본문내용
1. 충격시험
1.1. 시험목적
시험목적은 시험편에 충격적인 하중을 가함으로써 재료의 충격에 대한 저항을 시험하여 충격에 영향을 주는 요소와 재료의 특성을 파악하는 것이다. 즉, 재료의 인성과 취성의 정도를 판정하는 것을 목적으로 한다.
1.2. 시험이론
1.2.1. 파괴
파괴(Fracture)는 용융점보다 낮은 온도에서 물체가 나누어지는 현상을 말한다. 크게 연성파괴(Ductile fracture)와 취성파괴(Brittle fracture)로 구분된다.
연성파괴는 소성변형이 상당히 진행된 후 파괴가 일어나며, 파괴 시 에너지 흡수량이 크고 균열이 천천히 진행된다. 이는 주로 금속 재료에서 나타난다.
반면에 취성파괴는 소성변형이 거의 없이 바로 파괴가 일어나며, 파괴 시 에너지 흡수량이 작고 균열이 매우 빠르게 전파된다. 이는 주로 세라믹 재료에서 나타난다.
고분자 재료에서는 연성파괴와 취성파괴가 모두 나타날 수 있다.
1.2.2. 연성파괴와 취성파괴
연성파괴와 취성파괴는 물체가 파괴되는 양상이 다른 것을 의미한다. 연성재료에서 일어나는 연성파괴는 소성변형이 상당히 일어난 후에 파괴가 발생하며, 취성재료에서 일어나는 취성파괴는 소성변형이 거의 일어나지 않은 상태에서 파괴가 발생한다.
연성재료는 변형이 진행된 후에 파괴가 일어나므로 파괴 시 흡수하는 에너지가 크고 균열이 천천히 진행된다. 이에 반해 취성재료는 소성변형 없이 파괴가 일어나므로 에너지 흡수량이 작고 균열이 매우 빠르게 전파되는 특징이 있다.
일반적으로 금속재료는 주로 연성파괴를, 세라믹재료는 주로 취성파괴를 나타내며, 고분자재료는 연성파괴와 취성파괴가 모두 나타난다. 이처럼 재료의 파괴 양상은 재료 고유의 특성에 따라 달라지므로, 재료를 선택할 때는 이러한 연성 및 취성 특성을 고려해야 한다.
1.2.3. 충격시험
충격시험은 시험편에 충격적인 하중을 가함으로써 재료의 충격에 대한 저항을 시험하여 충격에 영향을 주는 요소와 재료의 특성을 파악하는 것이다. 즉, 인성과 취성의 정도를 판정하는 것이 충격시험의 목적이다.
재료는 정하중에 대한 강도가 같더라도 충격하중을 주어 파괴시킬 때 큰 저항(인성, 점성이 강한 성질)을 나타내는 것과 매우 작은 저항(취성)을 나타내는 것이 있다. 일반적으로 인장강도가 높고 연성이 충분하여 정하중에 의한 인장시험에서 파괴시까지 큰 소성변형을 나타내는 재료는 충격파괴에 대해 큰 충격에너지를 잘 흡수하므로 충격저항이 크다. 반면 연성이 없는 재료는 가령 인장강도가 높더라도 충격에너지의 흡수능력이 작기 때문에 충격저항이 작아 취성을 나타낸다.
충격시험은 시험편에 가해지는 하중의 종류에 따라 충격인장시험, 충격압축시험, 충격굽힘시험, 충격비틀림시험 등이 있다. 공업적으로 널리 사용되는 시험법은 노치를 가진 시험편에 충격굽힘하중을 가하는 충격굽힘시험이다. 이 중 샤르피 충격시험과 아이조드 충격시험이 중요하다.
샤르피 충격시험은 진자식의 해머에 의해 1회 충격으로 시험편을 파괴하는 시험이다. 해머가 시험 전에 높이 올려져 있을 때의 각도(인상각)와 시험 후에 해머가 높여져 있는 각도(상승각)을 측정하여 시험편을 파괴하는데 필요한 에너지(충격흡수에너지)를 산출한다. 충격치는 이 충격흡수에너지를 시험편 노치부의 원단면적으로 나눈 값으로 표현된다.
아이조드 충격시험도 노치부 시험편을 진자형 해머로 타격하고 파단하는데 필요한 에너지를 측정하여 재료의 인성과 취성을 평가한다. 샤르피 충격시험과 같은 방법이지만, 시험편을 한 쪽만 강하게 고정하고 지지한다는 점이 다르다.
충격시험에서는 시험편을 10^{-3} ~ 5 × 10^{-5}초 동안에 순간적으로 하중을 가하여 파단한다. 이 파단에 필요한 에너지(흡수에너지)의 크기로 재료의 강도, 취성을 판단한다. 충격시험은 시험온도를 변화시켜 저온 취성, 노치취성, 템퍼링취성 등의 성질을 알아볼 수 있다.
1.2.4. 충격굽힘시험기
1.2.4.1. 샤르피 충격시험기
샤르피 충격시험기는 진자식의 해머에 의해 1회 충격으로 시험편을 파괴하는 능력과 강성을 가지고 있다. 해머가 시험 전에 높이 올려져 있을 때의 각도(인상각;引上角)와 시험 후에 해머가 높여져 있는 각도 (상승각; 上昇角)를 읽기 위한 지침과 눈금판, 시험편을 지지하는 장치 등으로 구성되어 있다.
이 시험기는 진자식의 해머에 의해 1회 충격으로 시험편을 파괴하는 데 충분한 에너지와 강성을 가지고 있다. 해머를 규정의 인상각도의 위치에서 낙하시켜 시험편을 파단하고 남은 에너지에 의해 반대측으로 올라간 각도를 측정하여 시험편을 파단하는데 필요한 에너지를 산출한다.
시험편의 파단에 요하는 에너지(E)는 해머가 잃어버린 위치에너지로서 시험 전 해머의 위치에너지 (E1)와 시험편 절단 후 해머가 올라간 때의 위치에너지 (E2)와의 차로서 표현된다.
실제로 시험편을 파단하는데 ...
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