[A+보고서]한국기술교육대학교 기초기계공학실험 고체 충격시험보고서 샤르피 충격시험

문서 내 토픽

1. 샤르피 충격 시험

샤르피 충격 시험은 충격력에 대한 재료의 저항을 측정하는 실험입니다. V-노치가 생성된 시험편을 파괴할 때 흡수되는 에너지의 크기를 구하여 재료의 인장강도, 연성, 취성과 재료 파괴 시 필요한 충격치를 알 수 있습니다. 샤르피 충격실험방법과 시험기의 구조 및 원리를 이해하고, 실험결과를 통해 제품 설계 단계에서 외부 힘을 버틸 수 있는 적절한 재료를 선정함으로써 경제성과 시간의 효율적인 운용이 가능합니다.
2. 샤르피 충격치 U

샤르피 충격치 U는 실험에서 사용한 시편을 절단하는데 필요한 에너지 E를 노치부의 원단면적 A로 나눈 값으로 표시됩니다. 이는 단지 충격치에 대한 규약이며, 단위면적 당 흡수된 에너지의 개념은 갖지 않습니다.
3. 충격 시험기의 원리

충격시험기 해머의 초기 위치와 나중 위치에서의 위치에너지 차이와 에너지 보존 법칙을 이용해서 충격흡수 에너지를 구하고, 이를 통해 재료의 취성 혹은 인성강도를 파악할 수 있습니다.
4. 충격값 산출을 위한 단면 선택

해머의 날에 의해 시험편은 전단응력을 받아 파괴되므로, 응력이 집중되는 노치부분을 기준으로 전단방향의 면적을 단면으로 선택하였습니다.
5. 에너지 천이온도

금속재료는 온도에 따라 흡수할 수 있는 충격에너지의 양이 변하는데, 흡수할 수 있는 충격에너지의 양이 급변하는 구간의 온도를 천이온도라고 합니다.
6. 충격 시험의 활용

충격 시험 결과는 기계요소 어느 부위든 사용될 수 있으며, 물성을 알아야 그에 적절한 설계를 할 수 있습니다. 대표적인 예시로 스패너, 망치, 드라이버, 실린더헤드 등의 공구를 제작할 때 공구가 외부 충격으로 인해 파손되지 않도록 상대적으로 단단한 탄소강 등의 저항력이 높은 재료를 선정합니다.

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1. 샤르피 충격 시험

샤르피 충격 시험은 재료의 충격 저항성을 평가하는 대표적인 실험 방법입니다. 이 시험은 재료에 순간적인 충격을 가하여 파괴되는 정도를 측정함으로써 재료의 취성 및 연성 특성을 파악할 수 있습니다. 샤르피 충격 시험은 금속, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 재료에 적용되며, 특히 구조용 재료의 안전성 평가에 널리 활용됩니다. 이 시험을 통해 재료의 충격 특성을 정량적으로 평가할 수 있으므로, 재료 선택 및 설계 과정에서 중요한 정보를 제공합니다.
2. 샤르피 충격치 U

샤르피 충격치 U는 재료의 충격 저항성을 나타내는 대표적인 지표입니다. 이 값은 재료에 가해진 충격 에너지를 재료의 단면적으로 나눈 값으로, 단위는 J/cm²입니다. 샤르피 충격치 U가 높을수록 재료의 충격 저항성이 우수하다고 볼 수 있습니다. 이 지표는 재료의 연성, 취성, 강도 등 다양한 특성을 반영하므로 재료 선택 및 설계 시 중요한 고려 사항이 됩니다. 또한 샤르피 충격치 U는 온도에 따라 변화하므로, 사용 환경에 따른 재료의 충격 특성 변화를 파악하는 데 활용됩니다.
3. 충격 시험기의 원리

충격 시험기는 재료에 순간적인 충격을 가하여 파괴되는 정도를 측정하는 장비입니다. 이 시험기의 기본적인 원리는 추(pendulum)를 이용하여 재료에 충격을 가하는 것입니다. 추는 일정한 높이에서 낙하하여 재료를 파괴하며, 이때 소비된 에너지를 측정함으로써 재료의 충격 저항성을 평가할 수 있습니다. 충격 시험기에는 다양한 종류가 있으며, 시험편의 크기와 형태, 시험 방법 등에 따라 구분됩니다. 이러한 충격 시험기는 재료 개발, 품질 관리, 안전성 평가 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
4. 충격값 산출을 위한 단면 선택

충격 시험에서 재료의 단면 선택은 매우 중요한 요소입니다. 일반적으로 충격 시험편의 단면적은 시험 결과에 큰 영향을 미치기 때문입니다. 단면적이 작을수록 동일한 충격 에너지에 대해 더 큰 응력이 발생하므로, 상대적으로 낮은 충격치가 측정될 수 있습니다. 따라서 충격 시험 시 시험편의 단면적은 재료의 실제 사용 환경을 고려하여 적절히 선택되어야 합니다. 또한 시험편의 형상, 노치 유무 등도 충격 시험 결과에 영향을 미치므로 이에 대한 고려도 필요합니다. 이와 같이 충격값 산출을 위한 단면 선택은 재료의 충격 특성을 정확히 평가하는 데 매우 중요한 요소입니다.
5. 에너지 천이온도

에너지 천이온도는 재료의 취성-연성 천이 온도를 나타내는 중요한 지표입니다. 이 온도는 재료의 충격 저항성이 급격히 변화하는 온도 범위를 의미하며, 주로 금속 재료에서 관찰됩니다. 에너지 천이온도 이하에서는 재료가 취성 파괴 거동을 보이지만, 이 온도 이상에서는 연성 파괴 거동을 나타냅니다. 따라서 에너지 천이온도는 재료의 사용 온도 범위를 결정하는 데 중요한 기준이 됩니다. 에너지 천이온도는 재료의 화학 조성, 미세 조직, 열처리 등에 따라 달라지므로, 재료 개발 및 선택 시 이 특성을 고려해야 합니다.
6. 충격 시험의 활용

충격 시험은 재료의 안전성 및 신뢰성 평가에 매우 중요한 역할을 합니다. 특히 구조용 재료, 운송 기기, 에너지 설비 등 안전성이 중요한 분야에서 충격 시험은 필수적입니다. 이를 통해 재료의 취성, 연성, 강도 등 다양한 특성을 파악할 수 있으며, 사용 환경에 따른 재료의 거동을 예측할 수 있습니다. 또한 충격 시험은 재료 개발 및 품질 관리 과정에서도 활용되어, 최적의 재료 선택과 공정 관리를 가능하게 합니다. 이처럼 충격 시험은 재료 공학 분야에서 매우 중요한 역할을 하며, 안전하고 신뢰할 수 있는 제품 개발에 기여하고 있습니다.