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실제로 열가소성 프라스틱으로 만든 모든 제품은 그 수명 기간중에 기계적인 하중의 영향을 받는다.

인장 강도, 탄성 계수, 충격 강도 및 신율 같은 기계적 특성이 재료 선정시의 기준으로서 자주 사용된다.

제품 설계자가 수지의 기계적 특성과 제품의 용도에 따른 성능요구 사항과의 정확한 관계를 파악하기 보다는 다양한 수지의 종류와 그레이드별 물성치 비교에만 너무 치중한다.

열가소성 프라스틱 제품의 대부분의 용도는 환경이나 온도와 같은 다른 요소의 영향이 없이 기계적 하중만을 받는 경우는 거의 없다.

재료의 물성표에 나와 있는 물성치는 일정한 실험실 조건에서 표준 시험 장비와 표준시험 방법으로 시험하여 나온 결과치로서 재료의 사양 결정시와 재료 선정시에 이 자료만을 의존하는 것은 상당히 위험하다.

그러므로 기계적 특성과 그의 환경과 온도에 따른 영향을 완전히 이해하는 것이 필요하다.

2-1 단기 응력/변형율 거동
SHORT TERM STRESS/STRAIN BEHAVIOUR

수직 응력은 원래의 단면적에 대한 가해진 하중의 비로서 정의되고 N/㎡으로 표기한다.

응력 = 하중/면적 또는 σ= F/A

수직 변형율은 하중이 가해진 결과로 인하여 재료에 일어난 변형량의 측정치로서 정의된다. 변형율은 동일한 단위를 갖는 두치수의 비로서 단위가 없다.

변형율 ＝ 길이의 변화량/원래의 길이 또는 ε= ΔL/L

일반적인 재료에서 응력과 변형율과의 관계는 온도에 따라 다르다.

열가소성 프라스틱에서는 시간과 변형율 속도에 따라서도 다르다.

열가소성 프라스틱은 점탄성 재료로서 응력이 가해 졌을 때 소성 변형(또는 점성흐름)과 탄성의 2가지 현상이 나타난다.

탄성은 에너지를 저장하고 시간이 지남에 따라 재료의 변형이 원위치로 되돌아 가는 반면에 점성 흐름은 마찰열로서 에너지를 방출하고 재료에 영구 변형을 일으킨다.

이와 같이 제품에 나타나는 현상은 적용 응력과 변형율의 크기, 기간 및 속도에 의하여 온도와 관계되어 결정된다.

그림 6에 일반적인 응력/변형율 곡선에 대한 설명이 나와있고 A점으로부터 F점까지 아래에 설명하였다.

1) 비례한도 (PROPORTIONAL LIMIT)

대부분의 재료는 응력/변형율 곡선의 어느 지점에서 구배가 변하고 직선이 끝나는 지점이 있다. 곡선의 O점과 A점 사이에서는 재료가 후크의 법칙(HOKES LAW)에 따른 탄성 거동을 나타내고 변형이 응력에 비례하고 이 비례상태를

응력/변형율 = 상수로 표현한다.

이 비례 한도는 재료가 견딜수 있는 최대 하중(응력)으로서 변형율에 대한 응력의 비에서 벗어나지 않는 그림 6의 A점을 말한다.

2) 탄성한계 (ELASTIC LIMIT)

대부분의 재료는 비례한도 이상으로 하중을 가하면 하중이 제거된 후에 변형이 0으로 되돌아 간다.

어떤 특정 프라스틱은 응력이 변형에 비례하는 지역이 없기 때문에 비례 한도가 없는 경우도 있으나 대부분의 프라스틱은 큰 하중을 견디고 하중에 제거된 후 변형이 0으로 되돌아 온다.

탄성 한계는 하중이 제거된 후에도 변형이 원위치로 되지 않고 재료에 영구변형이 생기기 시작하는 그림 6의 B점을 말한다.

3) 항복점 (YIELD POINT)

응력/변형율 곡선에서 응력이 증가되지 않고 변형만 증가되는 점으로 그림 6의 C점을 말한다.

이 점에서의 곡선의 구배는 0이다.

단 어떤 재료는 항복점이 나타나지 않는 경우가 있다.

4) 최대 강도 (ULTIMATE STRENGTH)

하중이 가해질 때 결딜수 있는 최대 응력으로서 그림 6의 D점을 말한다.

5) 항복 강도/내구 응력 (YIELD STRENGTH/PROOF STRESS)

항복 강도는 재료가 구부러질 때의 강도(NOMINAL STRENGTH)를 말한다.

많은 재료들이 응력/변형율 곡선에서 이 점을 찾기가 매우 어려우므로 이와 같은 경우는 내구 응력을 사용하는 것이 더 좋다.

