수십 년의 고온 테스트 경험을 보유하고 있는 MTS의 R&D 엔지니어이자 과학자인 Erik Schwarzkopf가 기계 금속학 박사의 자문을 바탕으로 테스트 온도를 정밀하게 제어할 때 겪게 되는 문제에 관해 설명합니다.
Q: 재료 테스트, 특히 등온 LCF 또는 HCF 테스트에서 온도가 중요한 이유가 무엇인가요?
A: 엔지니어는 여러 다른 온도에서 재료의 특성이 어떻게 변화하는지 알아야 실제 운영 환경에서 안정적으로 작동하는 제품과 구성요소를 설계할 수 있습니다. 저주기 피로(LCF) 테스트와 고주기 피로(HCF) 테스트는 여러 시간 동안 진행되므로 온도 안정성이 특히 중요합니다. 테스트를 진행하는 동안 온도가 5~10도 정도 변화한다면 테스트 결과의 불확실성이 크게 증가합니다.
Q: 일반적인 테스트 구성에서는 온도를 어떻게 측정하나요?
A: 가장 일반적인 방법은 두 개의 전도체(와이어)가 있는 열전대를 사용하는 것입니다. 와이어 접점에 흐르는 전류는 접점의 온도와 비례합니다. 접점의 온도가 시편의 온도와 동일하도록 와이어는 보통 시편에 부착됩니다. 고온 테스트의 경우 K 유형 열전대와 크롬-알루멜 와이어가 더 저렴하지만 R 유형의 열전대와 플래티넘-로듐 와이어를 사용합니다. 저온, 민감도가 높은 응용 분야에는 J 유형 철-콘스탄탄 열전대가 필요합니다.
Q: 테스트를 수행하는 동안 온도를 어떻게 제어하나요?
A: PID(비례-적분-미분) 컨트롤러의 출력을 사용해 시편을 둘러싼 가열 시스템에 에너지를 공급할 수 있습니다. 챔버 또는 퍼니스 내부에서 하나 이상의 컨트롤러를 사용해 내부 공간의 다양한 영역을 관리할 수 있습니다. 다른 곳에서는 온도가 변화하는 영역이 있더라도 온도를 제어해 시편 전체의 온도를 균일하게 유지한다는 개념입니다.
Q: 퍼니스의 내부 온도가 그렇게 차이가 날 수 있나요?
A:예. 온도 컨트롤러가 퍼니스 내부에 있는 세 개의 발열체에 동일한 명령을 보내는 경우, 테스트 결과의 신뢰성을 훼손할 정도로 시편의 온도 기울기가 커집니다. 물론 이런 상황은 용납되지 않습니다. 또한 불필요한 일이기도 하죠. 온도를 효과적으로 제어할 수는 있다고 해도, 퍼니스 내부에서 일어나는 열역학 메커니즘을 이해해야 합니다. 온도 기울기가 발생하는 이유는 하중 트레인이 퍼니스 외부를 벗어나 상온 상태인 하중 셀과 액추에이터로 확장되기 때문입니다. 퍼니스 내부의 열은 발열체가 계속해서 열을 전달하는 동안 전도를 통해 상온 온도로 전환되지만, 이러한 작용은 동시에 일어나지 않습니다. 다중 영역 제어를 이용하면 시편의 게이지 길이를 따라 생크 또는 푸시로드까지 온도 기울기를 밀어내는 "버퍼"를 생성할 수 있습니다. 이렇게 하면 시편의 감소 영역에서 온도 기울기가 용인될 정도로 감소합니다.
Q: 시편의 온도 기울기는 얼마나 작아야 하나요?
