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다양한 온도 조건에서 냉간 성형 및 열연 강판의 샤르피 충격 시험
 
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다양한 온도 조건에서 냉간 성형 및 열연 강판의 샤르피 충격 시험

Overview

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부

구조물에서 발생할 수 있는 더 교활한 유형의 고장 중 하나는 부서지기 쉬운 골절이며, 이는 주로 품질이 좋지 않거나 재료 선택이 좋지 않아 발생하기 때문입니다. 부서지기 쉬운 골절은 갑자기 많은 물질 비탄력성없이 발생하는 경향이 있습니다. 예를 들어 뼈 골절을 생각해 보십시오. 이러한 오류는 3차원 적재 조건, 로컬 스트레인 농도가 높고 설계자가 논리적이고 직접적인 힘 경로가 제공되지 않은 경우 재료가 전단 응력을 개발할 수 있는 능력이 거의 없는 상황에서 발생합니다. 이러한 유형의 고장의 예는 다층 강철 구조물에서 1994 년 노스 리지 지진의 여파로 관찰되었다. 이 건물에서는 연성 동작을 표시하지 않고 여러 키 용접이 골절됩니다. 용접은 냉각으로 인한 3차원 응력뿐만 아니라 재료 와 형상 모두에서 로컬 불연속성을 도입하는 경향이 있기 때문에 골절은 연결 근처 또는 기본 재료 조각 사이의 인터페이스에서 발생하는 경향이 있습니다.

매우 낮은 작동 온도(즉, 알래스카 파이프라인)를 볼 수 있는 구조물에 대한 재료를 지정할 때(즉, 알래스카 파이프라인) 많은 하중 사이클(고속도로의 교량) 또는 용접이 광범위하게 사용되는 경우 재료의 견고성 또는 골절에 대한 저항성을 특징으로 하는 간단한 테스트를 수행해야 합니다. 토목 공학 분야에서 테스트는 이 실험실에 설명된 Charpy V-notch 테스트입니다. Charpy V-notch 테스트는 충격 부하를 받을 때 에너지를 흡수하는 재료의 능력을 매우 단순하게 측정하기 위한 것입니다.

Principles

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금속 구조물에서, 하나는 임박한 실패의 표시 또는 예고가 있다는 것을 연성 행동을 얻기에 관심이 있습니다. 예를 들어, 강철 빔에서 과도한 변형의 형태로 올 수 있습니다. 이러한 성능은 응력-변형 곡선 아래 영역으로 정의된 물질 인성을 통해 정량화되며, 이는 연성 또는 부서지기 쉬운 동작과 가장 밀접하게 연관된 기계적 특성이다. 인성은 힘과 연성 모두에 관련이 있습니다. 인성은 고장 전에 플라스틱으로 변형되는 재료의 능력이지만, 연성은 고장 전에 재료가 플라스틱으로 변형 할 수있는 정도를 측정합니다. 강도가 높지만 연성이 낮은 소재는 강도가 낮고 연성이 높은 소재가 어렵지 않습니다. 재료가 단단하기 위해서는 높은 스트레스와 높은 변형률 (연성과 강도)을 흡수 할 수 있어야합니다.

예를 들어, 동일한 재료, 연화는 실제 물질 화학, 가공 및 적재 조건에 따라 연성 또는 부서지기 쉬운 방식으로 행동할 수 있습니다. 성능의 가능한 변화에 대 한 적어도 5 개의 주요 드라이버가 있다:

  1. 재료의 분자 및 미세 구조는 미세한 입자 크기로 인해 강도가 증가하고 연성의 감소, 탄소와 같은 다량의 합금의 존재는 종종 대부분의 강철의 연성의 감소를 초래합니다.

  2. 재료가 겪는 처리는 압연, 수직 및 플레이트의 관통 두께방향으로 강판의 다른 인성을 초래할 수 있습니다. 이 후자의 방향은 두꺼운 플레이트를 가로 질러 일관된 미세 구조를 개발하기 어렵기 때문에 특히 민감합니다.

