공구강의 샤르피 충격 시험

한 단락으로 요약한 시험

샤르피 시험에서는 노치가 있는 시편을 양단에서 지지하고, 노치 반대쪽에서 시편 중앙을 타격하는 추의 단일 타격으로 파단시킵니다. 시편은 노치에서 파단되고 두 조각은 튕겨 나가며, 추는 앵빌의 두 부분 사이를 통과합니다. 낙하 높이와 상승 높이의 차이가 시편의 변형 및 파단에 흡수된 에너지를 나타내며, 시험기는 마찰 및 공기 저항 손실을 보정하여 이 에너지를 직접 판독하도록 교정됩니다. 이것이 3점 하중 방식입니다. 아이조드 시험은 동일한 종류의 추와 유사한 노치 시편을 사용하지만, 시편을 캔틸레버로 고정하고 노치 위쪽을 타격하며, 두 시험은 동일한 수치를 반환하지 않습니다.

샤르피 V-노치 시험은 업계에서 가장 많이 사용되고 가장 널리 규정되는 충격 시험입니다. 그 한계는 잘 알려져 있으며 실재합니다. 노치가 무디고, 시편이 작으며, 단일 에너지 수치가 균열의 개시와 전파를 혼합합니다. 그럼에도 살아남는 이유는 저렴하고 간단하며 강재를 취성으로 만드는 요소에 극도로 민감하고, 수십 년간의 사용 성능과의 상관관계가 실물 크기 부품의 거동을 예측하지 못하더라도 사용 가능한 합격 시험으로 자리 잡았기 때문입니다.

시편과 노치가 결과를 결정한다

표준 샤르피 시편에는 세 가지가 있습니다. V-노치, U-노치, 키홀입니다. V-노치 시편이 주 시편이며 공구강에 사용되는 시편입니다. 나머지 두 가지는 일부 산업, 그중에서도 주강 산업에서 사용되지만, 키홀과 U-노치는 노치가 무디기 때문에 부적절한 천이 온도를 제공하는 것으로 1945년부터 인식되었으며, 이들이 생성하는 구속과 삼축 응력 상태는 V-노치 시편보다 상당히 낮습니다. 키홀 시편에서 측정된 천이 온도는 V-노치 천이 온도가 아닙니다.

시편의 가공 공차는 형식적인 사항이 아닙니다. 시편은 정사각형이어야 하며, 반대쪽 면을 평행하게 연삭한다고 해서 정사각형이 되는 것은 아닙니다. 노치는 전체 시편에서 가장 중요한 부분입니다. 노치의 형상과 크기는 표준에 정확히 맞아야 하고, 표면 조도는 매끄러워야 하지만 연마되어서는 안 되며, 입체 현미경이나 광학 비교기를 사용하여 일정 배율로 관찰하고 V-노치 템플릿을 겹쳐 확인하는 것이 좋습니다. V-노치는 전용 브로칭 머신이나 플라이 커터가 장착된 밀링 머신에서 절삭합니다. 키홀 구멍은 열과 가공 경화가 발생하지 않도록 저속으로 드릴링하고, 그런 다음 커터가 구멍 뒤쪽에 닿지 않도록 슬롯을 절삭합니다. 이 모든 것보다 우선하는 규칙이 하나 있습니다. 모든 노치 가공은 열처리 후에 수행해야 합니다. 경화 전에 절삭한 노치는 시험이 가정하는 형상을 갖지 못하기 때문입니다.

방향은 두 번째 변수이며, 단조 또는 압연 봉재에서는 사람들이 흔히 간과하는 부분입니다. 별도의 언급이 없으면 시편은 판재의 압연 방향 또는 부품의 성형 방향을 따라 배향되고, 노치는 그 표면에 수직으로 위치하며, 이 배향이 최대 충격 값을 제공합니다. 노치가 섬유 방향을 따라 놓이도록 시편을 절단하거나 섬유 방향을 가로질러 절단하면 결과가 상당히 달라집니다. 단조 또는 압연 봉재로 공급되는 공구강의 경우, 샤르피 시편을 채취한 방향은 수치 옆에 시험 성적서에 기재되어야 합니다.

서브사이즈 시편은 직접 비례하지 않는다

서브사이즈 시편은 실물 크기 시편을 만들 재료가 충분하지 않거나 부품 형상상 시편을 절취할 수 없는 경우를 위해 존재합니다. 오직 그런 이유로만 사용해야 합니다. 실물 크기와 서브사이즈 결과 간의 상관관계는 존재하지만 직접적이지 않으며, 이것이 표준에서 각 크기별로 별도의 합격 값을 규정하는 이유입니다.

시편 크기별 최소 충격 값. 실물 크기 시편을 가능한 한 사용해야 하며, 축소 크기는 실물 크기 시편을 만들 재료가 충분하지 않은 경우에 적용됩니다.

시험 온도도 결과의 일부다

온도가 없는 샤르피 에너지 수치는 결과가 아닙니다. 별도의 규정이 없으면 시험은 21~32 °C (70~90 °F)에서 수행되지만, 대부분의 샤르피 시험은 그보다 낮은 온도에서 수행됩니다. 강재의 흥미로운 거동은 연성-취성 천이 영역에 있기 때문이며, 대부분의 강재에서 이는 상온과 -46 °C (-50 °F) 사이에서 발생합니다. 극저온 서비스용으로는 -196 °C (-320 °F)까지, 연구 작업용으로는 그보다 더 낮은 온도에서도 시험이 수행됩니다.

