파괴 역학 (4) - 충격 시험법 - Izod,charpy / 연성-취성 전이 / dbtt

 

 

 

 

 

공학적인 설계시에, 파괴 인성 값인 \(K_{Ic}\)값을 적용하게 되지만 변수가 생기게 됩니다.

이러한 변수는 가혹한 조건일 때 생기게 되는데, 저온의 환경일떄, 높은 변형률 속도 일때, 혹은 3축 응력상태에 있어 변수를 측정해야만 합니다.

3축 응력상태에 있어서의 변수는 노치를 통해 측정 가능하게 됩니다.

충격 시험법을 통해 이러한 변수들을 측정하여 극복할 수 있는데, 충격시험법에는 두가지 종류가 있습니다.

첫번째는 샤르피(Charpy) 충격 시험법 두번쨰는 아이조드(Izod) 충격 시험법이 있습니다.

두 가지 충격 시험법의 차이는 시편 고정방법, 인가하중 방향과 균열 전파 방향이 다르다는 점에 있습니다.

이 차이는 노치의 방향에 따라 달라지게 됩니다.

그림으로 살펴보면,

이렇게, 추가 충격을 가할때 노치가 충격을 가하는 부분에 위치해 인가 하중의 방향과 균열 전파방향이 동일한

경우가 Izod시험법이고

추가 충격을 가할때 노치가 충격을 가하는 부분 반대에 위치해 인가 하중의 방향과 균열 전파방향이 역방향 일때 

Charpy 시험법이라고 합니다.

이때 

그림과 같이 추가 포물선을 그리며 시편을 파괴하고 지나가는데, 파괴한 뒤 높이 h'과 원래 높이 h와의 비를 통해

시편의 인성을 파악하는 것을 충격 시험법이라고 합니다.

이 시험의 경우 측정하는 값이 매우 시험적이기 때문에 설계시에는 정확한 수식의

\(K_{Ic} = \sigma_c√(πa)\)를 이용하지만, 위에서 말했듯 가혹환경에서의 변수를 측정하기 위해 충격 시험법을

사용하게 됩니다.

이 충격 시험법은 가혹환경중 하나인 온도에서의 특성 차이를 알아볼 수 있는데, 

연성의 금속이 저온에서는 취성의 특성을 띄는 경우가 발생하기 때문에 이를 알아보는 것은 굉장히 중요합니다.

이러한 온도에 따른 연성-취성의 전이를 연성-취성 전이라고 하며 ductile to brittle transition 이라고 합니다.

연성-취성 전이가 일어나는 온도를 연성-취성 전이온도라고 하며 줄여서 dbtt라고 합니다.

이를 그래프로 살펴보면

다음과 같이 볼 수 있는데, FCC혹은 HCP의 저강도 금속이나 고강도 재료는 온도에 민감하지 않고 

항상 취성 혹은 연성을 유지하게 되지만 BCC저강도 강의 일부는 온도에 따라 취성과 연성의 차이를 보이게 됩니다.

이러한 전이가 보이는 온도를 연성-취성 전이온도라고 합니다.

이러한 형태가 나타나는 이유는 결정학적으로 보았을떄 FCC의 경우 최조밀면과 최조밀 방향이 다 있고 BCC의 경우 최조밀 면이 없어 이러한 차이를 보이게 됩니다.

물론 극 고온의 영역에서는 세라믹 등 또한 연성으로 전이되는 현상을 볼 수 있게 됩니다.

 

이러한 강도와 연성을 조절하는 방법에는 탄소를 추가하는 방법이 있는데, 탄소를 넣으면 강도는 올라가지만 충격 인성은 하락하게 되는 효과를 얻을 수 있습니다.