충격시험 이론 완결편

충격시험

1. 충격 시험의 개요

1. 충격 시험의 개요  파괴강도가 크더라고 변형이 작은 재료는 파단에 요하는 에너지가 작다. 이와 같은 재료를 여리다고 한다. 이와는 반대로 파단강도는 작더라도 파단 에너지가 큰 재료는 질기다고 한다. 일반적으로 금속재료가 어떤 온도이하로 내려가면 상온부근에서는 인성이 크나, 갑자기 여리게 된다. 이 성질이 급변하는 온도를 천이온도라고 한다. 천이온도는 각 재료의 특유한 값이 아니고 시험조건에 따라서 많은 차이가 생긴다. 다시 말하면 온도가 일정하더라도 다른 시험조건에 의해서 여리게, 또는 질기게도 된다. 여러 가지 시험조건 중에서 그 효과가 비교적 크고, 또한 중요한 것은 시험속도이다. 이것은 변형을 빨리하면 변형능은 일반적으로 감소하기 때문이다. 통례의 정적시험에서는 천이온도가 상온 이하인 재료라도 충격시험을 하면 상온에서도 여리게 된다. 다시 말하면 충격 시험에 의한 인성에서 취성으로의 이행은 비교적 쉽게 규명할 수 있다. 각종의 구조룸, 기계류, 기관등의 파손은 정적하중의 경우는 드물고, 대개는 잡다한 진동이 수반되는 하중이 되풀이 된 후에 갑자기 받은 충격에 의한 것이다. 그러므로 재료가 그 사용 온도에서 인성을 가지는가 혹은 취성이 있는가를 조사하고 천이온도를 조사해두는 것은 실용상 매우 중요한 일이다. 충격 시험이 중요한 것은 이 때문이며, 그 주목적은 여린 파괴에 관한 현상을 규명하는데 있다.

2. 충격 시험의 목적

2. 충격 시험의 목적  재료의 충격력에 대한 저항, 즉 시험편을 충격적으로 파단할 때 충격으로 인한 흡수에너지의 크기를 구하여 재료의 인성과 취성의 정도를 판정하는 시험이다. 특히 구조용 철강의 저온취성, Ni-Cr강의 뜨임취성 등의 성질을 알 수 있는 가장 간단한 시험이다. 이와 같은 충격 시험에는 한번의 충격으로 시험편을 파괴하고 시험편이 파괴될 때의 흡수되는 에너지 크기를 구하여 재료의 끈질긴 성질의 기준으로 삼는다. 충격시험은 충격하중을 가하는 방법에 따라 충격 인장 시험, 충격 압축 시험, 충격 비틀림 시험 등으로 구분하며, 공업적으로 시험하는 것은 주로 노치(Notch)가 되어있는 시험편을 사용하는 충격 굽힘 시험이다. 충격에 의한 시험편의 파괴에 요하는 0.001~0.00005초 정도의 시험으로 충격 굽힘을 제외한 충격 인장이나 충격 압력은 충격 파괴 에너지를 구하기 위한 시험법으로 주로 고속 변형할 때 재료의 구성비를 알아보기 위한 학술적 연구의 시험이다.