온도 제어는 절차를 가장 쉽게 잘못 적용하는 부분입니다. 약 -59 °C (-75 °F)까지는 일반적으로 드라이아이스를 첨가한 에틸알코올을 사용하며, 이는 약 -68 °C (-90 °F)에서 응고됩니다. 시편은 단열 용기 안의 스크린 그리드 위에 놓되 바닥에서 최소 25 mm 이상 띄워 냉각 액체가 시편 아래로 순환하도록 하고, 액체로 최소 25 mm 이상 덮으며, 교정된 온도계나 열전대로 시편 그룹 중앙 근처의 온도를 측정하고 온도가 균일하도록 수조를 교반합니다. 시편을 옮기는 집게도 같은 수조에 넣어 두어야 하며, 그렇지 않으면 시험기로 가는 동안 시편이 따뜻해집니다. 시편은 시험 온도의 +0 및 -1.5 °C (+0 및 -3 °F) 이내에서 최소 5분간 유지한 후, 한 번에 하나씩 꺼내어 5초 이내에 파단시킵니다. -59 °C 이하에서는 응고되지 않는 액체가 필요하며, 이소헥산이나 액체 질소 등이 사용됩니다. 고온 시험에는 교반되는 고인화점 오일을 사용하며, 수조와 시편을 노 안에서 최소 10분간 온도 유지합니다.

결과를 온도에 대해 도시하면, 천이는 고에너지 상부 선반에서 저에너지 하부 선반으로의 하강으로 나타납니다. 천이가 급격한 경우 천이 온도는 곡선에서 쉽게 읽을 수 있습니다. 천이가 완만한 경우, 이는 일반적인 경우인데, 대신 에너지 수준을 규정하고 그 이하에서는 재료를 취성으로 간주합니다. 20 J (15 ft · lbf) 값이 그 수준으로 자주 사용됩니다.

샤르피 값 읽기

충격 결과는 세 가지 방식으로 보고되며, 표준은 서로 다른 질문에 답하기 때문에 동일 시편에 대해 하나 이상의 방식을 허용합니다. 에너지는 가장 자주 규정되는 수치입니다. 전단 파면율과 측면 팽창은 시험 후 파단된 두 조각에서 측정하며, 에너지가 얼마나 소요되었는지보다 시편이 어떻게 파단되었는지를 나타냅니다. 따라서 다른 시편과 다른 하중 속도를 사용하는 인성 시험과 샤르피 결과를 상관시켜야 할 때 사용되는 측정치입니다.

샤르피 시험 결과가 보고되는 세 가지 방식과, 강재에 가장 자주 규정되는 최소값. 기사 본문에서 발췌.

Three specimens are tested at each temperature and the average is the result. Where a minimum is specified for acceptance, not more than one of the three may fall below it, and if one specimen sits about 6 J (5 ft · lbf) below the average, the material is rejected or retested, in which case three further specimens have to be tested and all of them have to meet the minimum. The two thresholds worth carrying in your head when a toughness figure is being argued over are that Charpy energies of about 14 J (10 ft · lbf) and below are likely to initiate a fracture, and that around 27 J (20 ft · lbf) is where a brittle fracture, once started, is likely to propagate. Values well above that are needed to arrest a running crack.

이 시험이 하지 않는 일은 설계용 수치를 산출하는 것이다. 샤르피 에너지는 비교 척도이며, 이를 파괴인성 K로 변환하는 경험적 상관관계는_아이크제한된 강종 범위와 제한된 데이터 범위 내에서만 유효하다. 또한 무딘 노치와 높은 하중 속도를 느리게 하중이 가해지는 예리한 균열과 비교되는 결과에 혼합한다. 이들은 지침으로 유용하며 일부 설계 코드의 기초가 되지만, 샤르피 값은 파괴인성으로 제시되어서는 안 된다.

공구강 주문에 있어 이것이 의미하는 바

공구강 등급에 대해 공표된 인성 수치는 명시된 방향, 명시된 열처리 상태, 명시된 온도에서 풀사이즈 V-노치 시편으로 측정된다. 이 중 하나라도 변경하면 수치가 달라지므로, 샤르피 결과는 동일한 방식으로 측정된 다른 결과와만 비교할 수 있다. 공구강에서 가장 흔한 불일치는 최적 템퍼링 온도에 대해 인용된 수치를 다른 곳에서 템퍼링된 공구와 비교하는 경우와, 풀사이즈 바에서 측정된 수치를 절단할 수 없었던 고객의 서브사이즈 결과와 비교하는 경우이다. 인성을 사용하여 두 등급 중 하나를 선택할 때는 동일한 시편 크기, 동일한 방향, 동일한 템퍼링 조건에서 비교해야 한다. 최적 템퍼링 온도에서 일반 등급에 대해 공표된 충격 에너지는 당사의 차트에 수집되어 있으며, 공구강 충격 인성인성 부족이 사용 중에 나타나는 방식은 다음에서 다룬다. 공구의 충격 마모 및 스폴링.

출처: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. 기사 Impact Toughness Testing (PDF p1352-1392). 서브사이즈 최소값은 해당 기사의 Table 1이다.