  3. 종종 전단 응력의 개발을 억제하는 적재 조건(3차원으로 하중). 1차원 및 2차원 로딩에서는 일반적으로 큰 전단 응력을 야기하는 로딩 상황이 발생하므로 많은 항복 및 연성 동작이 발생합니다. 3D 정수 부하의 경우, Mohr의 원에 대한 반지름이 없으므로 전단이 없습니다. 이러한 경우 재료는 수율이 아니라 갑자기 실패합니다.

  4. 변형 률의 증가는 더 높은 강도로 이어집니다 그러나 변형 용량을 감소시킵니다.

  5. 온도의 감소는 상당한 것으로 이어질 수 있습니다, 인성이 감소. 온도가 현저히 감소하는 경우에 실온에서 아주 연성일지도 모르다 몇몇 물질은 아주 취성이 될 수 있습니다.

재료가 부서지기 쉬운 또는 연성 방식으로 작동하는지 여부를 결정하기 위해 일반적으로 Charpy V-notch 충격 테스트를 실행합니다. 유럽에서 가장 일반적으로 사용되는 인성 테스트인 Izod 충격 테스트와 같은 다른 유사한 테스트가 있습니다. 이러한 테스트는 급격한 충격 부하를 받을 때 소량의 물질이 흡수할 수 있는 에너지를 측정하고자 합니다. 앞서 언급했듯이, 이 에너지는 응력-변형 곡선 아래의 영역과 직접 관련이 있는 것으로 간주될 수 있다.

충격에 대한 저항을 테스트할 각 Charpy V-notch 시편은 표준화된 치수를 가지며 표준화된 방식으로 단일 타격을 받을 때 실패하도록 설계, 지원 및 로드됩니다. Charpy 측정은 시편의 부피 및 형상과 관련이 있으므로 결과는 재료의 상대적 거동을 비교하는 데 유용하며 절대 값은 아니라 는 것을 기억하는 것이 중요합니다.

시험을 수행하기 위해, 한쪽에 노치가 있는 작은 빔 형 시편(도 1)은 고정된 높이에서 떨어뜨린 고정 중량의 망치로부터 충격을 받는다(도 2). 무게는 일반적으로 사이 150 파운드와 300 파운드, 그리고 에너지의 다른 금액을 생산 하기 위해 다른 높이에 대 한 떨어질 수 있습니다. V-노치는 스트레스 농도를 유도하도록 설계되어 국부적 스트레스를 크게 증가시킨다. 빔이 양쪽에서 단순히 지원되고 가운데를 강타하면 노치가 있는 장력으로 빔이 구부러집니다. 결과적으로, 이것은 때 시편을 통해 균열 전파를 만들 것입니다.

Figure 1
그림 1: 샤피 표본.

Figure 2
그림 2: Charpy 테스트 기계.

이론적으로, 망치의 주어진 높이에 저장된 잠재적 인 에너지는 망치가 진자 마찰이 없다고 가정, 샤피 표본을 공격하기 직전에 완전히 운동 에너지로 변환됩니다. 망치가 시편을 공격하고 골절하면 이 운동 에너지의 일부가 소모됩니다. 그런 다음 진자가 반대 방향으로 얼마나 많이 스윙하는지 측정합니다. 초기 높이와 스트라이크 후 달성된 높이의 차이에서 잠재적 에너지의 차이를 계산할 수 있습니다. 이 과정에서 손실 된 모든 에너지는 골절에서 테스트 표본에 의해 흡수 될 것으로 가정 할 수있다. 이 값은 재료의 인성 또는 응력-변형 곡선 아래의 영역과 동일하게 간주됩니다.

많은 금속, 특히 신체 중심의 입방체(BCC) 강철은 약 40 또는 50°F에서 시작하여 온도에서 에너지 흡수가 매우 급격히 감소하고 - 100°F. 환경에 노출된 수많은 구조물이 이 온도 범위 내에 있으므로 금속 고장의 온도 의존성을 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 온도가 매우 낮은 값에 도달 할 수있는 알래스카 북부에 파이프 라인을 건설할 때 금속의 온도 의존적 고장을 이해하는 것이 중요합니다. 그러나 스테인레스 스틸과 같은 대부분의 얼굴 중심 입방 (FCC) 강철은이 온도 효과에 영향을 미치지 않습니다.

