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조회 수 : 40627
2011.09.28 (18:11:42)

-실험 설계 참고 사항으로 사용해 주시길 바랍니다.-

1. 실험 목적

시험편에 충격적인 하중을 가함으로써 재료의 충격에 대한 저항, 즉 인성과 취성의 정도를 판정함을 목적으로 한다.

2. 이론

충격 시험에서는 시험편을 1×10^-3 ~ 5×10^-5 초 동안에 순간적으로 하중을 가하여 파단한다. 이 파단에 필요한 에너지(흡수 에너지)의 크기로 재료의 강도, 취성을 판단한다. 공업적으로 널리 사용하는 것은 Notch(노치) 를 가진 시험편에 충격 굽힘 하중을 가하는 충격 굽힘 실험이 주로 쓰이고 있다. 충격 파괴시 실제로 시편이 흡수한 에너지( kg -m 시편을 파괴하는데 필요한 에너지) 또는 노치부의 원단면적으로 파괴에너지를 나눈 수치( kg*m/cm²) 로서 그 재료의 충격치를 정한다.

샤르피 충격시험에서 측정된 값은 Notch( 균열 ) 를 갖는 재료의 내충격성에 대한 정성적인 비교는 가능하지만, 구조물, 기계등의 설계 계산에 직접 사용할 수는 없다.

보강 ) 재료는 정하중에 대한 강도가 같더라도 여기에 충격 하중을 주어 파괴시킬때 큰 저항을 나타내는 것과 매우 작은 저항을 나타내는 것이 있다.

일반적으로 인장강도가 높고 연성이 충분하여 정하중에 의한 인장 시험에서 파괴시까지 큰 소성 변형을 나타내는 재료는 충격 파괴에 대해 큰 충격 에너지를 흡수하므로 충격저항이 커서 점성이 강한 성질을 나타내고 이에 반해 연성이 없는 재료는 인장 강도가 높더라도 충격 에너지의 흡수 능력이 작기 때문에 충격 저항이 작아 취성을 나타낸다. 이와 같은 점성 강도 및 취성의 측정에는 Notch를 가진 시편에 충격 굽힘 하중을 주어 파괴 시험을 할 때 그 차가 확실하다. 그러나 재료에 충격에 대한 강도는 같은 재료에서라도 시편의 형상과 크기, 시험 방법 등에 현저히 달라진다.

샤르피 충격 시험에서는 측정된 값은 Notch를 갖는 재료의 내충격성에 대해 정성적 비교는 가능하지만 구조물, 기계 등의 설계 계산에 직접 사용할 수는 없다. 샤르피식과 아이조드 식 충격 시험 결과인 충격치는 시험편의 형상과 정의가 다르기 때문에 수적인 관련성은 없다. 충격치는 강도 계산의 수치로서 사용되는 것이 아니라 재료를 사용할때 특성의 비교에 사용된다.

①샤르피 충격 시험기

샤르피충격방법_beser.jpg

진자식의 해머에 의해 1회 충격으로 시험편을 파괴하는 능력과 강성을 가지고 있다. 해머가 시험 전에 높이 들어 올려져 있을 때의 각도(인상각)와 시험 후에 해머가 높여져 있는 각도(상승각)을 읽기 위한 지침과 눈금판 시험편을 지시하는 장치 등으로 구성 되어 있다.

진자형 해머는 눈금판의 중심과 회전축의 둘레를 부드럽게 회전할 수 있는 구조로 소정의 들어올림각(인상각)에서 정지시켜 빗장을 풀면 해머의 하중에 의해 낙하하여 축의 둘레를 회전시킨것과 같이 된다. 파단에 요하는 에너지를 측정하기 위하여 회전부의 마찰 저항이나 공기 저항 등이 가능한 적도록 만들어졌다. 보통 강재에 사용되는 시험기의 용량은 30kg-m 이다.

