충격 시험과 인성 — 샤르피·아이조드, 저온 취성과 천이 온도 | 기계공작법 2.4
2.4 충격 시험과 인성
천천히 당길 때 잘 늘어나는 재료도 충격이나 저온에서는 다르게 반응합니다. 흡수 에너지, 시험편 지지 방식, 노치와 온도의 영향을 함께 살펴봅니다.
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01흡수 에너지와 충격값
충격 시험은 노치가 있는 시험편을 빠르게 파단시키며 흡수된 에너지를 측정합니다. 인장 시험의 인성과는 하중 속도와 시험편 조건이 다릅니다.
충격값 = 흡수 에너지 / 노치 아래 원래 단면적
W를 해머의 무게(N), 높이를 m로 넣으면 에너지는 J입니다. 질량 m을 쓸 때는 mg가 필요합니다. 이 식은 장치의 마찰 등 손실을 제외한 기본 원리입니다. 충격값을 J/cm²로 나타내면 흡수 에너지 J와 단위부터 달라집니다.
02샤르피와 아이조드 비교
| 구분 | 샤르피 | 아이조드 |
|---|---|---|
| 지지 | 양 끝을 받친 단순보 | 한쪽 끝을 고정한 외팔보 |
| 노치 방향 | 타격면의 반대쪽 | 해머 쪽 |
| 타격 | 노치의 반대 면을 타격 | 노치 위쪽을 타격 |
샤르피에서는 굽힘으로 당겨지는 쪽에 노치를 두어 노치 끝에 인장 응력이 집중되게 합니다. 지지 방식과 시험 조건이 다른 두 시험의 값을 그대로 비교해서는 안 됩니다.
03저온 취성과 천이 온도
일부 금속은 온도가 낮아지면 충격 흡수 에너지가 크게 줄어들며 취성 파괴를 보입니다. 에너지가 급변하는 구간을 통해 연성–취성 천이를 살핍니다.
강의에서는 탄소강과 페라이트계 스테인리스강처럼 체심 입방 격자를 가진 재료와, 오스테나이트계 스테인리스강·알루미늄·구리처럼 면심 입방 격자를 가진 재료를 비교합니다. 후자는 일반적으로 뚜렷한 연성–취성 천이가 나타나지 않습니다.
흡수 에너지와 파면의 연성·취성 비율을 함께 확인하며, 천이 온도는 시험 조건과 판정 기준을 붙여 해석해야 합니다.
04노치는 왜 위험한가
나사산의 골, 키 홈, 단이 있는 축처럼 단면이 급하게 변하는 자리에는 응력이 집중됩니다. 노치 끝이 날카로우면 균열이 시작되기 쉬워지고, 둥근 모서리를 주면 응력 집중을 줄일 수 있습니다.
충격 시험의 노치는 실제 부품의 이런 불리한 조건을 시험편에 재현합니다. 단순히 재료 이름만 비교하지 말고 형상·온도·하중 속도를 함께 판단하는 것이 핵심입니다.
이 절의 핵심 정리
- 흡수 에너지와 충격값은 단면적으로 나누었는지에 따라 구분됩니다.
- 샤르피는 단순보, 아이조드는 외팔보이며 노치 방향도 다릅니다.
- 저온 취성은 결정 구조와 조직·시험 조건에 영향을 받습니다.
- 노치 끝의 응력 집중과 충격 하중이 겹치면 파괴 조건이 불리해집니다.
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