이상적인 골절 강도라고도 하는 이론적 골절 강도는 주로 자유 표면 에너지와 중원자 거리에 의존합니다. 이상적인 재료는 탄성의 계수의 약 1/8 ~ 1/10 강도를 가질 것이다. 실제 실험 적 골절 강도는 결함, 공극, 금속 포함 및 / 또는 불순물으로 인해 훨씬 낮습니다. 예를 들어 장력에 로드된 간단한 스틸 바에서 는 하중이 적용되는 끝 근처를 제외하고는 응력이 균일하다고 가정합니다. 그러나, 간단하고 원형 구멍이 도입되면서 힘이 구멍 주위를 흐르므로 구멍 옆에 응력 농도가 생성됩니다.

응력 농도의 크기는 시편(r/w)의 폭에 구멍의 반경에 비례한다. 반경이 감소하면 응력 농도 계수가 급격히 증가합니다. 그러나, 자연이나 인공 제품에 완벽한 구멍이 없습니다; 일반적으로, 미세한 수준에서 들쭉날쭉한 가장자리가 있을 것이고, 따라서 응력 농도는 훨씬 더 높게 생길 것이다. 금속 결정 격자에는 많은 결함과 결함이 있습니다. 균열이 형성되기 시작하는이 작은 스트레스 농도 근처에 있으며, 매우 빠르게로드 될 때, 이러한 균열은 전파, 결합, 궁극적으로 물질이 실패하게됩니다.

이 시험은 균열의 형성 과 전파에 저항하는 재료의 능력을 특성화 포함 골절 역학의 영역에 빠진다. 선형 탄성 골절 역학(LEFM)은 에너지 접근법으로, 시스템의 총 에너지는 적용된 하중과 저장된 스트레인 에너지, 새로운 골절 표면을 만드는 데 필요한 에너지로 인해 작업과 동일하다. 선형 적인 방식으로, 그것은 제한 된 가소성을 나타내는 취성 재료를 특성화에 매우 유용합니다. 균열 전파 앞에 가소성이 많이 있더라도, 가소성을 통해 에너지가 손실되지 않는다는 거짓 가정과 같은 Charpy 시험에 적용되는 LEFM에는 몇 가지 제한이 있습니다.

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Procedure

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이 실험에서는 온화한 강철의 충격 저항에 대한 온도 효과를 설명하기 위해 다른 온도에서 여러 Charpy 표본을 테스트할 것입니다.

  1. 테스트 기계를 준비하려면 먼저 해머의 경로가 장애물이 없는지 확인합니다. 경로가 명확해지면 해머가 래치될 때까지 해머를 들어 올리고 잠금 장치를 고정하여 해머의 우발적인 방출을 방지합니다.
  2. 시편을 준비하려면 콜드 박스를 사용하여 각 금속의 한 표본을 영하의 온도로 냉각시하십시오. 핫 플레이트를 사용하여 각 금속의 다른 시편을 200 ° F 이상의 온도로 가열하십시오.
  3. 망치가 들어오면, 집게를 사용하여 체질을 기계에 삽입하여 해머의 영향을 받는 노치가 옆으로 멀리 향하는 고정물에서 중심이 되도록 합니다.
  4. 시편이 준비되면 기기의 다이얼을 정확히 300피트 파운드로 설정합니다. 중요: 손잡이를 사용하여 다이얼을 돌립니다. 포인터를 누르지 마십시오!
  5. 테스트를 시작하려면 잠금을 제거하고 레버를 눌러 진자를 놓습니다.
  6. 표본이 파손된 후 다이얼 게이지는 시편에 흡수된 에너지를 판독합니다. 이 값을 기록합니다.
  7. 흡수된 에너지가 기록되면 기계 브레이크를 사용하여 진자 스윙을 막을 수 있습니다. 브레이크를 사용하면 게이지 판독값이 변경되므로 데이터를 사용하기 전에 데이터를 기록해야 합니다.
  8. 진자확인이 중단되면 표본을 검색하고 섬유질 질감이 있는 골절된 면 영역의 백분율을 결정합니다.

