충격시험(Impact test) 이란?
충격시험은 재료가 충격에 대해 저항하는 성질인 인성을 알아보는 시험입니다. 충격시험은 물체에 고속 부하를 가했을 때 저항을 측정하는 시험으로, 재료의 연성 또는 인성을 판정하기 위한 것입니다.
충격시험에는 샤르피 충격 시험, 아이조트 충격 시험, 인장 충격 시험, 낙구식 낙구 충격 시험, 듀폰 충격 시험, 다트 임팩트 시험 등이 있습니다.
샤르피 충격 시험은 10mm 정도 두께의 판으로 재료를 만들고 가운데에 작은 홈(노치)을 파는 방법입니다. 샤르피 충격 시험은 고속 변형률 속도에서 재료의 특성을 규정하는 데 사용하는 파괴 시험법입니다.
충격시험에서는 시험편에 충격적인 하중을 부하하여 파단 시킬 때 시험편이 흡수한 에너지의 양을 측정합니다.
충격시험의 종류
- 충격 인장 시험
- 충격 압축 시험
- 충격 굽힘 시험
- 충격 비틀림 시험
- 샤르피(Charpy) 충격 시험법
- 아이조드(Izod) 충격 시험법
샤르피 충격 시험법과 아이조드 충격 시험법은 시편 고정 방법, 인가하중 방향, 균열 전파 방향이 다릅니다. 이 차이는 노치의 방향에 따라 달라집니다.
충격 시험은 하중이 작용하는 방식에 따라 분류할 수 있습니다. 충격 횟수에 따라 분류할 수도 있습니다.
충격시험의 특징
충격 시험은 재료의 연성(ductility) 또는 인성(toughness)을 판정하기 위한 단기 시험입니다.
- 재료나 부품의 파괴 거동 정보를 알 수 있습니다.
- 재료에 충격저항이 작용할 때 에너지법을 이용하여 충격저항을 측정합니다.
- 노치효과가 큽니다.
- 하중 속도에 영향을 받습니다.
- 펜듈럼 충격 시험기 또는 낙하 충격 시험기가 사용됩니다.
충격시험기
충격 시험기의 제조사에는 다음이 있습니다: 택산시스템, Instron, ZwickRoell.
충격시험 규격
- 추 무게: 1,360 kg (3,000 lb)
- 타격 높이: 0.23 m ~ 1.68 m (0.75 ~ 5.5 ft)
- 타격 방향: 단축(수직), 30도 경사
- 에너지 수준: 0.14줄(J)에서 50줄(J)까지
- 충격 시험기의 충격 날: 2mm, 8mm
충격시험의 순서
- 지시계에서 흡수 에너지의 크기를 읽고 data sheet에 기록한다.
- 파단된 시편을 찾아 notch의 종류와 깊이별로 잘 구별하여 둔다.
충격시험 시편
충격시험에 사용되는 시편의 크기는 다음과 같습니다.
- ISO 148-1 표준은 일반 시편의 치수를 규정합니다.
- 시험할 재료에서 일반 시편을 만들 수 없다면, 시편의 두께가 7.5mm, 5.0mm, 2.5mm여도 됩니다.
- 시편크기, ASTM D256 (아이조드), KS M ISO 179-1 (샤르피) KS M ISO 180(아이조드), A (mm), 63.5±2, 80±2, B (mm), 12.7±0.2, 10±0.2.
충격시험 노치(notch)
샤르피 충격 시험은 재료가 충격 하중에 얼마나 저항하는지, 또는 재료가 파손 없이 충격을 얼마나 잘 다룰 수 있는지 정보를 제공합니다. 노치 충격 강도는 J/cm²로 표시합니다.
샤르피 충격 시험의 시편에는 응력을 집중시키기 위한 「노치」라고 불리는 가장자리를 따낸 부분이 있으며 노치에는 「V 노치」와 「U 노치」가 있습니다.
충격시험 공식
샤르피 충격 시험의 충격치는 시험편을 절단하는 데 필요한 에너지를 노치부의 원단면적으로 나눈 값으로 표시됩니다. 충격 흡수에너지를 시편 홈 부분의 단면적으로 나누면 충격치[J/mm2]값이 나옵니다.
충격 에너지는 펜듈럼 해머의 위치 에너지와 시편이 부서진 후 펜듈럼 해머의 낙하 각도의 차이로 측정합니다.
- E=WR(cosβ-cosα)
- a=E/b
- 노치 충격 강도 = 충격 에너지 / (시편 두께 * 시편)
충격시험 단위
1. 샤르피 충격 시험
샤르피 충격 시험은 플라스틱 충격 시험에서 많이 사용되며, 단위는 J/m입니다. 샤르피 시험에서는 시편의 좌우 끝을 고정하고 중앙에 타격을 줍니다. 샤르피 시험에서 측정되는 충격 에너지(W)는 줄(j) 단위로 측정됩니다.
2. 아이조드 충격 시험
아이조드 충격 시험은 시험편을 수직으로 세운 후 시험편의 하단을 고정하고 해머로 시험편의 중앙부를 타격하는 시험입니다. 아이조드 충격 시험과 샤르피 충격 시험의 충격강도의 단위는 모두 kJ/m^2으로 동일합니다.
따라서, 충격 시험의 단위는 J/m 또는 kJ/m^2입니다.
마무리
충격시험은 재료의 내충격성 및 튼튼함을 평가하는 데에 있어 필수적인 실험 방법입니다.
열처리, 재료의 조성, 형상 등 다양한 요인이 재료의 충격 흡수 능력에 영향을 미칠 수 있기 때문에 실제 적용 환경을 고려한 적절한 충격시험 방법 선정이 매우 중요합니다.
다양한 충격시험 방법을 통해 전체적인 재료의 성능을 예측하고, 특정 사용 환경에 맞는 재료를 선택하는 데 있어 중요한 근거 자료를 제공합니다.