소개
금속에 힘이 가해지면 일반적으로 즉시 변형된 후 오랜 시간이 지나도 같은 모양을 유지합니다. 하중이 너무 높지 않았다면 하중이 제거되면 금속도 탄성적으로 원래 상태로 돌아갑니다. 폴리머도 힘을 가하면 즉시 변형되지만, 시간이 지나면 변형이 더 심해지는 것을 종종 발견할 수 있습니다. 이러한 현상을 크리프라고 합니다. 기본적으로 금속도 크리프 현상이 발생하지만 폴리머의 경우 이러한 현상이 훨씬 더 뚜렷하게 나타나므로 기계적 거동을 설명할 때 반드시 고려해야 합니다. 이러한 이유로 금속의 경우 준정적 응력-변형 다이어그램으로 충분하지만, 폴리머의 경우 시간에 따른 변형도 고려해야 합니다.
여기서 기본적으로 크리프와 이완을 구분하는 것이 중요합니다: 크리프에서는 일정한 하중이 신체에 작용하여 결과적으로 변형이 발생합니다. 이완 상태에서는 신체의 변형이 일정하게 유지되지만 시간이 지남에 따라 필요한 힘이 감소합니다. 이완은 씰과 같은 특정 응용 분야에서는 큰 관심을 끌지만, 많은 구성 요소에서는 오히려 일정한 하중과 변형의 시간 거동이 중요합니다.
재료 테스트에서 실제 크리프 측정은 종종 재료가 원래 모양을 다시 얻을 수 있는 회복 단계(크리프 회복)와 결합됩니다. 이렇게 하면 탄성 크립과 비가역 크립을 구분할 수 있습니다. 비가역적 변형은 온도와 하중 수준에 따라 large 어느 정도 달라집니다. 이러한 관계는 이 문서에서 더 자세히 살펴볼 것입니다.
PE-HD의 크립 복구 측정
여기서 폴리머의 크리프 거동은 반결정 고밀도 폴리에틸렌(PE-HD)의 예를 사용하여 조사합니다. 55 x 5 x 2mm 크기의 샘플은 인장 모드에서 동적 기계식 고하중 NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N의 도움으로 테스트됩니다(그림 1).
Eplexor® 를 사용하면 -160°C ~ +500°C의 온도 범위에서 최대 1500N의 정적 힘을 가할 수 있습니다.

적용 범위에 따라 다양한 인장 시료 홀더를 사용할 수 있습니다: 표준 인장 시료 홀더를 사용하면 시료에 따라 최대 700N의 힘을 가할 수 있습니다. 더 높은 힘의 경우 최대 1500N의 더 강력한 버전을 사용할 수 있습니다.
특히 힘에 대한 크리프의 의존성을 조사해야 하므로 하중을 증가시키면서 개별 측정값을 비교합니다. 이렇게 하면 리클램핑 없이도 단일 측정 시리즈에서 다양한 하중 수준을 조사할 수 있습니다.
그러나 이 절차를 사용하면 원칙적으로 실제 하중 단계 전에 샘플이 변형될 수 있습니다. 기준 형상과의 편차가 너무 커지는 것을 방지하기 위해 10%의 변형률에 도달하면 더 이상의 하중 증가는 수행되지 않습니다. 측정은 각각 정의된 시료 온도에서 수행됩니다. 50°C에서는 각 경우에 안정적인 조건이 확립될 수 있도록 2~6MPa에서 5개의 부하 단계가 수행되며, 2시간의 대기 시간이 주어집니다.
100°C의 높은 온도에서는 최대 변형률에 도달할 때만 하중이 4MPa로 증가합니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이 크리프는 일반적으로 각 로딩 단계마다 3단계로 구성됩니다. 먼저 샘플을 비교적 급격하게 늘린 다음 점탄성 크리프가 발생합니다. 이 두 과정은 일반적으로 가역적입니다. 그 후 시료는 오히려 점성 흐름(일정한 변형률)으로 변하고 이 흐름은 더 높은 응력과 온도에서 더 뚜렷하게 나타나는 것을 분명히 볼 수 있습니다. 이 점성 흐름은 되돌릴 수 없기 때문에 후속 언로딩 단계 이후에도 잔류 변형이 남아 있습니다. 이러한 점성 소성 거동은 더 높은 온도와 응력에서 강도가 증가하면서 발생합니다.