재료의 인성은 Charpy V-notch 테스트를 사용하여 측정 할 수 있으며, 이는 재료의 견고성 또는 골절에 대한 저항성을 특징짓는 간단한 테스트입니다.

부서지기 쉬운 고장은 경고없이 오는 가장 교활한 구조적 고장 중 하나입니다. 이를 방지하기 위해 매우 낮은 작동 온도, 반복되는 적재 주기 또는 광범위한 용접과 관련된 응용 분야는 우리에게 힘든 재료를 만들어야 합니다. 거친 재료는 부서지기 쉬운 방식으로 실패할 가능성이 훨씬 적습니다.

인성은 Charpy V-notch 테스트를 사용하여 측정할 수 있습니다. 테스트는 알려진 무게의 스윙 망치로 노치 표본을 타격, 충격 중에 시편에 의해 흡수 된 에너지를 계산하고 골절 표면을 관찰하는 것을 포함한다.

이 비디오는 Charpy V-notch 테스트를 수행하고 결과를 분석하는 방법을 설명합니다.

튼튼한 소재는 강하고 연성입니다. 실패하기 전에 덜 힘든 재료보다 더 많은 에너지를 흡수 할 수 있습니다. 재료의 화학 조성과 함께 재료 처리 및 하중 상황의 변화로 인해 재료의 인성에 변화가 발생할 수 있습니다.

Charpy V-notch 테스트는 재료가 서비스 중 부서지기 쉽거나 연성 방식으로 작동하는지 여부를 예측하는 데 사용됩니다. 각 테스트 시편은 지역화된 응력의 크게 증가하도록 설계된 V-노치로 표준화된 치수를 가지고 있습니다. 테스트 하는 동안, 시편은 적재 방향에서 멀리 직면 하는 노치와 테스트 기계에서 지원 됩니다. 알려진 무게와 높이의 망치가 휘둘러 표본을 강타합니다. 표본의 노치 쪽은 긴장을 경험한다. 이로 인해 시편의 두께를 통해 실패로 균열이 전파됩니다.

해머의 잠재적 인 에너지는 표본을 향해 스윙으로 운동 에너지가된다. 해머가 표본에 부딪히면 소량의 에너지가 흡수됩니다. 잠재적 인 에너지의 변화는 시편을 타격하기 전과 후에 망치의 높이를 알고 계산할 수 있습니다. 망치에 의해 손실 된 에너지는 시편에 의해 흡수 된 에너지와 동일합니다. 고장 중에 흡수되는 에너지는 재료의 인성을 나타냅니다. 이것은 높은 응력과 높은 변형을 모두 흡수 할 수있는 가장 힘든 재료와 스트레스 변형 곡선 아래 영역과 관련이 있습니다.

Charpy V-notch 충격 테스트 값은 특정 테스트 조건에 대해 정확하지만 재료의 상대적 동작을 예측하는 데도 사용할 수 있습니다.

다음 섹션에서는 Charpy V-notch 충격 테스트를 사용하여 고온 및 저온 모두에서 두 가지 종류의 강철의 인성을 측정합니다.

주의: 이 실험은 무거운 움직이는 부품과 극한의 온도를 포함합니다. 테스트 하는 동안 모든 안전 지침 및 절차를 따르십시오. 테스트 전날, Charpy 테스트를 위해 표준 치수로 가공된 원하는 재료의 표본을 가지고 있습니다.

이 데모에서는 ASTM A36및 C1018의 두 가지 유형의 강철을 테스트합니다. 시편을 준비하려면 콜드 박스를 사용하여 각 금속의 표본 을 영하 40도까지 식힙니다. 핫 플레이트를 사용하여 각 금속의 다른 표본을 섭씨 200도까지 가열합니다. 실온에서 세 번째 표본 세트를 보관하십시오.