A: 표준마다 다릅니다. 다양한 국제 및 국내 LCF/HCF 테스트 사양이 있으며, 각기 다른 온도 기울기를 제시합니다. 일반적으로 게이지 길이에 따른 최대 온도 기울기는 공칭 테스트 온도에서 몇 % 내외입니다. 따라서 공칭 테스트 온도가 500°C라면 감소 영역의 온도 기울기는 5°C에서 10°C를 넘지 말아야 하며 오차는 1~2%입니다. 잘 설계된 테스트 시스템에서는 감소 영역의 온도 기울기를 목표 온도에서 1% 내외 차이로 유지할 수 있습니다. 예를 들어 MTS Model 653.04 3-영역 퍼니스는 800°C의 공칭 테스트 온도에서 25mm 게이지 길이를 사용할 경우 ±2°C의 온도 기울기를 유지할 수 있으며, 이는 ASTM 및 ISO 사양을 충족하는 수준입니다.
Q: 원하는 테스트 온도에 도달할 때까지 얼마나 걸리나요?
A: 온도를 올리고, 시편을 예열하고, 시편과 하중 트레인이 균형 상태를 달성할 때까지 한 시간이 걸릴 수 있습니다. 온도를 너무 급격하게 올리면 목표 온도를 초과해 시편이 손상되거나 냉각과 재가열에 더 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 가열 시간은 생산성과 반비례 관계이므로 여러 연구소에서 수년 동안 가열 시간을 최소화하기 위한 시도를 해왔습니다. 일부 인장 테스트의 경우 여분의 퍼니스에서 시편과 하중 트레인을 미리 가열한 다음 테스트 시스템 내부에 설치하면 시간을 절약할 수 있습니다. 다른 실험실에서는 각 퍼니스 영역에서 다양한 가열 속도를 테스트해 예열 시간을 줄일 수 있었습니다. 예를 들어 MTS TestSuite™ MP Elite 소프트웨어의 고온 LCF 및 HCF 템플릿은 복잡한 프로파일을 사용해 외곽 영역의 온도를 빠르게 올린 다음 시편이 있는 내부 영역의 온도를 조심스럽게 올립니다. 하지만 대부분의 경우 예열 시간은 테스트 사양에 따라 결정됩니다.
Q: 더 크고 더 좋은 퍼니스를 선택하는 게 좋은가요?
A: 더 "크고" 더 "좋은" 퍼니스가 어떤 퍼니스인지에 따라 다릅니다. 최고 온도가 더 높은 퍼니스, 단열 성능이 더 뛰어난 퍼니스, 내부 공간이 더 큰 퍼니스, 가열 영역이 더 긴 퍼니스, 제어 영역이 더 많은 퍼니스 등 다양한 기준이 있습니다. 여기서 해야 할 질문은 이러한 성능을 위해 어떤 대가를 치르는가입니다. 제어 영역이 더 많으면 시편의 온도 기울기가 감소하지만 비용이 증가합니다. 가열 영역이 많아도 시편의 온도 기울기가 감소하지만 고온 푸시로드가 필요합니다. 단열 성능이 높으면 안정성이 증가하지만 퍼니스의 온도가 목표 온도를 초과했을 때 목포 온도로 돌아오는 시간이 증가합니다. 150°C 테스트를 위해 1000°C 퍼니스를 사용하는 경우 온도 제어가 어려울 수 있습니다. 장단점을 다양하게 살펴봐야 합니다.
Q: 정밀한 온도 제어를 위해 고려해야 할 중요한 사항이 또 있나요?
A: 퍼니스, 그립과 같은 액세서리를 선택하기 전에 용도를 전체적으로 고려해야 합니다. 원하는 테스트 온도, 시편의 모양, 온도 기울기, 테스트 시간을 고려해야 하죠. 또한 테스트를 진행하는 동안 시편을 가열하고 온도를 관리하는 방법에 대해 생각해 봐야 합니다. 등온 테스트에서 가장 흔히 사용하는 방법은 저항 퍼니스와 시편 접촉형 열전대를 사용하는 것입니다. 초입 부분에 균열이 발생할 수 있으므로 열전대는 감소 영역이 아니라 시편 생크에 스폿 용접합니다. 가장 중요한 점은 고온 테스트와 관련하여 현재까지 알려진 지식을 최대한 활용하는 것입니다. 얼마 전까지만 해도 시행착오를 통해 배우는 것이 정상이었습니다. 지금은 전보다 더 현명한 방법을 선택해 더 정확한 결과를 도출할 수 있습니다.