②아이조드 충격 시험기

아이조드충격시험기_beser.jpg

샤르피 충격 시험기와 마찬가지로 노치부 시험편을 진자형 해머로 타격하고 파단에 요하는 에너지를 측정하여 재료의 인성과 취성을 측정한다. 시험 방법은 샤르피 충격 시험기와 같으나 시험편을 한쪽만 강하게 고정하고 지지하며, 형상 치수가 약간 다르고 시험기의 용량은 16.6kg-m 이다.

샤르피와_아이조드_충격시험의_차이_beser.jpg

- 샤르피 충격 시험기와 아이조드 충격 시험기의 차이 -

③ 샤르피 충격 시험 계산 방법

E = E₁ - E₂ - Ee E: 파단 에너지

E₁ = Wh₁= WR ( 1 - COSα) E₁: 시험 전 해머의 위치에너지

E₂ = Wh₂= WR ( 1 - COSβ) E₂: 시험 후 해머의 위치 에너지

E = E₁- E₂ Ee : 손실된 에너지(공기저항, 충력의 작용, 마찰 저항 등)

= WR ( COSβ - COSα)

U = E / A = WR ( COSβ - COSα) / A

A : 파단하기 전 노치부의 원단면적

E : 시편을 파단하는데 요하는 충격 에너지( 흡수E )

U : 충격치(KG/mm²)

W : 해머의 중량 (Kg)

R : 해머의 회전축의 중심에서 해머의 중심까지의 거리(mm)

α: 해머의 인상각

β: 파단 후 해머의 상승각

④ 고려해야 할 사항

ⅰ) 하중 - 굽힘 곡선

충격시험에서의하중굽힘곡선_beser.jpg

파괴에너지 (a) > (b) > (c)

ⅱ) 노치

◎ 노치의 형상에 따라 파괴 현상이 다르다.

◎ 노치부의 둥글기가 작을수록 빨리 파단되고 흡수 에너지도 작게 된다.

◎ 노치부의 깊이가 얕을수록 비흡수에너지는 크다.

→ 둥글기가 작고 깊이가 얕을수록 응력 집중이 크다.

◎ 시편의 폭의 증가에 따라 흡수 에너지도 비례되어 증가하나 재료에 따라서는 감소되는 예도 있다.

*열처리의 특성

ⅲ) 템퍼링 취성

Cr, Mn 등의 탄화물을 형성하는 원소가 함유되는 합금강에서는 Quenching한 다음에 템퍼링 온도에서 서서히 냉각하였을 때 같은 조직을 급냉한것에 비하여 충격치가 적게 된다. 이 현상을 템퍼링 서냉 취성 이라고 한다.

템퍼링 취성의 원인으로는 템퍼링 온도에서부터 서냉으로 인하여 주로 탄화물(Carbide)가 α- Fe 의 결정립계에 석출되어 이것이 노치 효과를 주게 되어 충격치가 작아지는 원인이 된다. Ni -Cr 강은 템퍼링 온도에서 급랭시키면 탄화물이 철중에 고용된 상태로 되어 (고용화처리) 노치 효과의 원인이 생기지 않고 또한 기지가 소르바이트(sorbite) 조직으로 되므로 충격치가 크다. 템퍼링 취성은 특수강에서 Mo 0.3% 를 첨가시키면 템퍼링 온도에서 서냉하여도 충격치가 저하되지 않는다.

3. 실험 장치

- 샤르피 충격 시험기 , 시편 S20C

어닐링한 시편

Quenching 후 250℃에서 어닐링한 시편

액화 질소 ( -198℃) 에 담군 시편

4. 실험 방법

① 시편을 준비하고 시험기의 수평 상태를 확인한다.

② 손잡이를 돌려 해머를 올린다.(138.5。)

③ 시편을 노치부를 중앙에 오게 거치대에 올린다.

(액화 질소에 둔 시편은 5초이내에 집게를 이용해 올린다)

④ 해머를 내린 후 브레이크 레버를 사용하여 해머를 정지시킨다. ( 해머가 2회 이상 왕복하기 전에 잡아둔다.)

⑤ 지시판의 각도를 읽는다.

⑥ 시편의 표면 상태를 관찰하고, 공식을 이용하여 충격값을 산출한다. 

2012.03.24 (06:05:13)
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