금속재료 실험 - 샤르피 충격 시험

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금속재료 실험 - 샤르피 충격 시험에 대한 보고서 자료입니다.

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② 시험편을 설치할 수 있을 정도로 해머를 올린다.
③ 시험편의 Notch 부분이 해머 중심과 일치 되도록 놓는다.
④ 해머를 소절의 각도까지 올린다.
⑤ 안전한 상태에서 해머 레버를 당겨서 해머를 낙하시켜 시험편을 파괴한다.
⑥ 브레이크 레버를 사용하여 해머를 정지 시킨다.
⑦ 지시판에 지시된 각도를 읽는다.
⑧ 공식을 이용하여 충격값을 산출한다.
4-(5) 충격치 산출
파단에 요하는 에너지는 눈금판에 나타난 상승각 를 읽어서 충격 에너지를 구하고 다음의 식에 의하여 충격치()를 산출한다.
5. 실험결과
시험편
온도
흡수에너지 E (Kgm)
충격시험값 U (Kgm/cm2)
취성 파면율
B (%)
연성 파면율
S (%)
측정값
계산값
3호
상온
120°
58°
14.4
15.86
19.825
-
-
4호
105°
3.1
3.714
4.6425
첨부 참고
첨부 참고
5호
101°
4.4
4.761
9.522
-
-
■ 3호 시험편
흡수 에너지 (E) = W(h1-h2) = WR(cos-cos) = 20.130.765(cos58-cos120)15.86
충격 시험값 (U) = = = 19.825
■ 4호 시험편
흡수 에너지 (E) = W(h1-h2) = WR(cos-cos) = 20.130.765(cos105-cos120)3.714
충격 시험값 (U) = = = 4.6425
■ 5호 시험편
흡수 에너지 (E) = W(h1-h2) = WR(cos-cos) = 20.130.765(cos101-cos120)4.761
충격 시험값 (U) = = = 9.522
6. 실험고찰
이번 실험을 하면서 구조재와 같은 재료의 파괴는 충격하중에 의하여 발생하는 경우가 많기 때문에 이런 경우에는 다른 재료 시험법 보다 동적인 충격시험이 적당하다는 것을 알 수 있었다. 또 각 시험편의 크기는 같지만 노치부의 형상이나 깊이가 다르기 때문에 흡수에너지나 충격값을 비교해 노치의 형상과 깊이에 따른 재료에 미치는 영향을 알 수 있다.
우선 3호와 4호의 시험편의 경우 노치의 깊이는 같고 모양만 다른데 3호 즉, U자형의 노치가 흡수에너지나 충격값이 V자형 노치, 4호 시편 보다 그 값들이 4배 정도 큰 것을 알 수 있다. 이는 V자형 노치가 응력 집중이 심하게 일어나서 외부에서 갑자기 힘이 가해지면 재료의 파괴가 쉽게 일어남을 의미한다. 다르게 말해서 구조용 재료는 우리가 자주 지나다니는 터널의 경우처럼 한 군데 응력 집중이 일어나지 않게 설계하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
그리고 3호와 5호 시험편의 경우 U자형 노치부는 같지만 깊이가 다르기 때문에 깊이에 따른 흡수에너지와 충격값을 비교해 볼 수 있는데 이 역시 결과 값에서 보듯이 노치의 깊이가 작을수록 흡수에너지가 커짐을 알 수 있다.
종합해보면 단위 면적당 흡수에너지는 응력집중이 없을수록, 즉 U자형 노치일수록, 노치의 깊이가 작을수록 커지게 된다. 또 노치부의 반경이 커질수록 응력 집중이 덜하다고 할 수 있을 것이다. 이때 노치의 모양 보다는 깊이가 실험에 더 큰 영향을 미치며 재료의 흡수에너지가 증가 할수록 반대로 값은 작아진다.
시험편의 파단을 살펴보면 3호 시험편과 5호 시험편의 파면의 모양이 확연히 다른 것을 볼 수 있는데 이는 3호 시험편의 경우 연성파괴가 주를 이루고 5호 시험편의 경우 취성파괴가 주를 이룬다고 볼 수 있다. 그 이유는 3호 시험편의 파단면 사진을 보면 아랫부분으로 갈수록 사다리꼴이 됨을 알 수 있는데 이것이 재료가 어느정도 연신되고 파괴됨을 보여주며 또 억지 같지만 파단면이 인장중의 연성파괴에서 관찰되는 딤플모양이다.(흡수에너지가 연신율에 비례한다고 봐도 무방할 듯하다.) 5호 시험편의 경우 파단면이 어느정도 매끈하게(?) 된 것으로 보이는데 취성파괴 일수록 재료가 한번에 뚝 끊어지기 때문에 연성파괴에 비해 파단면이 형태가 변형이 적고 평활(?)하다 할 수 있겠다.
연성 파면율이나 취성 파면율은 파면의 면적을 모르기 때문에 구할 수 없었고 (∴면적을 측정해서 메일로 보내줄 것으로 생각) 비례식을 세워 사진으로나마 구하려고 하였으나 사진의 시험편 가로, 세로 비율이 제대로 맞지 않아 오차가 클 것 같아서 생략하기로 한다. 하지만 그 결과 값을 예상해 보자면 3호 시험편이 연성 파면율이 가장 클 것이며 (사진으로 봐서는 파단면 대부분이 연성파면으로 보임) 5호 시험편이 취성 파면율이 가장 클 것(사진으로 봐서는 거의가 취성파면으로 보임)으로 생각된다. 그리고 5호 시험편의 노치의 깊이가 5mm인데 사진의 파면은 노치부에 까지 일어난 것이 이상하게 여겨진다. 사진을 보면 노치부가 5호 시험편이 아닌 것 같다. 그리고 흡수에너지의 계산값과 측정값이 차이가 나는 이유는 해머의 낙하시, 시험편에 충돌시 에너지의 손실에 따른 것으로 보인다. 결국 더 정확한 실험을 위해서는 손실분을 포함시켜 계산해야 된다.
마지막으로 이번 실험을 하면서 샤르피 충돌시험에 관한 전반적인 지식을 습득할 수 있어서 좋았지만 파단면의 연성과 취성 파면적을 구하는 법을 정확하게 알지 못한 것은 조금 아쉽다. 하지만 나름대로 머리에 남은 것도 많고 흡수에너지나 충격시험값 등을 구하는 법을 정확히 알고 샤르피 작동원리도 자세하게 설명해 주셔서 매우 유익한 시간이었다.
※ 참고문헌 및 사이트
재료기초 실습, 김학윤 외 1명 저, Page141~150, 2002년, 기전연구사
금속재료 실험, 김우열 저, Page79~82, 1991년, 부경대학교
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정확한 값은 아니겠지만 그래도 아쉬운대로 4호 시험편의 연성취성 파면율을 구해보면 다음과 같다.10mm
6.12mm
7.88mm
8.12mm
A = 7.88 × 10 = 78.8
C = 6.12 × 8.12 = 49.69
F = 78.8 - 49.69 = 29.11
취성 파면율 B(%) = C/A × 100 = 49.69/78.8 × 100 = 63.06
연성 파면율 S(%) = F/A × 100 = 29.11/78.8 × 100 = 36.94
3호 시험편은 전체 파단이 일어나지 않아서 파면율을 구할 수 없고 굳이 구한다면 100% 연성 같고 5호 시험편은 전체가 취성파면인 것으로 보인다.

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금속재료,   샤르피충격,   실험