금속재료의 기계적 특성 시험 3 (충격시험)

안녕하세요, 오늘은 충격시험에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

충격시험은 재료가 순간적으로 받는 외부 충격에 얼마나 잘 견디는지를 평가하는 시험입니다. 일반적으로 인장강도 시험은 시험편을 일정한 속도로 당겨서 재료의 강도를 측정하는 반면, 충격시험은 순간적으로 큰 힘을 가해 재료의 충격 저항성을 확인합니다.

충격시험에는 대표적으로 샤르피 충격시험과 아이조드 충격시험이 있습니다. 두 시험 모두 재료의 충격 저항성을 측정하지만, 시험 방식과 시편의 고정 방법에 차이가 있습니다. 그중에서도 샤르피 충격시험은 가장 널리 사용되는 방식으로, 오늘은 이 시험에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

충격시험의 목적

 

   1. 취성 및 연성 판별 : 충격을 받았을 때 재료가 변형되는 정도를 확인하여 금속의 연성 또는 취성을 평가할 수 있습니다.

 

왼쪽으로 갈수록 취성 오른쪽으로 갈수록 연성

 

파단면 분석을 통해 재료의 연성과 취성을 확인할 수 있습니다. 연성 파괴는 파단면에 변형이 많이 일어난 것으로 구분되며, 이는 재료가 외부 충격에 견디며 변형을 거친 후 파괴된다는 의미입니다.

또한, 소모된 충격 에너지를 통해 재료의 성질을 평가할 수 있습니다. 충격시험 결과 에너지 값이 높게 나온 시편은 충격을 더 많이 흡수했으므로 연성이 더 높다고 할 수 있습니다. 반면, 에너지 값이 낮은 시편은 충격을 충분히 흡수하지 못해 쉽게 파괴되며, 취성이 더 크다는 것을 의미합니다.

 

   2. 연성-취성 천이온도 : 고온 또는 저온 환경에서 금속의 연성, 취성 파괴 특성 변화를 알 수 있습니다.

 

BCC 저강도강의 연성-취성 전이온도

 

FCC와 HCP 구조를 가진 저강도 금속이나 고강도 금속 재료는 온도 변화에 크게 영향을 받지 않아, 취성이나 연성의 특성을 일정하게 유지합니다. 그러나 BCC 구조를 가진 일부 금속, 특히 강(steel)은 저온에서 충격 에너지가 급격히 감소하며 연성에서 취성으로 전이되는 현상이 발생합니다.

 

시험방법

 

샤르피 충격 시험기

 

 

낙하높이 : h0 = R (1-cosα)

상승높이 : h1 = R (1-cosβ)

 

파괴되는데 소모된 흡수에너지 E(kgf·m or J)

E = W h0  - W h1

                      = WR [(1-cosα) – (1-cosβ)]

             = WR (cos β - cos α)

 

위 식은 공기 저항과 베어링의 마찰 등 외부적인 마찰 손실을 고려하지 않은 상태에서의 에너지를 나타냅니다. 여기서 W는 추의 무게입니다. 또한, 충격치 U = E(흡수에너지)/A(단면적)으로 나타낼 수 있습니다.

 

 

그림과 같이 횡팽창이라고 하는 횡방향 변형 정도를 계산할 수 있습니다. 횡팽창은 다음과 같은 식으로 계산됩니다.

 

횡팽창 = a - b (mm)

 

여기서 a는 충격 전 시편의 초기 폭이며 b는 충격 후 시편의 변형된 폭입니다. a와 b의 차이가 클수록 재료의 변형이 많이 일어났음을 나타냅니다.

 

시험편

 

충격 시험 시 대부분의 규격에서 10×10×55mm 크기의 시편이 표준으로 사용됩니다. 그러나 Sub Size 시편으로 10×7.5×55mm, 10×5×55mm 등의 크기도 사용될 수 있습니다. 시험편에 노치를 주는 이유는 충격이 가해질 때 응력이 집중되는 지점을 형성하여, 재료가 더 쉽게 파괴되도록 유도하는 것입니다. 노치가 없으면 파괴가 불규칙하게 일어날 수 있기 때문에, 파괴 시작점을 인위적으로 만들어 재료의 파괴 메커니즘을 더 명확하게 평가할 수 있습니다.

 

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지금까지 충격시험에 대해 알아보았습니다. 기계류나 건축물 등의 파손은 대부분 정적 하중이 아닌, 반복되는 진동과 갑작스러운 충격에 의해 발생합니다. 따라서 재료가 사용 온도에서 인성을 유지하는지, 혹은 취성을 띠는지를 확인하고, 천이온도를 조사하는 것은 매우 중요합니다.

결론적으로, 충격 시험은 금속 재료의 성능을 평가하고, 안전한 제품 설계를 위해 반드시 필요한 절차입니다.