내구 응력은 점진적으로 늘어나는 재료에 대하여 개발 되었으나 항복점에서 매우 큰 변형이 일어나는 프라스틱 재료에 대하여 자주 사용된다.

내구 응력은 보통 0.1% (또는 0.2%)의 영구 변형시 곡선의 O점과 A점 사이의 비례되는 부분과 평행한 직선으로 구성되어 결정된다.

내구 응력은 주어진 영구 변형의 %에서 표시되고 그림 6의 E점을 나타낸다.

6) 교차 탄성 계수 (SECANT MODULUS)

이것은 응력/변형율 곡선의 어느 점에서의 변형율에 대한 응력의 비로서 그림 6의 F점을 말한다.

교차 탄성 계수는 곡선의 O점과 F점을 연결하는 직선의 기울기이다.

어던 프라스틱의 경우에는 응력/변형율 곡선의 직선부를 설정하기가 매우 어렵다.

그러므로 탄성계수를 얻기 위하여 곡선의 초기부에 접하는 직선을 구성하여 초기 탄성 계수를 유도한다.

어떤 프라스틱 재료는 직선이 아닌 탄성을 갖기 때문에 잘못될 수 있다.

어떤 수지 공급처에서는 재료의 거동을 잘 나타내기 위하여 1%의 교차 탄성 계수를 제공하는 경우가 있다.

온도의 변화나 변형율 속도의 변화는 열가소성 프라스틱의 응력/변형율 거동에 상당한 영향을 줄수 있다.

낮은 온도나 높은 변형율 속도에서의 응력변형율 곡선은 초기 경사가 급하고 초기 직선으로부터의 변화가 적고 파손 변형율이 적은 취성 재료의 특성을 나타내 준다.

높은 온도나 낮은 변형율 속도에서는 같은 재료의 응력/변형율 곡선이 초기 경사가 줄어들고 초기 직선으로부터의 변화가 심하고 파손 변형율이 높은 연질재료의 특성을 나타낸다.

앞에서 설명한 바와 같이 취성재료는 초기 직선과의 변화가 거의 없고 파손 변형율이 낮고 항복점이 없는 응력/변형율 곡선을 나타낸다.

응력/변형율 거동은 초기 재료 선정시에 도움이 된다.

이와 같은 자료는 제품 설계시에 비례 한도(그림 6의 A점)내에서 사용하여야 하나 특별한 요구 조건이 있는 경우는 곡선의 어느 부위에서도 사용될 수 있다.

열가소성 프라스틱 부품의 대부분의 비례한도 내에서 설계되기 때문에 탄성론에 입각한 설계 계산공식을 사용할 수 있다.

2-2 인장 응력/변형율
TENSILE STRESS/STRAIN

인장 응력/변형율 자료는 인장 시험기에 시편의 양끝단을 치구에 고정 시킨후 설정된 시험 조건으로 시편의 양끝을 잡아 당기면 힘이나 응력이 신장이나 변형율의 함수로서 그라프로 나타나 진다.

같은 온도에서의 인장 시험시에 같은 계통의 수지도 그레이드에 따라 현저하게 다른 응력/변형율 현상이 나타난다.

그림 7은 일정한 변형율 속도하에서 열가소성 프라스틱의 응력/변형율 거동의 온도에 따른 영향을 나타낸다.

그림 8은 응력/변형율 거동의 변형율 속도에 따른 영향을 나타낸다.

높은 변형율은 탄성론과 기존의 설계 한도를 벗어나기 때문에 약 4∼5%를 넘는 변형율의 경우는 거의 고려하지 않는다.

1) 이방성 (ANISOTROPY)

응력/변형율 특성은 사용한 성형 방법에 따른 분자의 방향성에 따라 변한다는 것을 알 수 있다.

분자의 방향에 평행한 경우의 강도가 직각인 경우의 강도보다 높다.(연성의 경우는 그와 반대이다)

2) 시편의 크기 (SPECIMEN SIZE)

동일한 인장 속도로 시험하는 경우라도 시편의 크기가 다르면 변형율 속도의 %가 달라지므로 인장강도와 연성에 변화를 가져온다.

3) 성형 요소 (PROCESSING PARAMETERS)

게이트 크기, 런너 크기, 수지 온도, 금형 온도, 금형 상태, 웰드 라인 위치, 사출압 및 사이클 타임과 같은 성형 요소들이 사출 성형 시편의 응력/변형율 거동에 영향을 미친다.


초기 변형율 속도 A = 2.5%s^-1 B = 0.25%s^-1 C = 0/025%s^-1

2-3 굴곡 응력/변형율
FLEXURAL STRESS/STRAIN

위로

열가소성 프라스틱 부품은 대개 굽힘 응력(하중)을 받기 때문에 재료의 굴곡성질을 측정하는 것이 필요하다.

굴곡 응력/변형율 자료는 그림 9에서와 같이 재료의 시편 양끝을 일정 거리 떨어진 채로 지지하고 중앙부를 일정 속도로 변형시키는 3점 굽힘 시험으로 측정한다.

단순 보 굽힘 이론은 다음과 같은 여러 가정을 설정하는 것이 필요하다.

① 보의 재료는 선형적으로 탄성이고 등방성이며 동질성을 갖는다.

② 보는 초기에 직선이고 응력을 받지 않으며 대칭이다.

③ 보의 재료에 대한 인장시의 영율과 압축시의 영율은 같다.

④ 비례 한도는 초과 하지 않는다.

⑤ 평평한 단면은 굽힘 전과 후의 평면에 남아 있다.

기존의 보의 공식과 단면 특성으로부터 다음의 관계식을 설정할 수 있다.

굽힘응력 σ= 3FL/2bh³ 굴곡 탄성계수 ε= FL³/4bh³Y

여기서 Y는 하중이 가해지는 지점에서의 변형을 나타낸다.

이들 관계식을 사용하므로서 실험실에서의 시험에 의한 굴곡(항복) 강도와 굴곡 탄성 계수를 결정할 수 있다.

분자의 방향성, 변형율 속도 및 온도가 변수로서 상기 결과에 영향을 미친다.

2-4 압축 응력/변형율
COMPRESSIVE STRESS/STRAIN

선형적으로 탄성이고 동질성이며 등방성인 엔지니어링 프라스틱은 인장특성과 압축 특성을 동일하게 고려 하여야 한다.

그러므로 압축 특성은 측정할 필요가 없다.

이 원칙은 기존의 보의 굽힘 이론을 고려할때도 마찬가지로 적용된다.

그러나 대부분의 프라스틱이 선형적이 아니고 이방성인 특성을 갖기 때문에 이들 특성들 특히 굴곡 특성이 열가소성 재료의 기계적 물성 자료집에 나와 있다.

일반적으로 재료의 탄성 계수는 인장의 값으로서 측정되고 나타난다.

설계자의 관점에서 보면 압축하중에 대한 응력/변형율 관계가 설계시에 사용되는 더 유익한 물성치이다.

압축 응력/변형율 조사는 시험기의 납작하고 평평한 면 사이에 재료의 시편을 넣고 양면을 일정한 속도로 움직이면서 실시한다.

압축 탄성 계수가 결정되는 곳에서부터 응력이 변형율의 함수로 그라프에 나타나 진다.

이 압축 응력/변형율 선도는 인장 응력/변형율 선도와 유사하나 응력이 높은 곳에서는 압축 변형율이 인장 변형율 보다 적다.

일반적으로 유리 섬유가 보강된 재료의 압축 탄성 계수는 인장 탄성 계수 보다 상당히 적다.

재료에 압축 응력을 적용시에 파손은 거의 일어나지 않고 저속으로 무한하게 늘어난다.

일반적인 압축 응력 및 인장 응력 대 변형율 선도가 그림 10에 나와 있다.

여기에서 인장 탄성 계수와 압축 탄성 계수를 유도할 수 있다.

2-5 전단 응력/변형율
SHEAR STRESS/STRAIN

그림 11의 A는 재료의 블럭(BLOCK)이 힘의 크기가 같고 방향이 반대인 전단력 F를 받을 때 전단 형태로 변형되거나 전단력의 크기가 충분하게 작용될 때 파손이 일어난다.

전단 응력은 τ＝전단력/전단력에 저항하는 면적 = FS/A로 정의된다.

전단 응력은 전단 변형율을 일으킨다.

그림 11의 B에서와 같이 재료의 블럭이 ω만큼 옆으로 비스듬하게 전단변형이 작용시 전단변형율은 r = ω/δ= tanθ로 정의된다.

여기서 θ는 레디안으로 표기되는 전단각이다.

모든 탄성 변형율은 거의 대부분이 매우 작으므로 개략적으로 r = θ로 표기할 수 있다.

2-6 탄성 계수
MODULUS OF ELASTICITY

응력/변형율 선도의 각각 다른 특징을 검토 할 때 후크의 법칙(HOOKES LAW)에서 참조된 비례의 원칙은 응력/변형율 ＝ 상수 ＝ E이다.

탄성계수를 나타내는 상수 E는 보통 인장 응력/변형율 선도의 초기 부위에서 유도된 영율(YOUNGS MODULUS)을 말한다.

프라스틱 산업에서는 인장 탄성계수를 더 보편적으로 사용한다.

변형에 비례하는 응력이 없으면 그 원상태로 되돌아 갈 수 있는 탄성 재료는 후크의 법칙을 따를 필요가 없을 것이다.

탄성 계수는 하중이 가해진 부품의 단기간의 강도와 변형 특성을 결정하는데 사용된다.

굽힘 응력하에서 측정된 탄성계수는 발포 성형된 부품이나 유리섬유 보강제가 보강된 재료로 성형된 부품의 단기간의 물성을 파악하는데와 굽힘 응력을 받는 경우에 사용하는 것이 더 적절하다.

탄성 계수는 부품의 강성을 결정하기 위하여 단면적의 단면 2차 모우멘트와 같이 사용된다.

강성은 영율과 단면 2차 모우멘트에 의해 R＝EI로 정의된다.

2-7 전단 탄성계수
SHEAR MODULUS

직접적인 응력이 적용되는 경우에 대하여 후크의 법칙을 따르면 전단 응력은 전단변형율의 합에 비례한다.

전단 응력/전단 변형율 ＝ 상수 ＝ G

여기서 상수 G는 강성 탄성 계수 또는 전단 탄성 계수를 나타내고 탄성 계수와 직접 비교되며 직접 응력이 적용되는 용도에 사용된다.

2-8 포아송의 비
POISSONS RATIO

포아송의 비는 보통 그리이스 문자 ν로 표기되며 탄성 한도 내에서의 길이 방향의 변형율에 대한 측면 방향의 변형율의 비를 말한다.

그림 12에서와 같이 원래의 길이 L과 원래의 직경 D인 둥근 봉에 인장력 F가 작용 되었을 때 길이가 ΔL만큼 늘어나고 직경이 Δd만큼 감소한다.

여기서 Δd = D-D₁이다.

ν의 수치 값은 다음 공식을 이용하여 결정한다.

ν＝측면 방향의 변형율 / 길이 방향의 변형율 ＝(Δd /D)/(ΔL/L)

포아송의 비는 인장 시험으로부터 직접 결정되거나 다음 공식에 의해 3개의 탄성 계수중 2개의 탄성 계수를 이용하여 계산할 수 있다.

ν＝ E/2G－1 ＝ {(K/2)－(G/3)}/{K＋(G/3)}＝{1－(E/3K)}/2

여기서 K는 체적 변형율에 대한 체적 응력의 비인 체적탄성계수(BULK MODULUS)이고 G는 전단탄성계수(SHEAR MODULUS)이다.

포아송의 비는 탄성 계수와의 함수 관계이기 때문에 0과 0.5사이에 있다.

0이란 값은 인장 응력이 작용하여 재료가 늘어날 때 측면 방향의 수축이 없는 경우를 나타내고 같은 조건하에서 0.5란 값은 일정한 체적과 밀도를 유지하기 위하여 측면방향의 수축이 일어나는 경우를 말한다.

대부분의 엔지니어링 프라스틱에 대한 포아송의 비는 0.2와 0.45사이에 있다.

표3에 구조용 재료에 대한 포아송 비가 나와있다.

평판 원통형 및 구형의 부품에서 응력과 변형율을 정의하는 방정식과 같은 표준설계이론에서 포아송의 비가 자주 사용된다.

또한 회전하는 부품의 분석시에도 사용된다.

표3 일반적인 포아송비

구조용 재료	포아송의 비
알미늄	0.33
탄소강	0.29
고무	0.50
순수한 강성 열가소성 프라스틱	0.2∼0.4
보강 또는 충진된 강성 열가소성 프라스틱	0.1∼0.4
발포 성형된 강성 열가소성 프라스틱	0.3∼0.4
순수한 강성 열경화성 프라스틱	0.2∼0.4
보강 또는 충진된 열경화성 프라스틱	0.2∼0.4

2-9 동역학적 분석
DYNAMIC MECHANICAL ANALYSIS

동역학적 분석(DMA) 방법은 광범위한 온도에 대하여 수지의 기계적 특성을 설명하는 기법이다.

동역학적 분석 시험은 시편의 한쪽 끝에 진동하는 구동 헤드(HEAD)를 부착하고 시편의 다른 한쪽 끝에 하중을 감지하는 헤드(HEAD)를 부착한 후에 시편의 한쪽 끝에서 알고 있는 주파수와 진폭을 보내면 시편의 다른 한쪽 끝에서 시편을 통하여 전달된 기계적인 파동이 측정된다.

수지는 점탄성이기 때문에 에너지의 일부가 탄성적으로 전달되고 나머지 에너지는 구조물 안에서 열과 분자 운동에 의해 소멸된다.

이때 전달된 파의 진폭과 상의 지체를 측정하므로서 재료의 탄성 계수를 결정하고 시편에서 손실된 에너지의 양을 계산하는 것이 가능하다.

이 시험을 각각의 여러 온도에서 실시 하므로서 온도에 따른 저장 탄성 계수(STORAGE MODULUS) 그라프와 온도에 따른 손실 탄성 계수(LOSS MODULUS) 그라프를 얻을 수 있다.

