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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 인장 시험을 통하여HIPS(High Impact Polystyrene, HR-1360) 재료의 20'C(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.
- Iton 유압식 만능 시험기를 사용하여 최대 1,000, 000 cycle까지의 피로 시험을 수행하였고, 고온(40P, 60t) 시험의 경우에는 1,000~100,000 cycle까지의 시험을 수행하였다. 시험을 위한 모든 시험 장비가 표준시험법의 조건에 만족되도록 하였다.
제안 방법
- 20"C, 40℃, 60℃의 HIPS(HR-1360) 재료의 인장시험에서는 하중-변위 (load-displacement) 선도를 구하여 공칭응력-공칭변형률 선도를 구하였다.
- 2.2 절의 시편을 준비한 후 2.4 절의 방법에 따라 피로시험을 수행하였다.
- 20X: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 미세 경도시험기(시험 가능 하중 1 ~2000gf)S 사용하여 시험하중 10gf, 25gf, 50gf에 대하여 각각 10회, 10초씩 하중을 가하여 시험하였다.
- 고온시험에서트환경로(Environmental chamber)를 사용하였으며, 강제 순환 방식에 의해.土 It 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.
- 상온 (20P)에서의 시험은 1,000, 000 cycle까지 시편이 파단하지 않을 때까지 하중을 변화시켜가며 수행하였다. 고온(40℃, 60℃)3] 피로시험은 1, 000~ 100, 000 cycle 범위 내에서 시편이 파단되는 하중 범위까지 수행하였다.
- PC를 사용하여 수행하였다. 고온시험에서트환경로(Environmental chamber)를 사용하였으며, 강제 순환 방식에 의해.土 It 범위 내에서 온도를 조절하였다.
- 그러므로, 본 연구에서는 탄성 구간 내에서 하중 비 R=0.1, 1아Iz로 피로시험을 수행하였으며 각 온도별 시험 결과를 Table 3에 정리하였다. 상온 (20P)에서의 시험은 1,000, 000 cycle까지 시편이 파단하지 않을 때까지 하중을 변화시켜가며 수행하였다.
- 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. 본 연구에서 수행될 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성 평가 결과는 이 소재를 사용한 제품 및 부품의 피로 수명 평가에 필수적인 자료로서 활용될 것으로 기대된다.
- 브리넬(Brinell) 경도시험기를 이용하여 20℃에서 HIPS(HR-1360) 재료의 인장강도와 내구 한도를 추정하려 했으나, 브리넬 경도시험기와 시험 조건이 맞지 않아 미세 비커스(vickers) 경도 시험기로 경도값을 측정하였다. 비커스 경도값을 브리넬경도 값으로 환산하여 HIPS(HR-1360) 재료의 인장강도와 내구한도를 추정하였다.
- 측정하였다. 비커스 경도값을 브리넬경도 값으로 환산하여 HIPS(HR-1360) 재료의 인장강도와 내구한도를 추정하였다.
- 1, 1아Iz로 피로시험을 수행하였으며 각 온도별 시험 결과를 Table 3에 정리하였다. 상온 (20P)에서의 시험은 1,000, 000 cycle까지 시편이 파단하지 않을 때까지 하중을 변화시켜가며 수행하였다. 고온(40℃, 60℃)3] 피로시험은 1, 000~ 100, 000 cycle 범위 내에서 시편이 파단되는 하중 범위까지 수행하였다.
- 상온(20P)의 경우 Instron사의 O.Iton 유압식 만능 시험기를 사용하여 최대 1,000, 000 cycle까지의 피로 시험을 수행하였고, 고온(40P, 60t) 시험의 경우에는 1,000~100,000 cycle까지의 시험을 수행하였다. 시험을 위한 모든 시험 장비가 표준시험법의 조건에 만족되도록 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.
- 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.lton(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.
- 土 It 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 원단 면적으로 나누어 결정하였으며, 또한 시험에서 얻어진 하중-변위 선도로부터 공칭응력-공칭변형률 선도를 얻었다.
- 피로 시험은 ASTM E466但과 ASTM E468(7), ASTM E739(3)의 기준을 만족하도록 하였다.
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. 고온시험에서트환경로(Environmental chamber)를 사용하였으며, 강제 순환 방식에 의해.
이론/모형
- 보간법을 이용하여 비커스 경도값을 브리넬 경도값으로 추정하여, Thumb's rule을 이용하여 인장강도를 추정하였다. 미세 비커스 경도값 13.
- 항복강도는 0.2% 오프셋법을 사용하여 결정하였다. 인장강도는 ASTM E8에 따라 최대하중을 원단 면적으로 나누어 결정하였으며, 또한 시험에서 얻어진 하중-변위 선도로부터 공칭응력-공칭변형률 선도를 얻었다.
성능/효과
- (1) 인장시험 결과의 경우, 상온(20P)에서 고온 (40t, 60©으로 시험 온도가 증가할수록 HIPS(HR-1360) 재료의 항복강도와 인장강도가 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 시험 온도 증가에 따라 항복강도와 인장강도의 감소 경향이 더욱더 커질 것으로 사료된다.
- (2) 피로 시험 결과의 경우, 인장시험에서의 결과와 같이 20P과 40T:의 차보다 40P와 &TC의차가 더 크게 나타나 본 시험재료는 시험 온도증가에 따라 같은 응력하에서의 피로 수명이 감소 경향이 큰 것으로 나타났다.
- (3) 인장시험을 이용한 S-N 선도의 예측은 전체적인 예측선도는 시험치와 비슷한 경향을 보이고 있지만 내구한도에 가까워질수록 오차가 커지고 있다.
- (4) 미세 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℃, 401C, 60℃에서 각각의 항복강도와 인장강도의 차를 살펴보면, 20℃ 인장시험을 기준으로 항복강도는 40C 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 항복강도와 비슷하게 인장강도의 감소 경향이 더욱더 커질 것으로 사료된다. 따라서, 본 시험재료는 시험 온도 증가에 따라 항복강도와 인장강도의 감소 경향이 더욱더 커지고 항복강도보다 인장강도의 저하률이 더욱 커질 것으로 사료된다.
- 미세 비커스 경도시험으로 추정한 20℃에서의 인장강도와 내구한도와 3.1 절과 3.2절에서 구한 시험 값과 비교해 보면, 인장강도는 약 4%의 오차가 나타났고, 내구한도는 약 20%의 오차가 나타났다.
- 상온(2 0℃)에서 고온(40℃, 60℃)으로 피로시험 온도가 증가할수록 같은 응력하에서의 피로 수명이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 인장시험에서의 결과와 같이, 20X3, 40℃, 60℃에서 각각의 같은 응력하에서의 피로 수명이 감소하는 경향을 살펴보면, 20℃과 40℃의 차보다 40℃와 60℃의 차가더 크게 나타나 본 시험재료는 피로시험 온도 증가에 따라 같은 응력하에서의 피로 수명이 감소 경향이 큰 것으로 나타났다.
후속연구
- 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. 본 연구에서 수행될 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성 평가 결과는 이 소재를 사용한 제품 및 부품의 피로 수명 평가에 필수적인 자료로서 활용될 것으로 기대된다. 이러한 연구결과를 이용하면 HIPS (HR-1360) 재료의 피로 수명 설계가 가능할 것이다.
- 본 연구에서 수행될 HIPS(HR-1360) 재료의 피로 특성 평가 결과는 이 소재를 사용한 제품 및 부품의 피로 수명 평가에 필수적인 자료로서 활용될 것으로 기대된다. 이러한 연구결과를 이용하면 HIPS (HR-1360) 재료의 피로 수명 설계가 가능할 것이다.
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