실험 개요
샤르피 충격시험은 동적 하중 하에서 재료의 인성을 평가하는 표준 시험이다. 진자해머가 V-노치 시편을 타격해 파단시키고, 시편이 흡수한 에너지를 진자의 위치 차이로 측정한다. 학부에서는 온도를 변화시키며 연성–취성 천이 온도(DBTT)를 결정한다.
이론 배경
흡수에너지
E = mg(h₁ − h₂). h₁: 초기 높이, h₂: 시편 파단 후 진자 도달 높이. 단위 J.
노치 효과
노치는 응력 집중을 만들어 균열 개시 위치를 고정. 동일 재료라도 노치 모양에 따라 흡수에너지가 다르므로 V-노치 표준 사용.
연성–취성 천이
BCC 금속(연강)은 저온에서 취성으로 변해 흡수에너지가 급감. FCC 금속(알루미늄, 오스테나이트강)은 천이가 약함. 천이 온도를 알아야 저온 응용에 안전.
실험 장치 및 시약
- — 샤르피 충격시험기
- — 표준 V-노치 시편(10×10×55 mm)
- — 항온수조(저온 시험용 dry ice + 알코올)
- — 온도계
실험 절차
- 1.시편 치수와 노치 깊이를 측정.
- 2.시편을 시험기 anvil에 정확히 안착.
- 3.진자를 초기 높이로 들어 올린 뒤 release.
- 4.파단 후 진자 도달 위치에서 E를 직접 읽거나 h₂로부터 계산.
- 5.온도를 −80, −40, 0, 25, 100°C로 변화시키며 반복.
데이터 처리
E vs T 곡선을 그려 천이 영역(통상 흡수에너지 27 J 기준 또는 lateral expansion)으로 DBTT 결정. 파단면 관찰로 연성·취성 영역 비율 추정.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
노치 응력 집중 인자 Kt의 의미를 한 줄 적고 표준 V-노치를 쓰는 이유 설명.
안전
진자 release 시 인접 영역 출입 금지. 시편 비산 방지.
자주 하는 실수
- — 시편 노치가 anvil의 잘못된 면을 향하게 안착하는 것
- — 저온 시편을 시험기로 옮기는 동안 온도가 올라가는 것 (5초 안에 시험)
- — 흡수에너지의 마찰 보정을 빼먹는 것
자주 묻는 질문
Q. 왜 BCC는 천이가 있고 FCC는 거의 없나요?
BCC 금속은 슬립계가 적고 저온에서 전위 운동의 활성화에너지가 커져 소성 변형이 어려워집니다. FCC는 12개의 슬립계가 있어 저온에서도 변형 경로가 유지되므로 인성이 잘 보존됩니다.
Q. 타이타닉은 왜 침몰했나요? (DBTT와 관련)
당시 강재는 DBTT가 약 4°C였는데 빙하수 온도가 −2°C로 그 아래였습니다. 충돌 시 강재가 취성 파괴되어 균열이 빠르게 전파했습니다. 현대 선박은 DBTT가 매우 낮은 강재를 사용합니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Callister, W.D., Rethwisch, D.G. — Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley, 2018
- [2]ASTM E23-18 — Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials