신율계(익스텐소미터) (Extensometer)

한 줄 정의: 인장 또는 압축 시험 중 시편의 표점 구간에 직접 부착하거나 비접촉으로 조준해 국소적인 변형(신율)을 정밀하게 측정하는 계측 장치.

쉽게 풀면

만능재료시험기의 그립 이동량만으로는 시편 자체의 늘어난 정도를 정확히 알기 어렵기 때문에, 시편의 정해진 구간(표점 거리)에 직접 클립처럼 물리거나 레이저·카메라로 비접촉 조준해서 그 구간이 실제로 얼마나 늘어나는지를 정밀하게 재는 장치다. 그립이나 시험기 자체의 미세한 변형까지 포함되는 오차를 없애고 시편의 진짜 변형량만 뽑아낼 수 있어 정확한 탄성계수 측정에 필수적이다.

왜 중요한가

탄성계수, 항복강도, 포아송비 등 재료의 핵심 기계적 물성치는 정확한 변형률 측정 없이는 신뢰성 있게 구할 수 없습니다. 그립 변위 기반의 간접 측정은 시험기 자체의 강성이나 시편 그립부의 미끄러짐 등 오차 요인을 포함하기 때문에, 재료공학·구조공학 논문에서 정밀한 물성 측정을 보고할 때는 신율계를 이용한 국소 변형률 측정이 표준적인 방법으로 자리잡고 있습니다.

무엇을 재는가

신율계(익스텐소미터)는 인장·압축 시험에서 시편 위에 정한 표점거리(L₀) 구간의 길이 변화(ΔL)를 직접 재서 변형률 ε = ΔL ÷ L₀ 를 구하는 장치입니다. 시험기의 크로스헤드(그립) 이동량은 시편의 늘어남뿐 아니라 시험기 프레임·로드셀·그립 접촉부의 변형까지 합쳐진 값이어서, 탄성 구간의 정밀한 변형률 측정에는 부적합합니다.

구성과 채점

접촉식: 칼날 모양의 접촉부를 시편에 물려 표점 구간의 변위를 변환기(스트레인게이지식 등)로 읽습니다. 축방향용과 가로(지름) 방향용이 있어, 두 가지를 함께 쓰면 포아송비도 구합니다.
비접촉식: 레이저나 카메라로 시편 표면의 표시 사이 거리 변화를 추적합니다. 접촉 손상이 없고 파단 근처까지 재기 쉽지만, 표면 마킹과 조명 조건의 영향을 받습니다. 영상 상관법은 디지털 이미지 상관법에서 다룹니다.
정밀도 등급과 교정(검증) 방법은 규격에서 정합니다(ISO 9513:2012 등). 시험 목적에 맞는 등급의 신율계를 쓰고 교정 기록을 남깁니다.
표점거리는 규격과 시편에 따라 정해지며, 너무 짧으면 국부 불균질의 영향이, 너무 길면 변형이 한곳에 몰리는 현상(네킹)의 영향이 평균에 섞입니다.

결과 읽는 법

가상의 예(코드로 계산): 표점거리 50 mm, 단면적 50 mm²인 시편에 10 kN의 하중을 가했더니 응력 σ = 10,000 N ÷ 50 mm² = 200 MPa, 신율계가 읽은 늘어남은 0.05 mm였습니다. 변형률은 0.05 ÷ 50 = 0.001(0.1%)이고, 탄성계수 E = σ ÷ ε = 200 ÷ 0.001 = 200 GPa 로 강 계열의 값에 가깝습니다.

만약 신율계 없이 크로스헤드 이동량만 썼고 그 값이 0.3 mm였다면 같은 하중에서 겉보기 변형률은 0.3 ÷ 50 = 0.006, 겉보기 탄성계수는 약 33 GPa 로 작게 나옵니다. 차이는 시험기 자체의 변형(컴플라이언스) 때문입니다. 이 숫자는 설명을 위해 만든 값이며 실제 시험기에서는 다릅니다.

응력-변형률 곡선의 초기 기울기로 탄성계수를, 포아송비는 가로 변형률 ÷ 축 변형률로 구합니다(곡선의 해석은 응력-변형률 곡선 참고).
신율계를 파단 전에 떼는 경우가 많으므로, 곡선의 뒷부분은 다른 장치의 값을 연결한 것인지 확인합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

"탄성계수는 표점거리 50 mm의 신율계를 시편에 부착하여 인장시험 중 측정하였다."

시편에 표점 거리 50mm의 신율계를 붙여서 인장시험 도중 정확한 변형량을 측정해 탄성계수를 구했다는 뜻이다.

"고온 크리프 시험에서는 접촉식 신율계 대신 비접촉 레이저 신율계를 사용하여 시편 표면 손상 없이 장시간 변형 거동을 추적하였다."

고온·장시간 시험 조건에서 접촉식 측정이 어려운 상황에 비접촉식 신율계를 활용한 재료시험 사례다.

"복합재료 시편의 국소 변형 분포를 파악하기 위해 디지털 이미지 상관법과 신율계 측정값을 함께 비교하여 검증하였다."

전면 변형장을 얻는 광학 기법과 특정 구간의 정밀 측정값을 상호 검증한 복합재료 연구의 예다.

조금 더 깊게 보면

신율계는 측정 방식에 따라 클립 게이지처럼 시편에 직접 물리는 접촉식과, 레이저나 카메라로 표점 사이의 거리 변화를 추적하는 비접촉식으로 나뉩니다.

접촉식은 상대적으로 정밀도가 높지만 파단 순간의 충격이나 고온 환경에서 손상 위험이 있고, 비접촉식은 시편에 물리적 영향을 주지 않는 대신 표면 처리(마킹, 패턴 부착)와 광학 조건에 성능이 좌우됩니다.

표점거리(gauge length) 설정도 중요한데, 표점거리가 너무 짧으면 국소적인 재료 불균질성의 영향을 크게 받고, 너무 길면 시편 전체의 변형 불균일성이 평균화되어 정밀도가 떨어질 수 있습니다.

주의할 점

시편에 직접 부착하는 접촉식 신율계는 취성 재료의 경우 파단 순간 충격으로 손상될 수 있어, 이 경우 비접촉식(레이저나 디지털 이미지 상관법(디지털영상상관법)) 방식을 쓰기도 한다.

참고 문헌

ISO. (2012). ISO 9513: Metallic materials — Calibration of extensometer systems used in uniaxial testing. International Organization for Standardization.
Dieter, G. E. (1986). Mechanical Metallurgy (3rd ed.). McGraw-Hill.
Davis, J. R. (Ed.). (2004). Tensile Testing (2nd ed.). ASM International.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.