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금속충격시험

1. 목적Charpy 충격시험의 목적은 충격치와 충격흡수에너지를 알아보고, 충격시 파단면을 관찰하기 위한 것이다. 또한 Charpy 충격시험으로 온도에 따른 충격흡수에너지를 알아봄으로써 취성-연성 천이온도를 구할 수 있지만, 이번에 하고자 하는 시험에서는 탄소강1040에 각각 다른 열처리를 하여 조직에 따른 충격치를 구하고 충격에 따른 취성과 연성의 파단모양을 SEM을 통해 비교 관찰한다.2. 시험 준비물탄소강1040 시편 3개, Charpy 충격 시험기, furnace, Thermo-couple, 수조(냉각수), 연마도구[줄, 사포(#200, #400, #600)], 전기로, 쇠톱, 실톱3. 시편준비 및 시험재3.1 시편준비) Annual Book of ASTM Standards, Section 3, Vol 03.01, E23, 1994, pp 1461) 시편을 과 같은 길이로 절단한다.2) 시편을 #600까지 두께와 넓이를 가공한다.3) 가공 열처리는 과 와 같이 실시한다.4) 준비된 시편을 줄로 V-notch를 만든다음 실톱으로 Crack을 준다.5) 시편주위를 Sand paper로 연마한후 정확한 치수를 측정한다.이때 Notch길이에 Crack길이를 더한 값을 N으로 한다. 시편 및 시험방법비교종류시편번호관찰조직치수(mm)가공열처리 및 시험방법길이(L)두께(D)너비(W)Crack(N)탄소강10401표준시편5310105.15미처리2Martensite53109.95.130'가열->910℃(30')->급냉3Pearlite5310105.0830'가열->910℃(30')->노냉* 본 시험편의 치수는 5호 시험편(L=55, D,W=10+-0.05, D-N=5+-0.05)의 규격을 기준으로 정한 것임.a)← L →↓← W →D↑↑ StrikingDirectionb)← L →↓↓← W →ND↑↑↑ StrikingDirection Charpy (Simple-Beam) Impact Test Specimens (a) 가공전 (b) 가공후(5호 시험편 기준)아래 그림은 탄소부터 시편의 파괴에 소비된 에너지를 구한다. 장치가 비교적 작아서 취급하기 쉬우며 시편파괴에 요하는 에너지를 구한다. 장치가 비교적 작아서 취급하기 쉬우며 시편파괴에 요하는 에너지도 간단히 구할 수 있는 점등 장점이 있기 때문에 널리 사용된다. 아지조드 시험법이 영국에서 많이 사용되는 반면 샤르피 충격 시험은 미국, 독일, 프랑스 등에서 많이 사용된다. 해머와 시편지지대를 에 나타내었다. 금속시험편의 경우에는 30kg.m 또는 50kg.m 용량의 기계가 사용되지만 합성수지재료의 충격시험용으로는 0.3kg.m정도의 것도 있다. 사용할 때편의 규격을 에 나타내었다. 충격속도는 5∼6m/초이다.시험편의 노치부의 뒷면을 해머로 때려 1회의 충격으로 시험편을 파괴한다.시험편을 설치할 때에는 시편의 노치부를 지지대의 중앙에 일정시키고 해머가 정확히 노치부 뒷면이 되도록 주의하여야 한다. 실온 이외 온도에서 실험할 경우에는 지정시험온도에rm +- 2℃의 허용차를 갖는 액조 속에서 적어도 10분간(또는 60분간) 유지시킨 후 끄집어내어 5초 이내에 충격을 주지 않으면 안된다.이번 시험은 15℃의 실험실 온도분위기에서 실시하였다. 샤르피충격시험의 원리도 샤르피충격시험기 시편지지대와해머 샤르피시험편3.3.2 샤르피 충격 시험기 조작방법1) 샤르피 충격 시험기에 하중 20.13kgf, 길이 0.76m의 해머를 장착한다.2) 공진 상승각을 측정한다.3) 해머를 직각이 되게 올려 나사로 고정한다.3) 시험편을 anvil 사이에 Notch부분이 중앙에 오도록 놓는다.4) 해머의 나사를 풀어 자유낙하시킨다.5) 시편 가격후 해머를 풋 브레이크로 정지시킨다.6) 상승각과 기계상의 충격흡수에너지의 눈금을 읽는다.7) 시편을 뺀다.주의사항Striking & Stop시 인체에 타격이 가해지지 않도록 주의한다.4. 이론적 배경) 오길환외 5인, "재료시험법", 기전연구소, 1996, pp 1614.1 샤르피 충격치에서 초기 해머의 지지각을 , 파단후의 상승각을 , 해머의 중량을 W(kg), 회 다른 부분보다 크게 되며, 이 현상을 노치 효과, 또는 응력집중이라고 하는 것은 이미 서술한 바와 같다. 또 구체적으로 실례를 들어서 설명하면 의 위의 것은 연의 노치부가 없는 것, 아래의 것은 노치부가 있는 것을 굽혀서 각부의 인장축의 신장을 측정한 것으로 노치부를 만들면 응력집중으로 변형은 그 부분에만 한하고 신장은 매우 크게 된다. 또 노치부의 둥글기가 작을수록 응력집중이 큰 것은 의 예에서도 명백히 알 수가 있다. 따라서 같은 노치부가 있더라도 그 둥글기가 작을수록 빨리 파단되고 흡수에너지도 작게 된다. 이 실례는 에서 보여준다. 이때 부기의 시험편을 사용하고 다른 치수는 같게 하고, 노치 저면의 지름 d만을 변화해서 시험한 것이다. 또 노치부의 모양을 샤르피식과 아이조드식으로 해서 동일충격시험을 하면 후자의 경우는 흡수 에너지가 작게 된다. 에 그 일례를 나타내고 있다. 표 중의 숫자는 흡수 에너지(kgm)이다. 이 표에서도 알 수 있는 바와 같이 재료가 질길수록 노치부의 형상의 영향은 적어진다. 그 이유는 인성이 클수록 변형량도 크므로 가공경화도 크고 응력집중에 의한 균열도 여린 재료보다 빨리 발생하지 않기 때문이다. 반대로 어떤 재료에서는 노치부의 둥글기의 크기의 영향은 크다. 이것은 실험에서도 확인되고 있다. 노치부의 치수와 비흡수에너지샤르피식 표준시험편d mm124610.25비흡수에너지kgm/cm211.517.719.623.129.8 재질과 흡수 에너지와의 관계시험편연철탄소강니켈니켈크롬강샤르피식 대형표준 시험편(길이=120mm)33.618.041.026.2아이조드식 노치만이 위와 다른 것9.14.932.617.9 납을 굽혔을 때의 신장율 시험편의 Notch형상과 응력의 관계4.2.2 노치부 깊이(depth of notch)시험편의 치수를 같이하고, 노치의 형상과 반지름 등을 동일하게 하며, 노치의 깊이만을 변경하였을 때 깊이가 클수록 충격치는 많이 감소된다. 은 0.3%C의 탄소강을 900℃에서 어닐링(annealing)한 것에 대하여 Iz 재료는 -50℃에서 취성이 생긴다.템퍼링 취성의 원인으로는 템퍼링 온도에서부터 서냉(slow cooling)으로 인하여 주로 탄화물(carbide)이 알파철( -Fe)의 결정경계에 석출되어 이것이 노치 효과(notch effect)를 주게 되어 충격치가 작아지는 원인이 된다.Ni-Cr 강은 템퍼링온도에서 급랭시키면 탄화물이 철 중에 고용된 상태로 되어 노치 효과의 원인이 생기지 않고 또한 기지가 솔바이트(Sorbite) 조직으로 되므로 충격치가 크다. 