이제 테스트 기계를 준비합니다. 먼저 망치의 경로가 장애물이 없는지 확인한 다음 해머가 래치될 때까지 들어 올립니다. 해머의 실수로 방출되는 것을 방지하기 위해 잠금을 보호합니다. 영역이 명확한지 확인한 다음 잠금 장치를 제거하고 레버를 눌러 진자해제합니다. 해머는 마찰이 거의 없는 자유롭게 스윙하여 다이얼에 표시된 대로 무시할 수 있는 에너지를 잃어야 합니다. 망치를 다시 고정할 수 있도록 진자들을 중지하려면 브레이크를 사용한 다음 집게를 사용하여 모루의 표본을 중앙으로 이동하여 충격 쪽에서 멀리 향하게 합니다.

시편이 준비되면 기기의 다이얼을 300피트 파운드로 설정합니다. 다시 한번 영역이 명확하다는 것을 확인한 다음 진자 해제합니다. 해머는 표본에 영향을 미치고 반대쪽에서 스윙할 때 다이얼을 움직이면 시편이 흡수한 에너지의 양을 나타냅니다. 게이지에서 값을 기록한 다음 기계 브레이크를 사용하여 해머가 스윙하는 것을 막습니다. 휴식을 참여하면 게이지 판독이 무효화되므로 휴식이 적용된 후 읽기를 하지 마십시오.

진자확인이 중단되면 표본을 검색하고 섬유질 질감이 있는 골절된 면 영역의 백분율을 결정합니다. 나머지 샘플에 대한 테스트 절차를 반복합니다. 최종 테스트를 마쳤을 때 해머를 아래 위치에 둡니다.

이제 결과를 살펴보십시오.

각 온도 그룹에서 얼굴 중심 입방 재료의 대표 샘플을 비교합니다. 이 샘플은 테스트된 온도 범위에 걸쳐 약간의 변동을 보여줍니다.

이제 각 온도 그룹에서 바디 중심의 입방 재료의 샘플을 비교합니다. 높은 온도에서 테스트 된 샘플은 더 많은 연성과 플라스틱 변형을 보여 주며, 저온 그룹의 샘플은 부서지기 쉬운 골절의 징후를 표시합니다.

부서지기 쉬운 고장으로의 전환은 흡수된 에너지를 많은 테스트에 대한 샘플 온도의 함수로 플로팅하여 볼 수 있습니다. 바디 중심 입방 물재료의 경우, 높은 온도에서 흡수된 에너지의 투명한 상부 고원, 낮은 온도의 낮은 고원, 그리고 그 사이에 전이 영역이 있습니다. 얼굴 중심의 입방 재는 감소된 온도에서 동일한 전환을 표시하지 않습니다.

이제 서비스 소재의 인성을 예측하는 데 사용할 수 있는 Charpy V-notch 충격 테스트를 감사하게 되었으므로 매일 사운드 구조를 보장하기 위해 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.

온도가 넓은 범위에 따라 달라지는 우주 탐사와 같은 극한의 온도 환경뿐만 아니라 온도가 영하로 떨어지는 개 썰매는 거친 재료가 필요합니다.

특히 중요한 응용 분야는 저온 및 고온 Charpy 제한을 모두 포함하는 ASTM 표준을 충족하기 위해 강철이 필요한 교량설계입니다.

