샤르피 충격 시험의 적용 및 계산 예

자동차나 건설 같은 산업에서는 재료의 인성을 측정하는 데 도움이 되는 강력한 시험이 필요합니다. 재료가 휘어지는 능력뿐만 아니라 충격 시 파괴되지 않고 에너지를 흡수하는 능력도 중요합니다. 이러한 이유로 샤르피 시험은 오늘날에도 여전히 널리 사용되고 있습니다. 하지만 여기서 강조해야 할 것은 샤르피 충격 시험의 적용입니다.

왜 그럴까요? 이 시험은 진동하는 진자를 사용하여 재료의 인성을 측정합니다. 공식은 매우 간단하지만 정확한 결과를 얻으려면 적절한 설정과 보정이 필요합니다. Qualitest 이 기사를 통해 더 자세한 내용을 알아보세요.

샤르피 충격 시험이란 무엇인가?

샤르피 시험은 자동차, 주요 구조물, 또는 금속을 사용하는 모든 산업 분야에서 여전히 시행되고 있는 가장 일반적인 충격 시험 중 하나입니다. 샤르피 충격 시험의 적용은 매우 간단하지만 신뢰성이 높습니다. 이는 1905년 조르주 샤르피에 의해 개발된 이래로 이 시험이 여전히 중요한 의미를 갖는 근본적인 이유입니다.

이 시험의 목적은 소재가 단순히 압력을 견뎌내는 것뿐만 아니라 충격을 받았을 때에도 충분히 강한지 확인하는 것입니다. 예를 들어 자동차 산업에서 이 시험은 예비 부품과 차량의 시험 및 출시 전 안전 수준을 판단하는 중요한 기준 중 하나가 됩니다.

마찬가지로, 교량 구조물에 대해 이야기할 때 샤르피 충격 시험은 구조물이 충분히 강하고 신뢰할 수 있는지 여부를 판단하는 데 도움이 되므로 엔지니어는 구조물이 일상적인 사용을 견딜 수 있는 능력을 예측할 수 있습니다.

샤르피 충격 시험이 중요한 이유

샤르피 충격 시험은 구조물의 충돌 안전성과 구조적 인성을 평가함으로써 그 가치를 입증합니다. 이는 엔지니어에게 재료가 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지 평가하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다.

이것이 중요한 이유는 다음과 같습니다.

• 충돌 에너지 흡수
  자동차 설계에서 샤르피 시험은 충돌 시 재료가 에너지를 얼마나 잘 관리할 수 있는지 측정하는 데 도움이 되며, 이는 구조적 무결성과 승객의 안전에 모두 중요합니다.
   
• 혹독한 환경에서의 재료 선택
  스테인리스 스틸 304와 알루미늄 합금 6061-T6 및 7075-T6과 같은 재료는 극한 온도 및 응력과 같은 실제 조건을 견딜 수 있는지 확인하기 위해 샤르피 시험을 사용하여 테스트하는 경우가 많습니다.
   
• 항공우주 등급 강도 테스트
  항공우주 분야에 사용되는 고성능 합금은 강도와 ​​무게의 균형을 필요로 합니다. 샤르피 시험은 7075-T6와 같은 소재가 두 가지 모두를 충족할 수 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다.
   
• 구조 부품의 인성 검증
  철도 선로부터 교량까지, 재료가 응력 하에서 갑자기 파손되지 않도록 하는 것은 필수적입니다. 샤르피 시험을 통해 해당 재료가 작업에 적합한지 확인할 수 있습니다.
   
• 더 깊은 통찰력을 위한 계측 데이터
  스트레인 게이지와 디지털 센서를 사용하는 계측 샤르피 시험은 상세한 기계적 반응을 포착합니다. 이를 통해 엔지니어는 재료가 충격 시 어떻게 변형되고 파괴되는지 더욱 명확하게 파악할 수 있습니다.

샤르피 충격 시험의 주요 응용 분야

영상

샤르피 충격 시험 적용 방식을 이해하면 새로운 합금이 충격을 견딜 수 있는지 확인하는 데 도움이 되며, 정보에 기반한 의사 결정에 중요한 데이터를 제공합니다. 샤르피 충격 시험은 일반적으로 다음과 같이 적용됩니다.

1. 표본 준비

표준 시편은 127mm x 12.7mm 크기로 가공되며, V-노치(깊이 2.54mm, 각도 45°)가 있습니다. 이는 시험 중 파단을 촉진하는 응력 집중을 생성하기 위한 것으로, 이는 타당한 이유가 있습니다.

2. 시편 장착

노치가 있는 시편은 기계의 지지대(앤빌) 사이에 수평으로 위치합니다. 한편, 노치는 실제 장력 상황을 시뮬레이션하기 위해 진자 반대 방향으로 위치합니다.

3. 진자 릴리스

교정된 진자를 일정 높이에서 떨어뜨립니다. 진자는 아래로 휘둘러져 시편 중앙을 때리며 갑작스러운 충격을 시뮬레이션합니다.

4. 에너지 측정

출처: 공학 및 기술 과학 저널

충격 후, 기계는 시편이 파단될 때 흡수되는 에너지를 자동으로 기록합니다. 충격 전후 진자의 높이 차이를 이용하여 에너지 보존 공식을 사용하여 흡수 에너지를 계산합니다.
 