열의 변환도 동역학적 분석으로 쉽게 파악된다.

주변환은 유리전이 온도와 용융수지 온도에서의 수지 구조 재배열과 관련이 있으므로 손실 탄성 계수(LOSS MODULUS)가 이들 온도에서 최고치를 나타낼 것이다.

동역학적 분석 방법으로 유도되는 또 다른 특성은 저장되는 탄성 계수에 대한 손실되는 탄성 계수의 비, 즉 탄젠트 델타 또는 탄 델타(TANGENT DELTA OR TAN DELTA)이다.

상기 두 가지 탄성 계수가 열변환시에 약간의 편차가 있으므로 그들의 비가 극도로 민감한 이들 변환의 위치와 폭의 지침이 된다.

이 동역학적 분석으로 수지가 사용되어 질 수 있는 한계, 즉 유용한 열적 범위를 파악할 수 있고 또한 재료에 충격 강도가 작용시 열적 변환을 통한 관련된 변화를 파악할 수 있다는 것을 설계자는 알 필요가 있다.

2-10 시간과 관련된 기계적 특성/크리이프
TIME RELATED MECHANICAL PROPERTIES/CREEP

열가소성 프라스틱에서 나타나는 중요한 특성 중의 하나는 장기 사용시의 점탄성 특성이다.

즉 장기간의 응력 작용하에서 점성과 탄성 거동이 둘다 동시에 일어나는 현상이다.

점탄성의 중요한 형태의 하나가 크리이프이다.

단기간의 응력/변형율 거동은 앞에서 설명한 바와 같이 보통 1시간 이내에서 일어나고 가끔 순간적으로 일어나는 경우도 고려된다.

그러나 크리이프는 부품의 수명 내내 계속 되거나 때로는 수년간 지속된다.

1) 크리이프 (CREEP)

일정한 응력(하중)의 작용하에서 점탄성 재료는 시간에 따라 변형량이 증가하게 된다.

이를 크리이프 또는 냉간 흐름(COLD FLOW)이라 한다.

그러므로 크리이프는 일정 하중하에서 시간에 따라 증가되는 변형율을 말한다.

어떤 재료에 대한 크리이프의 속도는 가해지는 응력, 온도 및 시간에 따라 다르다.

크리이프 현상은 주어진 온도에서 일련의 하중에 대한 시간의 함수로서 변형율을 그라프로 나타내는 방법으로 초기에 시험한다.

측정은 인장시험, 굴곡시험 및 압축 시험 방법으로 실시된다.

인장 시험 방법에서는 시편이 일정한 인장 응력을 받을 때 시간의 함수로서 길이의 변화량을 측정한다.

이 결과로 생기는 응력-변형율-시간의 크리이프 자료는 보통 변형율에 대한 측정 시간의 곡선으로 그림 13에서와 같이 나타나진다.

다른 두 방법 즉 굴곡 시험과 압축 시험 방법에서는 시편이 일정한 굽힘 하중이나 압축 하중을 받을 때 시간의 함수로서 변형량이나 압축량을 측정한다.

그림 13에 나와 있는 자료는 특정 요구 조건에 맞도록 다른 형식으로 나타내어질 수 있다.

일정 시간에서의 크리이프 곡선을 통해 얻어진 자료가 그림 14의 B와 같은 등시성의 응력/변형율 곡선을 만든다.

이와 같이 같은 크기의 응력에 대한 측정 시간의 곡선이 그림 14의 A와 같이 일정 변형율로부터 얻어진다.

2) 크리이프 파손 (CREEP RUPTURE)

크리이프로 인하여 파손되는 경우는 2가지 형태가 있다.

첫번째는 부품의 허용 변형량을 초과하는 경우이고 두번째는 부서지거나 터지는 경우이다.

크리이프 파손은 취성 파손 또는 연성 파열을 일으킨다.

크리이프 파손의 측정은 크리이프 시험에서와 같은 방법으로 실시되나 높은 응력이 가해지고 파손되는 시간이 측정된다.

결과는 보통 그림 15에서와 같이 파손되는 측정 응력에 대한 측정 시간으로서 나타나 진다.

3) 크리이프 계수 (APPARENT OR CREEP MODULUS)

크리이프 자료와 크리이프 파손 자료가 재료의 장기 사용시의 현상에 대한 지침을 주더라도 제품 설계용으로는 시간에 대한 계수로 변형시켜 사용하는 것이 상당한 가치가 있다.

연속 하중을 받는 부품을 게산할 때 E는 G같은 단기 물성 계수를 사용한다면 E나 G가 크리이프 효과를 반영하지 않기 때문에 결과는 잘못되기 쉽다.

