■ 충격시험 1. 서론 금속재료가 소성변형을 일으키지 않고, 파괴되는 성질을 취성이라고 하고, 파괴시까지 상당한 소성변형을 나타내는 성질을 연성 또는 인성이라고 한다. 연성은 인장시험에서의 연신율 또는 단면 수축율에 의해서 어느 정도 수량적으로 표시할 수 있는 반면에 인성이라는 용어를 수량적으로 표시한 것은 그다지 많지 않다. 인성이라는 것은 앞장에서도 언급했듯이 재료가 파괴될 때까지의 흡수한 에너지 즉, 응력-변형률 곡선에서의 면적이라고 정의했었다. 그러나, 인장시험시 동일한 곡선을 나타내는 유사한 기계적 성질을 갖는 금속재료에도 동적인 하중, 즉 충격하중하에서는 다른 특성을 보이는 경우가 있다. 또한 정적하중에서는 연성파괴를 보이는 금속재료도 충격하중 하에서는 가끔 취성 파괴를 보이는 일이 있다. 따라서 금속재료의 강도에는 앞에서 언급된 정적인 시험으로 나타낼 수 없는 성질이 있다는 것을 알 수있다. 이와 같은 성질을 평가하는 방법으로서 충격시험이 이용된다. 충격시험은 노치를 낸 시험편에 충격하중을 주어 파괴를 하는데 필요한 에너지를 측정하는 시험으로, 금속재료의 인성
또는 취성을 판단하기 위하여 행해지고 있다. 특히 구조용 강의 저온 인성을 측정하는데 유용한 방법이며 측정온도를 변화시켜 가면서 측정하면 연, 취성 천이온도를 구할 수 있다. 따라서 본 절에서는 충격시험으로 널리 사용되는 Charpy 충격시험과 Izod충격시험 원리와 방법 및 온도 변화에 따른 충격치의 변동등에 대해 설명하고자 한다. |
2. 용어해설 충격실험과 관련된 용어를 설명하면 아래와 같다. 2.1 충격실험(impact test) 노치부를 만든 규격화된 시험편에 해머로 1회의 충격을 주어 시험편을 파단하고,원하는 금속재료의 충격에 대한 특성치를 구하는 시험 2.2 흡수에너지(absorbed Engery) 시험편을 파단하는데 소요되는 에너지(kgf.m) {J} 로 표시한다. Izod 충격실험에서는 흡수에너지를 충격치로 나타낸다. 2.3 충격치(Impact value) 시험편을 판단하는데 소요되는 에너지를 노치부의 원단면적으로 나눈값으로 charpy 충격실험에서는 이 값을 충격치로
나타낸다.(kgf·m/㎠){J/㎠} 2.4 취성파면율 시험편 파단면의 전 면적에 대한 취성 파면 면적의 백분율 취성파면이란 많은 결정입자가 벽개파괴 또는 입계파괴하여
빛이 나는 파단면을 말한다. 2.5 연성 파면율 시험편 파단면의 전 면적에 대한 연성파면 면적의 백분율, 연성파면이란, 섬유모양으로 전단파괴하여 둔하게 빛이나지
않는 파면을 말한다. 2.6 천이온도 시험편을 여러온도로 시험하였을 때, 흡수에너지가 급격히 저하(또는 상승)하거나 파면의 겉모양이 연성에서 취성으로
변화하는 들의 현상에 대응하는 온도 2.7. 천이곡선 시험온도에 따른 흡수에너지나 파면을 등과의 관계를 표시하는 곡선 |
3. 시험원리 충격시험에는 하중을 가하는 방법에 따라 인장 압축, 비틀림, 굽힘등의 시험방법이 있으나 충격굽힘시험이 취급이 간단하여 널리 사용되고 있다. 충격굽힘시험으로서 널리 사용되는 Charpy충격실험 Izod충격실험이 있다. 두 방법은 시험편의 지지방법 및 충격위치는
다르나 그 원리는 그림7.1과 같다 충격 방법을 그림 7.1에 보는바와 같이 해머를 어느 각도 a만큼 올려서 낙하시켜 최하점에서 시험편을 충격적으로 때리고 해머는 시험편을 파단하고 반대쪽으로 올라간다. 그림 7.1 충격시험기의 원리
초기 해머 높이 h1에서의 위치에너지를 최하점에서 시험편의 파단시 일부에너지가 소모되고 남은 에너지는 최종 해머 높이 h2의 위치에너지로 바뀐다. 즉 시험편의 파단에 소요되는 에너지는 아래 식과 같이 파단 전후에 해머가 갖는 위치 에너지의 차로 나타낼 수 있다. E=WR(cosβ-cosα) 여기에서 W : 해머의 무게(kgf) {N} R : 해머의 회전축 중심에서 무게 중심까지의 거리(m) α: 해머의 들어올림 각도 β : 시험편 파단 후에 해머가 올라간 각도 이 흡수 에너지를 충격치라 하며 Izod 시험에서는 kg·f·m의 단위로 나타내고 Charoy시험에서는 이것을 시험편의 원단면적으로 나눈 kg·f·m/㎠의 단위로 표시한다. |
