 연구에 대한 결론은 무엇인가?
HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성 평가를 실시하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.(1) 인장시험 결과의 경우, 상온(20℃)에서 고온(40℃, 60℃)으로 시험 온도가 증가할수록 HIPS (HR-1360) 재료의 항복강도와 인장강도가 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 시험 온도 증가에 따라 항복강도와 인장강도의 감소 경향이 더욱더 큼을 알 수 있었다.
(2) 피로 시험 결과의 경우, 인장시험에서의 결과와 같이 20℃과 40℃의 차보다 40℃와 60℃의 차가 더 크게 나타나 본 시험재료는 시험 온도 증가에 따라 같은 응력하에서의 피로 수명의 감소 경향이 더 큰 것으로 나타났다.
(3) 인장시험을 이용한 S-N 선도의 예측 결과, 전체적인 예측 선도는 시험치와 비슷한 경향을 보이고 있지만 내구한도에 가까워질수록 오차가 커지고 있다.
(4) 마이크로 비커스 경도시험 결과를 이용한 S-N 선도의 예측은 인장강도는 오차 범위가 적었지만, 내구한도는 오차 범위가 크게 나타났다.
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ASTM Standard E468, "Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials," Annual Book of ASTM Standards, ASTM Philadelphia
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