응력 수준과 온도를 알고 주어진 온도에서의 크리이프 곡선을 이용할 수 있다면 크리이프 계수 Eapp는 크리이프 곡선을 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

Eapp ＝ σ/εc 여기서 σ는 계산된 응력 수준이고 εc 는 주어진 온도와 시간에서의 크리이프 곡선에서 얻어진 변형량이다.

aap값을 E에 대체하여 계산한다.

그림 16에서와 같이 일정 응력이나 변형율에서의 측정된 크리이프 계수에 대한 측정 시간으로 나타내지는 크리이프 계수 곡선을 보통 크리이프 자료로부터 유도된다.

4) 응력의 풀림 (STRESS RELAXATION)

이 과정은 점탄성체에 일정한 변형율이 작용할 때 시간에 따라 응력의 감소가 일어나는 것이라고 설명할 수 있다.

나사로 조립하거나 강제 압입 및 스프링과 같은 장기간 변형을 받는 부품 설계시에 재료에 나타나는 응력의 풀림 정도를 파악하는 것이 중요하다.

그림 17에 이 현상에 대한 그라프가 나타나 있다.

그림 17의 A는 시간 t₀에서 변형율 ε가 재료에 작용하여 오래동안 유지되어야 하는 경우의 에이다.

그림 17의 B는 시간 t₀에서 재료에 응력이 즉시 0에서 σ로 증가되고 시간이 지남에 따라 이 응력치는 계속해서 감소되는 경향이 있다.

또한 응력의 풀림 온도에 따라 다르다.

응력의 풀림 자료는 시편에 고정된 변형율을 가하여 시간에 따른 응력의 점진적인 감소를 측정 하므로서 얻을 수 있다.

상기 결과에 의한 자료는 그림 14에서의 같은 크기의 변형율 곡선과 유사한 응력의 풀림곡선을 만드는데 사용될 수 있다.

응력의 풀림 자료는 크리이프 계수와 유사한 풀림 계수를 유도하기 위하여 사용될 수 있다.

그러나 풀림 자료는 크리이프 자료에서와 같이 보편적으로 이용되지는 않는다.

그와 같은 경우에 크리이프 곡선으로부터 계산된 크리이프 계수 Eapp를 사용하므로서 응력의 풀림에 의한 하중의 감소를 개략적으로 계산할 수 있다.

탄성 계수 자료(E 또는 G)는 응력의 풀림 효과가 반영되지 않았기 때문에 구조적인 성능 계산에 사용하는 것이 부적합하다.

5) 크리이프와 응력 풀림 자료의 보외법 (EXTRAPOLATION OF CREEP AND STRESS RELAXATION DATA)

시간에 다른 재료의 거동을 예측하는 것은 자료를 이용하여 재료의 거동을 예측하는 것보다 크므로 크리이프 계수와 크리이프 파손 자료는 특히 보외법이 자주 사용된다.

측정되는 물성에 대한 측정시간으로 그라프가 그려지는 크리이프와 응력의 풀림자료의 덜 뚜렷한 곡선은 일반적으로 보외법이 아주 유용하다.

어떻든 보외법은 대수의 한 시간 단위를 초과하지 말아야 하고 응력/신율의 한도인 최대(또는 항복) 응력/강도치의 20%를 넘지 말아야 한다.

2-11 충격 강도
IMPACT STRENGTH

충격강도는 순간적인 하중을 견디는 재료의 능력을 말한다.

운동 중의 물체는 운동 에너지를 갖고 있고, 이 운동이 정지 됐을 때 운동에너지는 없어진다.

이 에너지를 흡수하기 위한 프라스틱 부품의 능력을 결정하는 요소는 그 원료의 종류, 두께, 형상 및 크기이다.

현재까지 설계자가 분석하는데 사용할 수 있는 물성 자료를 제공하기 위한 재료의 물성을 나타내는데 사용할 수 있는 시험 방법은 없다.

그러나 재료의 상대적인 노치에 대한 민감도나 상대적인 충격저항을 비교하는 유용한 자료가 있다.

이들 자료는 용도에 맞는지를 평가하기 위한 초기 재료 선정시나 일련의 재료들의 성능에 대한 등급을 매기는데 유용하게 사용된다.

아래에 프라스틱 재료의 평가나 적정양 인가를 판단하기 위하여 사용되는 가장 적절한 시험방법에 대한 설명이 있다.

1) 펜듀럼 방법 (PENDULUM METHODS)

이와 같은 시험방법은 펜듀럼이 재료의 시편을 정해진 조건으로 때려서 파손시키는데 필요한 에너지를 측정하는 방법이다.

① 샤피 충격(CHARPY IMPACT)시험―

그림 18의 A와 같이 노치가 나있는 시편을 치구에 올려놓고 펜듀럼을 놓으면 이 펜듀럼이 시편의 중앙부를 때려 파손시킨다.

시편에 의하여 흡수된 에너지는 펜듀럼의 운동에 의해 작동되는 시스템에 나타나 진다.