3. 이론

3. 이론 a) 충격하중 일반적으로 구조물 또는 기계의 부재들은 동적 하중을 받게 되므로 동적 하중에 대한 저항력 즉, 취성이나 인성은 재료의 중요한 기계적 성질이 된다. 충격하중은 동적 하중의 하나로서 재료가 충격하중을 받게 되면 하중만큼의 최대 변형이 일어나고 그 이후 즉시 원상태로 돌아가려는 거동을 보인다. 이것은 마치 스프링 위에 질량을 떨어뜨리는 것과 유사하게 충격방향에 대해 진동이 일어날 것이다. 이 진동은 감쇄효과 때문에 곧 중단될 것이고 곧 정지상태로 들어간다. 이와 같이 재료가 충격하중을 받았을 때의 거동은 대단히 복잡하고 이에 대한 해석 역시 고도의 수학적 능력이 필요하게 된다. 그러나 변형 에너지의 개념을 도입하고 약간의 과정을 단순화하면 대략적인 해석이 가능하게 된다. b) 충격 실험 ° 일반적으로 충격 시험은 에너지의 개념으로 실행되며, 충격 시험(impact test)에서 나타나는 특수한 점은 다음과 같다. - 보통 충격 시험은 동적 시험이므로 정적하중에 대한 에너지와 차이가 많다. - 상온에서 연성 파괴(ductile fracture)되는 재료라 할지라도 어떤 온도 이하에서는 급격히 여린 성질을 가져 깨짐 파괴(brittle fracture)를 이루는 일이 있다. - 시편의 노치효과(notch impact)를 많이 받는다. - 하중속도의 영향이 크다. ° 이와 같은 특수한 점은 동적하중과 정적하중에 대한 재료의 기계적 성질을 고찰할 때 중요시된다. 또 각종 압연?단조?압출 등의 소성가공에서 변형속도(strain ratio)에 대한 변형저항을 알아내는 데 필요하다. ° 충격 시험은 재료의 질긴 정도를 알기 위한 시험이며, 시험기에는 여러 가지가 있으나 금속재료의 충격 시험기로서 오늘날 많이 사용되는 것에는 샤르피(Charpy)형과 아이조드(Izod)형의 충격시험기가 있으며, 모두 일정한 질량을 갖고 있는 펜듈럼 해머를 일정한 각도로부터 내리쳐서 수직의 위치에 있는 시험편을 1회의 충격으로 부러뜨려 시험편이 파괴될 때의 소모된 에너지를 그 재료의 충격값 즉, 강인성으로 나타낸다. c) 충격 실험의 원리 (Charpy impact test) ° Charpy가 처음 시도한 충격 굽힘 시험법으로 시험편을 양단힌지로 고정한 다음 시험편의 notch부분이 정확하게 중앙에 오도록 수평으로 놓는다. 이때 시험편의 중앙점에 충격하중을 가하여, 시험편이 파단되는데 소요된 흡수에너지E(kgf.m)로 충격치를 나타낸다. W : 해머의 무게 (kgf) α : 해머를 들어올렸을 때의 초기각도 β : 시험편을 절단하고 상승했을 때의 각도 R : 축 중심 O로부터 해머의 중심 G까지의 거리 (m) A : 노치부의 원래의 단면적 h1 : 끌어올린 위치 h2 : 해머가 시험편을 통과한 올라간 위치 그림 1. Charpy 충격 실험의 원리 그림 1과 같이 핸들을 돌려서 해머가 α되는 각도의 위치에 고정시키고 펜듈럼 해머의 날이 시험편의 노치 부분에 오도록 시험편을 바른 위치에 놓은 다음, 해머를 낙하시켜서 시험편을 파괴시키고 해머가 각도 β만큼 올라가게 한다. 이때 파괴되는데 소모된 에너지E(kg.m)는 다음과 같다. 단, 회전축의 공기저항에 의한 마찰은 무시한다. 여기서, 따라서, 소모된 에너지E는 이다. 그림 2. 충격위치와 충격시편(KS B 0809 제 4호) ° 샤르피 충격치 U는 시험편을 절단하는데 필요한 에너지 E(㎏.m)를 노치부의 원단면적(㎠)으로 나눈 값으로 표시된다. 노치부의 단면적으로 나눈 것은 단지 충격치에 대한 규약이며, 단위면적당 흡수에너지의 개념은 갖지 않는다. 다시 말해 충격치 U는 이다 시험편은 중앙파단부에 V 또는 U형상의 노치를 만들어 응력집중 효과를 나타내게 된다.