E = m×g×(h1​−h2​) − 마찰​

어디에:

• E = 흡수 에너지(줄)
• m = 진자 질량(kg)
• g = 9.81 m/s² (중력)
• h1​ = 시작 높이(m)
• h2​ = 반발 높이(m)
• 마찰 = 마찰로 인해 손실되는 에너지(줄)

샤르피 충격 시험기가 질량 20kg의 진자를 사용한다고 가정해 보겠습니다. 진자를 초기 높이(h₁) 1.4m까지 올리고, 시편에 충돌한 후 최종 높이(h₂) 0.9m까지 올립니다. 마찰로 인한 에너지 손실은 1.8줄(J)이라고 가정합니다.

이제 우리는 다음을 계산할 수 있습니다.

• 충격 전의 위치 에너지:

20 × 9.81 × 1.4 = 274.68 줄

• 충격 후의 위치 에너지:

20 × 9.81 × 0.9 = 176.58 줄

• 이제 충격과 마찰 손실 후의 에너지를 초기 에너지에서 빼십시오.

E = 274.68 – 176.58 – 1.8 = 96.3 줄

따라서 시편은 충격 동안 96.3줄의 에너지를 흡수했습니다. 이 흡수 에너지는 재료의 인성을 반영합니다.

숫자가 높을수록 재료가 파괴되기 전에 흡수할 수 있는 에너지가 더 많습니다. 즉, 충격이나 충돌 조건이 관련된 용도에 더 적합합니다.

5. 선택 단계: 온도 조절 테스트

더욱 진보된 시험을 위해, 샤르피 충격 시험은 온도 조절 환경에서도 수행될 수 있습니다. 특히 추운 기후나 고온 환경에서 재료의 인성을 평가하는 경우, 이 추가 단계는 일반적으로 샤르피 충격 시험의 주요 단계에 이어 수행됩니다.

샤르피 충격 시험과 기타 재료 시험 비교

이제 샤르피 충격 시험의 적용에 대해 알아보았습니다. 다음으로 이해해야 할 것은 샤르피 시험을 다른 재료 시험과 어떻게 비교하는지입니다.

샤르피 충격 시험은 파괴 시험으로 간주되며, 이는 충격 후 재료 샘플이 영구적으로 손상됨을 의미합니다. 이는 재료가 파괴되기 전에 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지 평가하기 위해 의도적으로 재료를 파괴 지점까지 밀어 넣기 때문에 발생합니다.

반면, 샤르피 충격 시험과 밀접한 관련이 있는 아이조드 충격 시험이 있습니다. 두 시험 모두 재료의 인성을 측정하는 것을 목표로 하지만, 시험 설정, 시료 방향, 그리고 적용 방식이 다릅니다. 샤르피 충격 시험은 자동차나 철도와 같은 산업에서 금속에 일반적으로 사용되는 반면, 아이조드 충격 시험은 플라스틱이나 경량 복합재 시험에 더 많이 사용됩니다.

두 가지를 나란히 비교해 보겠습니다.

미국 기업이 규정 준수 및 품질을 위해 샤르피 충격 시험을 사용하는 방법

미국에서는 샤르피 충격 시험을 통해 산업계가 엄격한 안전 및 성능 기준을 충족하도록 유도하고 있습니다. 이 시험은 재료 선정을 지원할 뿐만 아니라 프로젝트 성공률을 높이는 데에도 도움이 됩니다.

다양한 미국 산업이 샤르피 테스트를 적용하는 방식은 다음과 같습니다.

1. 자동차의

미국 자동차 제조업체, 특히 범퍼, 섀시, 사이드 패널과 같은 충돌 시험을 거치는 부품을 제작하는 제조업체는 샤르피 시험을 통해 재료가 갑작스러운 힘을 견딜 수 있는지 확인합니다. 이를 통해 차량이 미국 연방 자동차 안전 기준(FMVSS)을 통과하고 보험 업계의 안전 기준을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

2. 제조

전국의 일반 제조 시설에서는 샤르피 시험을 통해 용접 무결성, 접합부 성능 및 파이프 강도를 평가합니다. 이는 특히 석유, 가스 및 중장비 산업에서 흔히 시행됩니다. 이를 통해 산업 안전 및 신뢰성에 대한 ASME 및 ANSI 표준을 준수할 수 있습니다.

3. 공사

건설 분야에서 샤르피 시험은 엔지니어가 교량, 건물 및 사회 기반 시설에 사용되는 강철, 콘크리트 철근, 복합재의 내구성을 평가하는 데 도움이 됩니다. 미국 교통부(DOT)와 주 정부 기관은 종종 이러한 시험이 AASHTO 또는 ASTM 표준을 충족하도록 요구합니다.

4. 방어

군용 장비의 경우, 샤르피 시험은 장갑판, 차량 차폐재, 그리고 방탄재의 인성을 측정하는 데 필수적입니다. 미국 국방부와 그 공급업체들은 이 데이터를 활용하여 보호 시스템이 폭발이나 탄도 충격으로부터 충격을 흡수할 수 있는지 확인합니다.

최종 생각

현장에서는 샤르피 충격 시험을 실시하는 동안 종종 간과되는 여러 요인에 직면할 수 있습니다. 예를 들어, 부적절한 기계 보정이나 계산 결과의 잘못된 해석 등이 있습니다.

이 테스트가 필요한 대부분의 산업은 고위험 애플리케이션을 포함하고 있기 때문에 이러한 간과가 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. Qualitest 모델에 따라 전 세계적으로 표준화된 샤르피 충격 시험기를 제공합니다. 금속 테스트 그리고 플라스틱 다음과 같은 지원 도구에 노치 프로젝터.

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참조 :

1. Zainuddin, H. 외 (2024). 계측 샤르피 시험에서의 충격 특성 연구. 공학 및 기술 과학 저널.