충격 시험과 인성 — 샤르피·아이조드, 저온 취성과 천이 온도 | 기계공작법 2.4
기계공작법Chapter 02 기계 재료의 성질과 시험 › Section 04
2.4 충격 시험과 인성
천천히 당길 때는 잘 늘어나던 재료가 갑자기 때리면 깨진다. 그 차이를 재는 시험과, 온도가 만드는 경계를 본다.
영상 목차 · 원하는 부분부터 보기 (약 9분)
01빨리 때리면 왜 깨지는가교재 26p
- 인장 시험 — 하중을 천천히 거는 시험. 그러나 실제 부품은 갑자기 부딪히거나 떨어지는 하중을 받는 일이 많음.
- 이때는 천천히 당길 때 잘 늘어나던 재료가 뜻밖에 깨짐. 하중이 걸리는 속도가 빠를수록 재료가 소성 변형할 시간이 없어 취성 파괴가 일어나기 쉽기 때문.
- 충격 시험 — 홈이 파인 시험편을 한 번에 때려 부러뜨리며 그때 흡수된 에너지를 재는 시험.
흡수 에너지와 충격값은 다른 값
- 흡수 에너지 E — 단위 J
- 충격값 — 흡수 에너지를 노치 아래 단면적으로 나눈 값. 단위 J/cm²
- 둘은 차원이 다르므로 구별해 씀. 클수록 인성이 큼.
02샤르피 충격 시험의 원리교재 26p~27p
E = W (h₁ − h₂)
W 는 해머의 무게[N], h 는 높이[m]. 들어 올린 높이와 올라간 높이의 차가 흡수 에너지임. 장치의 마찰 손실은 무시한 값.
- 무게 W인 해머를 높이 h₁까지 들어 올렸다가 놓아, 진자가 최저점을 지나면서 시험편을 때리게 함.
- 시험편이 부러진 뒤 해머는 반대쪽으로 h₂까지 올라감.
- 시험편을 양 끝으로 받쳐 단순보 상태로 놓고, 홈이 해머가 때리는 면의 반대쪽을 향하게 함.
03샤르피와 아이조드를 가르는 핵심교재 27p
| 구분 | 샤르피 | 아이조드 |
|---|---|---|
| 시험편 물림 | 양 끝을 받침 — 단순보 | 한쪽 끝을 물림 — 외팔보 |
| 홈의 방향 | 해머가 때리는 면의 반대쪽 | 해머 쪽 |
| 때리는 곳 | 홈의 반대면 | 홈 위쪽 |
| 주로 쓰는 곳 | 금속 재료 규격 | 플라스틱에서도 함께 씀 |
- 홈이 있는 쪽에 인장 응력이 걸리게 하려고 샤르피는 홈을 때리는 면의 반대쪽에 둠.
- 같은 재료라도 두 시험의 값을 그대로 견줄 수 없음. 지지 방식이 달라 응력 상태가 다르기 때문.
04천이 온도와 저온 취성교재 27p
- 온도를 바꾸어 가며 충격 시험을 하면, 어떤 온도 구간을 지나면서 흡수 에너지가 급격히 떨어짐. 이 구간의 온도가 천이 온도.
- 저온 취성 — 천이 온도보다 낮은 온도에서 갑자기 취성을 띠는 현상.
- 파면도 함께 바뀜 — 높은 온도에서는 우툴두툴한 연성 파면, 낮은 온도에서는 반짝이는 결정 모양의 취성 파면.
저온 취성을 가르는 결정 격자
- 체심 입방 격자 — 뚜렷하게 나타남. 탄소강, 페라이트계 스테인리스강.
- 면심 입방 격자 — 천이 온도가 거의 나타나지 않아 매우 낮은 온도에서도 인성을 잃지 않음. 오스테나이트계 스테인리스강, 알루미늄, 구리.
- 액화 천연가스 탱크나 극저온 배관에 오스테나이트계 스테인리스강과 알루미늄 합금을 쓰는 까닭이 여기에 있음.
- 천이 온도를 움직이는 것
- 탄소량과 인의 양이 많을수록 높아짐
- 결정립이 미세할수록 낮아짐
- 니켈을 넣으면 크게 낮아짐 — 저온용 강에 니켈을 넣는 까닭
05노치 효과와 응력 집중교재 28p
- 왜 일부러 홈을 파는가 — 실제 부품에서 단면이 갑자기 변하는 곳을 흉내 내기 위함.
- 응력 집중 — 홈이나 구멍처럼 단면이 급히 변하는 곳에 응력이 몰리는 현상. 그로 인해 재료가 쉽게 깨지는 것이 노치 효과.
- 홈 끝이 뾰족할수록 응력 집중 계수가 커짐. 그래서 설계에서는 단면이 바뀌는 곳에 되도록 큰 둥근 모서리를 줌.
- 노치가 되는 자리 — 나사의 골, 키 홈의 구석, 축의 단이 지는 곳.
이 절의 핵심 정리
- 하중 속도가 빠를수록 취성 파괴가 쉽다 — 소성 변형할 시간이 없기 때문
- 흡수 에너지(J)와 충격값(J/cm²)은 차원이 다른 값
- 샤르피는 단순보 · 홈은 반대쪽, 아이조드는 외팔보 · 홈은 해머 쪽
- 저온 취성은 체심 입방 격자에서 뚜렷하고 면심 입방 격자에서는 거의 없다
- 홈을 파는 것은 실제 부품의 응력 집중을 흉내 내기 위해서다
강의 자료2.4 충격 시험과 인성
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