4. 샤르피 충격시험방법(Charpy Impact test) 4.1 관련규격 KS B 0809 (금속재료 충격시험편) : JIS Z 2202 KS B 0801 (금속재료 충격시험방법) :JIS Z 2242,2246 KS B 5522(샤르피 충격시험기) : JIS Z 7722 KS B 5523(아이죠드 충격시험기) :JIS Z 7723 ASTM E 23(Methods for notched Bar Impact Testing of Metallic Materials) 4.2 시험편 정적하중에 대해서는 연성 파괴를 보이는 재료도 충격적인 하중에 대하여는 가끔 취성파괴를 보이는 일이 있다. 이와 같은 현상은 재료의 일부에 노치(notch)가 있을 때에 국부적인 3차원 응력집중에 의해서 일어난다. 이것을 노치취성(notch brittleness)라고 하고, 노치(notch)의 존재에 의하여 영향을 받는 재료의 성질을 노치감성(notch sensitivity)이라 한다 이와 같이 노치를 붙인 시험편을 써서 충격시험을 함으로써 notch감성의 정도를 알 수 있다. 충격시험시 사용되는 노치의 형상은 U-노치,v-노치 등이 있으나 샤르피 충격시험에서는 일반적으로 V형 노치를 갖는 충격시험편을 많이 사용하며 표준형의 형상 및 칫수는 그림 7.2와 같다. 그림 7.2 Charpy 충격 시험편
규격의 시험편 채취가 곤란한 경우가 소형 시험편으로도 시험할 수 있으며 표준폭은 7.5,5 및 2.5㎜로 하고 이들의 호칭칫수에 대한 허용차는 ±0.5㎜로 한다. ASTM에서는 6.7, 3.3㎜의 것도 규정되어 있다. 충격시험은 경도시험이나 기타 재료 시험보다 재현성이 떨어지기 때문에 정확한 충격값을 얻으려면 먼저 시험편을 규격에 따라 정확하게 가공하여야 한다. 특히 노치부의 반경, 깊이 등의 칫수가 부정확하거나 tool mark등은 충격값에 큰 영향을 주게된다. 따라서 시험편 가공후 노치부의 가공정밀도를 공구 현미경등을 통해 시험전 검사하는 것이 바람직하다. 4.3 시험기의 구조 Charpy 충격시험은 시험편을 40㎜간격의 지지대위에 올려놓고 시험편 뒷면을 해머로 충격을 가하여 시험편이 파괴될
때 흡수하는 에너지를 구하는 시험으로서 이에 사용되는 시험기는 그림 7.3과 같이 프레임, 시험편 지지대, 해머, 충격날
및 흡수에너지에 대한 지시장치로 구성된다. 그림 7.3 Charpy 충격시험기의 구조
시험기는 금속시편의 경우 30kgf·m 또는 50kgf·㎜정도의 것도 있다. 충격속도는 5∼16m/sec가 표준으로 되어 있다. 시험편의 지지대 간격 곡율변경 및 시험기 자체의 정밀도등이 시험결과에 많은 영향을 주므로 시험기는 다음과 같은 조건을 갖추어야 하며 정기교정을 실시하여야 한다. 시험기중 프레임은 충분한 강성을 갖는 것으로 기초대에 견고하게 고정할 수 있는 구조이어야 하고 그림 7.4의 구조를 갖는 시편지지대의 각부분 및 주요부위에 대한 치수허용차는 표7.1이내 관리되어져야 한다. 그림 7.4 시험편지지대
표 7.1 각 부분의 허용차
흡수에너지를 측정할 때 해머, 지침 및 각호 검출기의공기저항 및 마찰 저항으로 생기는 에너지 손실은 시험기용량의
0.5%를 초과해서는 안된다. 또한 시험기의 종합오차는 충격 기준편(미국 MTL 공급)의 흡수에너지의 측정값으로 평가한다. 이때 각 에너지 단계별 기준치에 대한 평균치의 허용오차는 ±0.15kgf·m또는 기준치의 +10%,-5%의 어느 것이든
