충격실험 [자연과학]

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본문내용

단면의 각봉시험 조각이 쓰이는데 그 양끝을 고정시키고 홈의 뒤쪽으로부터 해머로 1회 타격하여 절단한다.
충격값은 시험조각을 절단하는 데 쓰인 에너지로 구할 수 있지만, 시험할 때의 양상이 극히 복잡하고 재료, 온도, 시험조각의 형태나 치수 등의 영향을 크게 받으므로 재료 고유의 값이라고는 할 수 없다. 그러나 기계재료의 충격력에 대한 저항은 저온이거나 내려침으로 인하여 재료가 취약해지는 성질을 아는 데 특히 중요하다. 또 샤르피시험기에 충격력 검출장치 등을 부착하여 더 많은 정보를 얻음으로써 기계설계자료로 하려는 시도도 실시되고 있다.
이 실험을 통하여 4개의 시편에서 각각 올림각 α와 내림각 β를 측정하여 소모된 에너지와 흡수에너지, 손실에너지, 그리고 충격치의 값을 계산할 수 있었다.
이를 통하여 각 시험편의 노치부 형상에 따른 에너지 소모의 변화를 구하여 재료의 Data 를 얻을수 있었다. 나아가 다른 재료의 시편 시험을 통하여 다양한 재료의 충격시험 Data를 얻을 수 있다.
정적인 인장시험에서는 만족한 강도를 나타내었다고 해도 충격적인 동하중에서도 꼭 강하다고는 할 수 없다. Ni-Cr강을 Tempering하여 생긴 취성은 그 좋은 예이다. 이 시험에서는 시험편을 ～초 동안에 순간적으로 하중을 가하여 파단한다. 이 파단에 필요한 에너지의 크기는 재료의 강도, 취성으로 판단한다.
충격시험에는 하중을 가하는 방법에 따라 굴곡, 인장, 압축 비틀림시험 등이 있지만 충격 굴곡시험이 널리 행해지고 있다.
또 온도, 특히 저온에서 재료의 강도가 문제인 경우에는 쉽게 상온과 다른 상태에서 시험 할 수 있는 이점이 있다.
시험 방법에는 Charpy식과 Izod식이 있다. 어느 방법도 시험결과인 충격치가 얻어지지만 시험편의 형상과 그 정의가 다르기 때문에 수적인 관련성은 없다. 충격치는 강도계산의 수치로서 사용되는 것은 아니고 재료를 사용할 때 특성의 비고에 사용된다.
여기에서는 Charpy 충격시험기로 시험할 경우에 대하여 설명하겠다.
Charpy충격 시험기
진자식의 Hammer에 의해 1회의 충격으로 시료편을 파괴하는 능력과 강성을 갖고 있다.
Hammer가 시험전에 높이 올려져 있을때의 각도와 시험후에 Hammer가 놓여있는 각도를 읽기 위한 지침과 눈금판, 시험편을 지지하는 장치등으로 되어있다.
시험편을 충격위치로 들어 올렸을 때의 위치에너지의 크기를 평량이라고 부르며, 평량은 30kgfm, 50kgfm의 것이 많다. 또 Hammer의 중량, Hammer의 회전축 중심선에서 주심까지의 거리 평량이 표시되어 있다.
Izod충격 시험기
Izod충격시험기의 원리는 Charpy충격시험기의 원리와 같으며 그 구조도 유사하다. 그러나 시험방법에 있어서 몇가지 다른점이 있다. 먼저 시편은 Charpy의 경우와 같이 10mm의 정사각형 단면을 가지고 있으나 노치는 U형이다. Izod시험에 있어서는 간이시편의 한쪽을 지지대에 고정시켜 노치부의 중앙을 지지대의 윗면에 일치하도록 시편을 설치하며 노치가 있는 면의 노치위쪽 22MM되는 위치를 해머로 타격1회로서 파괴시킨다. 그리고 Charpy 충격시험과는 달리 시편이 파괴할 때에 흡수한 에너지를 단면적으로 나누지 않고 그대로 충격치로 정한다. Izod의 경우는 시편의 한쪽, 즉 노치부 아래의 지지대 속에 고정시킨 부분은 충격시험 후에도 거의 손상을 받지 않는 특징이 있다. 따라서 이 부분을 이용하여 다시 충격시험을 할 수가 있다. 그러나 Izod의 시험방법은 시퓨의 길이가 길고 Charpy충격시험에 비하여 고온 및 저온에서 시험하기가 어려우므로 최근에는 잘 이용되지 않고 있다.
이론적 목적
일반적으로 금속재료가 어떤 온도에서 성질이 급변하는 온도를 천이온도라 한다. 그러므로 재료가 그 사용온도에서 인성을 가지는가 혹은 취성이 있는가를 조사하고 천이온도를 조사하는 것은 매우 중요한 일이다. 다시 말하면, 충격시험에 의한 인성에서 취성으로의 이행은 비교적 쉽게 규명 할 수 있다. 그 주목적은 여린파괴에 관한 현상을 규명하는데 있다.
충격시험의 목적은 충격력에 대한 재료의 충격에 대한 저항을 시험하여 실험에서 얻은 값을 이론 값들과 비교하여 충격에 영향을 주는 요소와 재료의 특성을 파악하는데 있다. 또한 이 실험을 통하여 금속재료의 충격에너지, 충격치 등을 알 수 있으며, 노치부와 깊이와 충격에너지와의 관계를 알수 있다.
2) 실험 이론
아래의 그림에서 해머의 지상각도를 α, 파단후의 진상각을 β, 해머의 중량을 W, 회전중심에서 추의 중심까지의 거리를 R이라고 하면 해머의 점 A의 위치 에너지 Wh1은 Wh1 = WR + WRCOS(180 - α) = WR(1 - COSα)kg - m이고, 또 시편을 파괴한 후의 점 B의 위치 에너지 Wh2
Wh2 = W(R - RCOSβ) = WR(1 - COSβ) 그러므로 시편에 흡수된 에너지 E는
E = W(h1-h2) = WR(COSβ - COSα) 마찰저항을 무시하였을 때 충격치는
로 나타내어진다.
노치부 초기단면적(0.8cm2)에서 시편에 흡수된 에너지 E를 제외한 값(kgm/cm2)을 샤르피 충격값이라고 표시하고 있다. 또한 E값을 샤르피 흡수 에너지라고 하는 경우도 있다.
시험기의 용량은 WR(1 - cosα)로 주어진다. 보통은 30kgm의 것을 사용하지만, 강인한 강에 대하여는 50kgm 또는 더욱 소량의 시험기가 사용된다.
이러한 시험기를 사용하여 얻은 시험결과의 표시할 때 사용한 기계의 용량을 명시해야 한다. 타격속도는 {2gR(1 - cosα)}1/2(g는 중력가속도)로 주어진다.
타격속도가 변화하면 파괴 메커니즘도 달라지고, 흡수에너지에서의 차이가 생긴
다. 표준형 시험기의 타격속도는 약 5m/sec이다.
2. 템퍼링 취성(temper brittleness)
정적인 시험에서는 만족한 강도를 나타내었다고 해도 충격적인 동하중에서도 꼭 강하다고 할 수 없다. Ni-Cr강을 템퍼링하여 생긴 템퍼링취성은 그 좋은 예이다. 이 시험에서 시험편을 10-3∼5×10-5c초 동안에 순간적으로 하중을 가하여 파단한다. Cr, Mn등의 탄화물을 형성하는 원소가 함유되는 합금강ㅇㅇ에서는

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