② 아이좃드 충격(IZOD IMPACT)시험―

샤피 충격시험과 유사하나 노치 형상과 시편 고정방법이 다르다.

이 시험 방법은 그림 18의 B에서 보는 바와 같이 시편이 수직으로 설치되고 노치에서 떨어진 곳에 충격을 가한다. 이 시험은 노치가 없는 시편으로도 시험할 수 있고 노치부를 뒤로 돌려놓고서도 시험할 수 있다.

시험 결과는 노치의 존재 여부와 위치에 따라 정리되어야 한다.

③ 인장 충격(TENSILE IMPACT)시험―

이 시험은 위의 시험 방법에서와 유사한 흔들리는 펜듀럼을 사용한다.

인장 시편을 사용하여 인장 충격하에서 시편을 파손시키는데 필요한 에너지를 측정하기 용이하도록 그림 18의 C에서와 같이 설치된다.

2) 낙추 시험 방법 (FALLING WEIGHT METHODS)

펜듀럼 시험은 재료의 물성을 파악하는데 적합한 시험인 반면에 낙추 시험 방법은 완성품을 평가하는데 사용한다.

이 시험 방법은 정해진 조건으로 화살촉 모양의 추를 시편 위로 떨어뜨리는 방법으로 추의 높이와 중량을 증가시키면서 반복하여 시험한다.

가장 적절한 방법은 추의 높이를 일정하게 하고 충격 순간의 속도를 같게한 상태에서 추의 중량을 변화시키는 방법이다.

그림 19에 이 시험 방법에 대하여 개략적으로 설명 되어있다.

개선된 낙추 시험 방법들이 사용되고 있다.

이 개선된 낙추 시험 방법들은 시험 원리는 같지만 충격과정 동안에 재료의 물성을 계기 시스템에 나타내 준다.

추에 압력 감지 장치를 설치한 후 마이크로 프로세서로된 시스템에 연결하여 힘/시간 곡선과 같은 더 유익한 자료를 얻을 수 있다.

그림 20에 연성 수지와 취성 수지에 대한 에너지 흡수 능력의 차이를 나타내 주는 일반적인 예가 나와 있다.

더 자세한 분석을 하기 위하여는 고속으로 작동되는 낙추 시스템이 사용된다.

충격 강도는 온도의 영향에 따라 변하므로 설계시에 최종제품의 작동 온도도 고려하여야 하고 충격 시험도 그 온도에서 실시되어야 한다.

그림 21에 일반적인 충격 강도에 대한 온도의 영향이 나와 있다.

2-12 피로 FATIGUE

피로는 재료가 반복적으로 응력을 받거나 어떤 일정한 주기적인 조건으로 응력을 받는 것을 말한다.

하중의 크기는 보통 한번 정도 가해져서는 제품이 파손되지 않을 정도로 낮다.

또한 용도별로 하중치와 그 주기가 다르다.

진동을 받는 구조 부품, 반복되는 충격을 받는 부품, 왕복 운동을 하는 기계부품 및 프라스틱 스냅 핏을 이용한 조립품들이 모두 피로 환경 조건의 예이다.

주기적인 부하는 재료의 기계적 성질을 약화시키고 재료에 파열을 진전시켜 결국엔 제품을 파손시킨다.

시험은 인장이나 비틀림 방법으로도 가능하지만 보통은 굽힘 조건하에서 실시된다.

재료의 시편에 일정한 주기로 일정한 변형을 반복적으로 가하여 파손을 일으키는 회수를 파악한다.

일정한 범위의 변형량에 대하여 시험하며 보통 S-N곡선이라고 부리는 측정된 응력에 대한 측정된 사이클 수의 그라프로 시험 자료가 나타나진다.

그림 22에 대한 일반적이 S-N곡선이 설명되어 있고 이들 곡선의 중요한 특징은 다음과 같다.

a) 적용 응력 또는 변형율이 크면 클수록 시편이 견디는 시험 회수는 줄어든다.

b) 곡선은 점차적으로 피로 한도라고 하는 일정한 값으로 접근한다.

그림 23에서 보는 바와 같이 응력이나 변형율이 이 피로한도 이하에서는 피로로 인한 파손을 거의 일으키지 않는다.

피로 한도를 나타내지 않는 재료도 있다.

그와 같은 재료는 내구력 한도가 주로 사용된다.

내구력 한도는 그림 24에서 보는 바와 같이 정해진 사이클 회수에서 파손을 일으키는 응력이나 변형율의 값이다.

실험실 조건하에서 얻어진 S-N곡선은 이상적인 결과라고 생각할 수 있다.

실제의 사용 조건에서는 다른 요소들이 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 수정된 피로 한도나 내구력 한도를 이용하여야 한다.

