샤르피 충격 실험: 재료의 인성 측정

본 내용은 " [재료공학기초실험]샤르피 충격 실험 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.26

문서 내 토픽

• 1. 샤르피 충격 시험

  샤르피 충격 시험은 1901년 C.Charpy가 발표한 전자식 해머 운동에 의한 충격 시험 방법이다. 일정한 높이에서 해머가 시험편으로 떨어지면서 시험편을 파괴하며, 해머의 초기 위치에너지와 반대쪽으로 튀어올랐을 때의 위치에너지의 차이가 시편을 파괴하는데 소요된 충격에너지가 된다. 이를 시편의 단면적으로 나눈 값을 충격치라 하며, 재료의 인성을 측정하는데 사용된다. 보통 사용되는 시편의 크기는 10×10×50㎜이며, 중앙에는 V자형 또는 U자형 노치를 붙인다.

• 2. 충격 하중 및 충격 에너지

  충격 하중은 작용시간이 극히 짧은 충격에 의한 동적 하중을 의미한다. 충격 에너지는 E₁=W(h₁-h₂)=WR(cosα-cosβ) 공식으로 계산되며, 여기서 W는 해머의 무게, R은 축 중심과 해머 중심의 거리, α는 초기 각도, β는 상승 각도이다. 재료가 충격 하중을 받으면 최대 변형이 일어나고 그 이후 즉시 원상태로 돌아가려는 거동을 보인다.

• 3. 재료의 취성과 인성

  취성은 물체가 연성을 갖지 않고 파괴되는 성질로, 탄성한계 이상의 힘을 가했을 때 영구 변형을 하지 않고 파괴되거나 극히 일부만 영구 변형을 일으키는 성질을 의미한다. 충격 시험을 통해 재료의 취성정도를 비교 및 측정할 수 있으며, 샤르피 충격치는 재료의 인성을 측정하는데 사용된다.

• 4. 실험 결과 분석

  S45c 강재의 충격값은 19.076 [J/㎠]이고, S41c 강재의 충격값은 15.160 [J/㎠]로 계산되었다. 해머 무게 294N, 거리 0.75m, 초기 각도 130°를 기준으로 S45c는 125°, S41c는 126°까지 상승했으며, 시편의 단면적은 0.8㎠로 일정하다. 이를 통해 노치 형상에 따른 충격 저항의 변화를 측정할 수 있다.

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• 1. 샤르피 충격 시험

  샤르피 충격 시험은 재료의 충격 저항성을 평가하는 중요한 표준 시험 방법입니다. 이 시험은 일정한 높이에서 떨어진 추가 시편을 타격하여 재료가 흡수할 수 있는 에너지를 측정합니다. 특히 저온에서의 재료 거동을 평가하는 데 매우 유용하며, 강철과 같은 금속 재료의 취성-인성 전이 온도를 결정하는 데 널리 사용됩니다. 시험의 단순성과 재현성이 높아 산업 현장에서 품질 관리의 필수 항목으로 인정받고 있습니다. 다만 시편의 크기와 형상, 노치의 형태 등이 결과에 영향을 미치므로 표준화된 절차 준수가 중요합니다.

• 2. 충격 하중 및 충격 에너지

  충격 하중과 충격 에너지는 재료의 동적 특성을 이해하는 핵심 개념입니다. 충격 하중은 매우 짧은 시간에 작용하는 큰 힘으로, 정적 하중과는 다른 재료의 거동을 유발합니다. 충격 에너지는 재료가 파괴될 때까지 흡수할 수 있는 에너지의 양을 나타내며, 이는 재료의 인성을 직접적으로 반영합니다. 같은 강도를 가진 재료라도 충격 에너지 흡수 능력은 크게 다를 수 있으므로, 충격이 예상되는 환경에서 사용되는 재료 선택 시 이 지표가 매우 중요합니다. 온도, 변형률 속도, 재료의 미세구조 등 여러 요인이 충격 에너지에 영향을 미칩니다.

• 3. 재료의 취성과 인성

  취성과 인성은 재료의 기계적 특성을 나타내는 상반된 개념입니다. 취성 재료는 소성 변형이 거의 없이 갑자기 파괴되는 특성을 보이며, 인성 재료는 파괴 전에 상당한 소성 변형을 겪습니다. 같은 재료라도 온도, 변형률 속도, 응력 상태에 따라 취성 또는 인성을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어 강철은 고온에서는 인성을 보이지만 저온에서는 취성을 나타내는 취성-인성 전이 현상이 발생합니다. 구조물의 안전성을 확보하려면 사용 환경에서 재료가 충분한 인성을 유지하도록 설계하고 재료를 선택해야 합니다.

• 4. 실험 결과 분석

  샤르피 충격 시험의 결과 분석은 단순히 충격 에너지 값을 읽는 것을 넘어 다양한 정보를 추출하는 과정입니다. 흡수 에너지의 절대값뿐만 아니라 파면의 형태, 파괴 모드(연성 또는 취성), 온도에 따른 에너지 변화 추세 등을 종합적으로 검토해야 합니다. 특히 취성-인성 전이 온도 범위를 정확히 파악하는 것이 중요하며, 이를 통해 재료의 사용 가능한 온도 범위를 결정할 수 있습니다. 여러 시편의 결과를 통계적으로 분석하여 재료의 신뢰성을 평가하고, 다른 기계적 성질 데이터와 함께 종합적으로 해석하여 재료 선택 및 설계에 반영해야 합니다.