큰 값이내 이어야 한다. 4.4 시험방법 시험편을 노치부와 시험편 지지대사이의 중앙에 일치시키도록 위치를 고정한다. 이때 시험편의 노치부 대칭 평면과시험편 지지대 사이의 엇갈림의 0.4㎜ 이내로 하고 가능한한 엇갈림이 없도록 하여야 한다. 상온에서 시험을 하는 경우에는
특별한 지정이 없는 한 일반적으로 10∼30℃의 범위로 하고 또 시험온도를 기록하며 시험온도가 시험결과에 영향을 미칠 우려가 있는 재료에 대해서는 원칙적으로 20±2℃이낼 유지된 공기조안에서 최소 20분간 일정하게 유지후 꺼내어 5초이내에 시험하여야 한다. 저온 또는 시험에 있어서 시험편의 냉각 또는 가열방법은 표 7.2와 같은 것을 사용하는 것이
좋다. 표 7. 2 저온 또는 고온 시험의 온도유지 매체
충격시험치의 결정에 사용되는 시험회수는 재료규격에 따르나 특별한 지정이 없는 경우에는 원칙적으로 동일시험온도에서 3회의시험을 실시한다. 다만 시험치의 차이가 적을 경우는 시험횟수는 2회의 시험으로도 가능하다. 4.5 시험결과의 해석 1)충격치 지시장치가 각도로 표시된 시험기에서는 앞서 설명한 식 E=WR (cosβ-cosα)에 의거 파단하는데 필요한 에너지를 구한다. 또한 지시장치가 에너지로 환산된 시험기에서는 눈금을 그대로 읽는다. 이 에너지를 시험편의 노치부의 원단면적으로 나누어 Charry 충격치를 구한다. 2) 취성파면율(b%), 연성파면율(S%) 시험편 파면을 관찰(그림 7.5)하여 다음 식에 의거 취성파면율, 연성파면율을 산출한다. B(%) = (C /A) ×100 A: 파면의 전 면적, C: 취성파면의 면적 S(%) = (F/A) × 100 F: 연성파면의 면적 그림 7.5 충격 시험편의 파면 구분
3)횡팽창 횡팽창이란 시험편 파단후 노치부 반대쪽 나비칫수의 원치수에 대한 증가량으로 두 개로 파단한 시험편을 그림 7.6과 같이 일치시켜 늘어난 치수(a)를 측정하고 양측면의 칫수(b)를 뺏어 횡팽창을 구한다. 그림 7.6 횡팽창 계산을 위한 치수측정부위
4)천이곡선 연성파면율 100% 및 위성파면율이 100%에 해당되는 온도사이에서 적당한 시험 온도를 선정하여 시험후 가로축은 온도,
세로축은 흡수에너지, 연성(취성)파면율 또는 횡팽창으로 잡고 천이곡선을 그린다. 5)파면 천이온도, 에너지 천이온도 상기 방법에 의해 얻어진 천이곡석에서 그림 7.7과 같이 일반적으로 연성(취성)파면율이 50%가 되는 온도 즉, 파면천이온도를 구하고 에너지 천이온도는 연성파면율이 100%로 되는 온도에서의 흡수에너지의 1/2값에 해당되는 온도 즉 에너지 천이온도를 구한다. 그림 7.7 천이 곡선
보통 쓰이고 있는 가재는 실온부근에서 연성천이온도가 있으므로 실온부근의 약간의 온도변화에 의해서 충격치가 현저하게 변한다. 따라서 재료는 가능한한 연성 천이온도를 낮추는 것이 바람직하다. 일반적으로 결정입도가 클수록 Mn, Ni
합금 원소를 넣으면 연성 천이온도를 낮춘다. |
5. 아이죠드 충격시험(Izod Impact Test) 시험원리는 Charpy 충격시험과 유사하나, 그림 7.8과 같이 시험편의 한쪽 끝을 시험편 지지대에 수직방향으로 고정시키고 노치가 있는 면의 위쪽 22㎜되는 위치는 해머로 충격하여 파단시켜 휴누에너지를 구하는 시험이다. Izod 시험방법은
영국에서 많이 사용되는 반면 Charpy충격 시험은 미국,독일 , 프랑스 등에서 많이 사용된다. 그림 7.8 Izod 충격 시험방법 시험편의 형상 및 시험지지방법을 제외하고는 시험기의 구조,시험방법,시험결과 해석은 Charpy 충격시험과 같다. Izod시험에서는 흡수에너지를 Izod충격치로 표시한다. Izod 표준 시편의 치수를 그림 7.9에 나타내었다. 그림 7.9 Izod 표준 충격시험편의 치수
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