1) 하중의 종류 (TYPE OF LOADING)

굴곡 하에서 실시된 시험 결과는 축하중이나 비틀림 하중을 받는 부품에 직접 이용할 수 있다.

2) 치수 (SIZE)

피로 특성으로 인한 물성 저하시 보통 제품 치수가 증가한다.

3) 평균 응력 (MEAN STRESS)

인장 평균 응력이 클 경우는 피로 한도나 내구력 한도를 감소시키는 반면에 압축 평균 응력이 클 경우는 피로 한도나 내구력 한도가 증가된다.

4) 부하주기 (LOADING FREQUENCY)

열방출에 대한 대책이 잘 안되어 있을 경우 높은 주기에서 온도가 증가한다. 이것은 피로 특성을 약화시킨다.

5) 피로에 의한 파손의 개시 (THE ONSET OF FATIGUE FAILURE)

피로에 의한 파손의 개시는 진폭이 큰 조건하에서 낮은 주기에서도 가속화 된다.

피로 시험은 주어진 프라스틱 재료에 대한 피로에 견디는 상대적인 능력에 대한 지침을 준다.

그러므로 피로 시험은 그 부품의 피로에 대한 정확한 내구력을 결정하기 위하여 실제로 성형된 부품을 실제의 사용조건 하에서 작동시켜 실시하는 것이 필수적이다.

2-13 내마모성 WEAR RESISTANCE

마모는 기계적인 마찰의 결과로서 분자 접착의 손실에 의한 접촉 표면이 감소되는 것을 말한다.

마찰과 마모사이에 뚜렷한 상관관계는 없으나, 마찰이 높으면 마모는 낮고 역으로 마찰이 낮으면 마모는 높다.

열가소성 프라스틱의 내마모성은 최종 제품 용도의 사용환경 조건에 따라 다르다.

온도, 표면의 오염(화학 약품, 그리스등), 표면의 구조 및 형상 등이 모두 내마모성에 영향을 준다.

1) 마모 과정 (THE WEAR PROCESS)

① 접착 마모(ADHESIVE WEAR)― 접착부에서의 표면 전단, 변형 및 재료의 이동이 일어난다.

② 마멸(ABRASIVE WEAR)― 연한 재질이 그루브(GROOVES)가 설치된 채로 경도가 다른 표면끼리 접촉시 마멸된 조각이 표면에 부딪쳐서 마멸된 가루가 생기거나 표면침식이 일어난다.

③피로(FATIGUE)― 표면 또는 표면 사이에 재료의 내구 한도 이상의 응력이 발생하여 표면에 피로로 인한 파손이 일어난다.

상기 결과는 접촉 재료의 표면 거칠기 정도에 따라 다르게 나타난다.

프라스틱의 경우는 사용되는 재료의 탄성계수(E-MODULUS)에 따라 다르다.

예를 들면 바록스 수지로 비교적 매끄럽게 표면이 잘 형성된 부품은 표4에서 보는 바와 같이 광범위한 사용조건에서 마찰이 낮고 내마모성이 높은 용도에 적합하다.

일반적으로 바록스 수지는 금속이나 바록스 수지 계통의 부품에 대하여 정적 마찰계수와 동적 마찰 계수가 매우 낮다.

다른 반결정성 수지들은 일반적으로 금속에 대하여 적절한 내마모성이 있으나 그들끼리 접촉되는 용도에는 적합하지 않다.

표4의 바록스 수지에 대한 마찰 계수는 실험실 조건에서 나온 자료로서 그레이드별 일반적인 값이다.

그러므로 설계시에 이 마찰 계수를 사용시에는 최종 용도의 사용환경을 고려하여야 한다.

표4 바록스 수지에 대한 마찰 계수의 변화

구 분	마 찰 계 수			PV 한계 (N/㎟×㎜/s)
	ASTM D1894 정적	축 와샤 시험		250 ㎜/s	500 ㎜/s	1000 ㎜/s
	ASTM D1894 정적	WEAR SCIENCES 정적 동적	WHITFORD CO. 정적 동적	250 ㎜/s	500 ㎜/s	1000 ㎜/s
바록스 325
강철과의 마찰	0.13	0.25 0.20	0.12 0.19	330	140	105
같은 재료끼리 마찰	0.17	0.30 0.40			28
바록스 310-SEO
강철과의 마찰	0.14	0.30 0.20	0.11 0.19	315	230	175
같은 재료끼리 마찰	0.16	0.35 0.40			33
바록스 420
강철과의 마찰	0.14	0.26 0.20	0.19 0.24	1400	200	700
같은 재료끼리 마찰	0.16	0.38 0.35			63
바록스 420-SEO
강철과의 마찰	0.14	0.28 0.30	0.24 0.38	220	210	175
같은 재료끼리 마찰	0.16	0.38 0.35			49