DIN ISO 899 [4]에는 크리프 거동을 결정하기 위한 인장 크리프 테스트가 설명되어 있습니다. 여기서 사용된 크리프 회복 실험을 구체적으로 다루지는 않지만 각 크리프 단계에도 사용할 수 있는 일반적인 평가가 제시되어 있습니다. 따라서 그림 3 a) 및 b)는 위의 측정과 관련된 등시성 응력-변형 다이어그램을 보여줍니다. 스트레인은 고정된 시간 후 각 응력에 대해 기록되어 다이어그램에 입력됩니다. 이 테스트 시리즈에서 샘플에 서로 다른 하중이 가해지기 때문에 변형률은 각 경우에서 하중 단계 직전의 상태를 나타냅니다. 이 프레젠테이션은 결과 스트레인을 주어진 하중에 대한 고전적인 응력-변형 다이어그램과 완전히 유사하게 읽을 수 있기 때문에 구성 요소 설계에 특히 유용합니다. 일반적으로 여기에 기록된 것보다 훨씬 더 긴 시간 이후의 변형률도 흥미롭습니다. 위에서 보았듯이 주로 점성 거동이 더 긴 기간 동안 지배적이며, 이에 대해서는 나중에 더 자세히 설명하겠습니다.
또 다른 일반적인 표현으로 DIN ISO 899는 시간에 따른 크리프 계수를 설명합니다(그림 3 c 및 d). 계수의 역수, 즉 크리프 컴플라이언스가 대신 사용되는 경우가 많지만 여기서는 표준에 따라 크리프 계수를 표시합니다. 크리프 계수의 표시는 특히 재료의 비선형성을 조사하는 데 적합합니다. 응력이 높을수록 일반적으로 크리프 계수가 낮아지고 따라서 컴플라이언스가 높아진다는 것을 알 수 있습니다.

아이링에 따른 크립 레이트 설명
폴리머 크리프는 종종 4변수 유변학 모델로 설명됩니다(그림 4). 이 모델은 직렬로 연결된 스프링과 댐핑 요소(맥스웰 요소)로 구성됩니다. 스프링은 순간 변형률 점프를 설명하는 데 사용하고 댐퍼는 점성 흐름을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 점탄성 거동은 병렬 스프링 댐핑 요소로 설명됩니다. 따라서 이전에 수행한 각 크리프 회복 실험에 대해 해당 모델을 식별할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 장기 크리프와 관련된 점성 플라스틱 성분은 주로 점성 흐름에 의해 발생합니다. 온도와 응력에 대한 점성 흐름의 의존성은 분자가 특정 장애물을 극복할 확률로부터 모델 기반으로 도출할 수 있습니다. 자세한 내용은 [2]에서 확인할 수 있습니다. 이 모델에 따르면 응력과 온도 사이의 관계는 변형률의 로그에 선형적으로 의존한다는 결과가 나와 있습니다. 따라서 스트레스가 증가하면 변형률이 기하급수적으로 증가합니다.
그림 5는 각 응력에 대해 결정된 변형률을 보여줍니다. 위에서 이미 제시한 측정값과 함께 110°C에서 추가로 실험을 수행했습니다. 50°C에서 변형률과 응력 사이의 거동은 모델에 의해 매우 잘 설명되며, 즉 응력과 로그 변형률 사이에는 대체로 선형적인 관계가 있습니다. 더 높은 온도와 응력에서는 더 많은 분자 프로세스가 가능하여 로그 변형률에 굴곡이 생깁니다.
아이링 플롯 [1]에서는 각 온도에 대해 별도의 선이 기록됩니다. 이 점에서 이 플롯은 다른 응력에 대한 변형률의 외삽을 제시할 수 있습니다. 그러나 추가적인 시간-온도 중첩을 포함하는 더 고급 접근 방식도 있다는 점에 유의해야 합니다(예: [3] 참조).

결론
크리프 거동은 온도와 부하 수준에 따라 크게 달라집니다. 탄성 크리프 구성 요소는 더 작은 힘에서도 측정할 수 있지만, 많은 응용 분야에서 더 높은 힘과 응력이 발생합니다. DMA GABO Eplexor® 를 사용하면 실제와 관련된 많은 경우에서 하중 의존적 플라스틱 크리프의 특성을 분석할 수 있습니다. 이를 통해 장기적인 크리프 거동은 주로 폴리머의 점성 흐름에 의해 결정된다는 것을 알 수 있습니다. 작용 응력에 대한 변형률의 이러한 의존성은 아이링 플롯에서 명확하게 설명할 수 있습니다.