4. 충격 시험의 종류

4. 충격 시험의 종류 a) 하중이 작용하는 방식에 따른 분류 : 충격 인장, 충격 압축, 충격 굽힘, 충격 비틀림 시험   b) 충격 횟수에 따른 분류 ° 단일 충격 시험 단지 일회의 충격력으로 시편을 파괴하는 것으로 이때 측정하는 것은 재료를 파괴하는데 필요한 일의 양, 즉, 재료가 흡수한 에너지이다. 이것으로 재료의 인성 또는 취성을 판단한다. ° 반복 충격 시험 일정한 중량의 하중으로 시편에 반복타격을 가하여 파괴까지의 타격수로서 재료의 성질을 판단. 피로 시험과 다소 유사하나, 피로 시험에 비하여 반복 횟수가 적다. 또한 1회의 타격으로 재료에 영구변형이 생기는 일도 있어, 완전히 피로 시험과 다르다.   4. 1 충격 인장 시험 ° 충격 인장 시험기에는 시편에 충격력을 가할 때 낙하중추를 이용한 것과 펜듈럼 해머를 사용한 것 등이 있다. (a)는 낙하 중추형, (b)는 질량이 큰 척부의 관성을 이용한 것, (c)는 해머에 의한 타격, (d)는 보통 샤르피 시험기를 이용한 것으로 해머의 뒤쪽에 시험편을 그림과 같이 나사로 고정한다. 그리고 해머가 가장 낮은 위치에 왔을 때 이 해머의 운동을 정지시킴으로써 시험편을 인장하여서 끊어지도록 하는 것이다. (e)는 질량이 큰 플라이휠의 관성을 이용한 것이다. 이 바퀴를 소정의 속도로 회전시켜 전기적으로 타격날은 플라이휠에서 돌출시켜서 시험편을 타격하는 방법이다. 소형으로 고속의 타격을 줄 수 있는 것이 특징이다. 이 중에서 (a), (c)는 고온 및 저온 시험용에 이용하고, (d)는 쉽게 흡수 에너지를 구할 수 있는 점에서 우수하다. 그림 3. 충격인장시험기 원리도   4. 2 충격 압축 시험 ° 연성재료를 압축하면, 단면적 증가에 의해 파괴가 곤란해지는 외에, 단면마찰, 만곡, 좌굴 등이 문제되므로 충격 압축 파괴시험은 학술연구용으로는 거의 사용되지 않는다. 단, 실용적인 가공성 시험으로서는 희망 온도로 유지한 시험편을 해머로 타격하는 정도의 조작으로 시험을 완료한다는 편리함이 있어서 종종 사용된다.   4. 3 충격 굽힘 시험 a) 충격 굽힘 시험은 현재 실제 문제로서 가장 널리 사용되는 충격 시험으로서 보통 충격 시험이라고 하면 충격 굽힘 시험을 의미한다. 충격 굽힘에는 시편에 노치가 있는 것과 노치가 없는 것이 있다. 노치가 없는 것은 레일, 차축 등의 실물시험에 사용된다. b) 충격 굽힘 시험기는 낙하식 시험기를 사용(해머의 무게를 일정하게 하고 시험재료가 파단하기까지의 타격수, 또는 소정의 굴곡도에 도달할 때까지의 타격수를 측정) c) 충격 굽힘 시험의 종류 ° 단일 충격 시험 : 샤르피 충격 시험기, 아이조드 충격 시험기, 길레이 충격 시험기, 올센 충격 시험기 ° 반복 충격 시험기 : 마쯔무라 반복 충격 시험기

5. 충격 시험의 시험편

5. 충격 시험의 시험편 a) 시험편에 사용되는 용어의 정의 ° 높이(Height) : 충격 시험 때 충격 방향으로의 시험편의 크기 ° 너비(Width) : 충격 날 끝을 따라 접촉하는 방향으로의 시험편의 크기 ° 길이(Length) : 높이와 너비에 직각 방향으로의 시험편의 크기   b) 시험편의 종류 명    칭 V노치 시험편 U 노치 시험편 규  격 허 용 차 규  격 허 용 차 길이 55mm ± 0.60mm 55mm ± 0.60mm 높이 10mm ± 0.05mm 10mm ± 0.05mm 너비 너비(축소 시험편의 경우) 너비(축소 시험편의 경우) 너비(축소 시험편의 경우) 10mm 7.5mm   5mm 2.5mm ± 0.05mm ± 0.05mm ± 0.05mm ± 0.05mm 10mm 7.5mm   5mm 2.5mm ± 0.05mm ± 0.05mm ± 0.05mm ± 0.05mm V노치 각도 / U노치 나비 45° ± 2° 2mm ± 0.14mm 노치아래 높이   8mm ± 0.05mm 8mm ± 0.05mm - - 5mm ± 0.05mm 노치 바닥 반지름 0.25mm ± 0.025mm 1mm ± 0.07mm 노치 대칭평면과 단면과의 거리   27.5mm ± 0.4mm 27.5mm ± 0.4mm   27.5mm ± 0.165mm 27.5mm ± 0.165mm 길이 방향과 노치 대칭면과의 각도 90° ± 2° 90° ± 2° 단면을 제외한 인접면 사이의 각도 90° ± 2° 90° ± 2° ° 형상 및 치수 : 시험편은 길이가 55mm, 높이 및 너비가 10mm인 정사각형의 단면을 가지며, V노치(Notch) 또는 U노치를 가지고 있어야 한다. ° 재료의 사정에 의해 표준 치수의 시험편 채취가 불가능한 경우에는 너비가 7.5mm, 5mm 또는 2.5mm의 축소 시험편으로 하여도 좋다.   c) 시험편 제작시 주의사항 ° 가공에 의한 연화나 경화의 영향이 가능한 일어나지 않도록 기계 가공한다. ° 열처리한 재료의 평가를 위한 시험편은 열처리 후에 기계 가공한다. ° 시험편의 단면을 제외한 4면은 평활하여야 한다. 또, 노치 바닥의 다듬질은 매끄러워야 하며, 해로운 절삭 흠 등이 있어서는 안된다. ° 시험편의 기호, 번호 등은 시험에 영향을 미치지 않는 부위에 표시한다.  그림 4. 샤르피 충격 시험편.