템퍼링 취성이 있는 특수강(alloy steel)에서rm Mo = 0.3%를 첨가하면 템퍼링온도에서 서냉하여도 충격치가 저하되지 않는다. Ni-Cr강철의 충격시험 결과종류열처리인장강도(kg/mm2)연율(%)단면수축률(%)브리넬경도충격에너지(fb-lb)A820℃에서 유중 담금질630℃에서냉각78.321.451.82318.9B820℃에서 유중 담금질630℃에서 급랭78.022.355.822957.0 Ni-Cr의 충격시험치와 취성4.2.5 충격속도일반적으로 사용되고 있는 시험기에서는 충격속도는 최고 10m/sec의 정도로 이 범위에서의 속도변화에서는 철합금에 대해서는 그다지 영향을 받지 않는 것으로 나타나 있다. 시험재료는 어닐링한 탄소강으로 30kgm의 샤르피식 시험기의 펜듈럼의 낙하높이를 변화시켜서 시험한 것이다. 충격속도가 아주 커지면 변형에 요하는 시간이 감소하기 때문에 변형량은 감소하고, 흡수에너지는 작게 되고, 극단의 경우에는 인성이 큰 재료나 여린 재료의 구별이 되지 않는다.4.2.6 상사법칙전술한 바와 같이 샤르피 충격시험치는 흡수에너지를 노치부의 유효단면적으로 나눈값, 즉 비흡수에너지를 나타내고 있지만, 이것은 상사의 법칙이 성립할 때만이 의의가 있는 것이다. 그러나 노치부가 있는 시험편의 충격치는 일반적으로 상사법칙이 성립되지 않으므로 이와 같은 표시법은 아무런 의의가 없다. 지금 상사의 시험편을 사용해서 비흡수에너지의 변화를 0.48%C의 탄소강에 대해서 실험한 결과를 에 나타내고 있다. 현재까지서 상을 형성시키는 것으로 약 10배 정도의 낮은 배율에서부터 150,000배 이상의 고배율까지 얻을 수 있다. 무엇보다 큰 장점은 초심도가 보통의 광학현미경에 비해 현저히 크기 떠문에 시편이 평탄치 않아 초점심도가 낮은 광학현미경에서는 고배율로 관찰할 수 없는 것도 주사전자현미경에서는 고배율에서 눈으로 보는 것과 같은 3차원의 영상을 얻을 수 있다는 것이다. 또한 보통의 주사전자현미경에는 E.P.M.A(Electron Probe Microanalyzer)가 부착되어 있어서 작은 부피의 화학성분분석을 빠르고 쉽게 할 수 있다. 이 E.P.M.A.는 주사전자현미경에서 가속된 전자가 시편의 표면을 때릴 때 방출되는 특성 X-ray를 분석하여 수 m직경 크기의 시편부위까지 화학원소의 정성분석 및 정량분석을 행할 수 있는 분석장비이다. 따라서 E.P.M.A.가 부착된 주사전자현미경을 이용하면 시편의 3차원적 표면형상과 화학성분 등에 과한한 종합정보를 얻을 수 있으므로 재료의 연구, 개발 및 파괴기구의 분석과 품질조절 등 광범위한 분야에 응용할 수 있다.5.2 SEM 관찰순서5.2.1 시편준비1) 관찰할 표면으로부터 약 10mm이내로 시편을 자른다. (이보다 시편이 크면 시편이 chamber내에 안들어 간다. 또한 시편이 들어가더라도 chamber 내에서 tilt가 되지 않는다.2) 시편을 stove에 양면 테이프를 이용하여 붙인다. (전자현미경은 전기가 통해야 하므로 stove와 시편 사이에 silver paste풀(전도성 수지 + 은가루)을 시편주위에 바른다.3) 부도체인 경우 ion sputter에 넣어 금코팅을 한다. (코팅을 실시함으로써 부도체에 전기가 통하도록 한다. 또한 도체, 부도체 모두 불순물을 제거하기 위해 ion sputter에 넣는다.)4) CLOSE-OPEN 스위치를 OPEN에 놓고, ON-OFF 스위치를 ON에 놓는다. HV 지시등에 불이 들어 올 때까지 chamber의 공기를 뺀다.5) 시간을 정한 다음 coating을 실시한다.6) ON-O 결과

공학/기술| 2000.09.29| 14페이지| 1,000원| 조회(1,107)

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