방금 JoVE가 Charpy 충격 테스트에 대해 소개하는 것을 보았습니다. 이제 다양한 온도에서 재료에 대한 Charpy 충격 테스트를 수행하는 방법과 이러한 결과가 물질 인성과 어떻게 관련되는지 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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수 시편 및 온도 값에 대한 실험을 반복한 후 흡수된 에너지의 온도 의존성을 플롯하고 상부 및 하부 선반(또는 평평한 수평 부분)의 존재를 명확하게 볼 수 있습니다. 이 선반은 주어진 재료 및 가공에 대해 달성 할 수있는 명확한 미니마와 최대맥이 있음을 나타냅니다. 주요 관심사는 이러한 구조설계의 작동 온도 내에서 이러한 가을 위험을 최소화하기 위해 전환 온도를 신중하게 정량화하는 것입니다. 다른 열 및 기계적 치료를 받는 유사한 재료는 다소 유사한 상부 및 하부 선반을 보여줄 뿐만 아니라 전이 온도의 뚜렷한 변화를 보여줍니다. 전환 영역을 왼쪽으로 이동하면 구조의 골절 위험을 낮추는 경향이 있습니다. 그러나 처리 측면에서 상당한 추가 비용이 수반됩니다.

또한 Charpy 테스트는 부서지기 쉬운 물질을 특성화하는 데 유용하며 연성은 거의 나타나지 않습니다. 실제로 Charpy 테스트는 매우 연성 금속을 포함한 모든 유형의 재료에 사용됩니다. 이 사용은 부서지기 쉬운 실패를 유발하는 변형 프로세스가 연성 실패와 다르기 때문에 근본적으로 올바르지 않습니다. 반 연성 또는 연성 재료에 대한 Charpy 하나와 같은 생산 설정에서 사용할 수있는 간단한 테스트를 도출 할 수 없습니다. 따라서, 그것은 샤피 테스트는 가까운 장래에 인기가 남아있을 가능성이 높습니다.

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Applications and Summary

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영향 테스트는 Charpy 및 Izod 테스트의 형태로 일반적으로 부서지기 쉬운 골절에 금속 재료의 저항을 측정하는 데 사용됩니다. Charpy 테스트는 노치가 있는 작은 빔 표본을 사용합니다. 빔은 마찰없는 진자에 부착 된 큰 망치에 의해로드됩니다. 이 로딩 서열로부터의 균주 속도와 국부적으로 큰 응력 농도를 생성하는 V-노치의 존재로부터의 균주 속도의 조합은 시편의 빠른 균열 전파 및 분할을 초래한다.

이 시험은 충격 망치의 위치에서 측정된 테스트의 시작 과 끝에 있는 잠재적 에너지를 비교하여 파쇄 하는 동안 물질에 의해 흡수되는 에너지를 결정합니다. 흡수된 에너지의 크기는 작은 빔 시편에서 물질의 부피에 따라 달라지므로 결과는 비교된 의미에서만 유효합니다.

골절 역학은 모든 재료에 대한 매우 중요한 연구 분야이며, 모든 재료에는 결함의 모양과 크기가 중요하다는 결함이 포함되어 있으며 스트레스 농도 문제를 설계할 필요가 있음을 상기시켜 줍니다.

일부 자유 선박과 T-2 유조선이 항구에있는 동안 말 그대로 반으로 분할 할 때 온도 의존의 중요성의 한 데모는 차 세계 대전이었다. 자유 선박의 경우, 이 고장은 용접 중에 유도된 응력 농도와 용접 작업 및 차가운 해수 온도로 인해 강철 선체의 취성과 관련이 있었습니다.

Charpy V-notch 테스트는 많은 ASTM 표준의 일부이며, 따라서 우리가 매일 사용하는 많은 제품에 존재합니다. 특히 중요한 응용 프로그램은 대부분의 강철이 저온 및 고온 Charpy 제한(즉,-40 ° F에서 20 피트 파운드 및 80°F에서 40 피트-lbs)를 통과하도록 지정된 교량 설계입니다.

골절 에너지는 매우 중요한 재료 특성입니다. 표면 에너지 γs= 17x10-5 in-lb/in2및 E=10x10 6 psi를 가진 완벽한 유리 판을 테스트하는   경우, 이론적 골절 강도는 그리피스의 방정식(σf =(2Eγsγ/πa)0.5)를감안할 때 약 465,000psi가 될 것이다. 유리판에 0.01in의 작은 크기로도 결함을 도입하면 골절 강도가 3배 에서 465psi로 감소하여 실제 생활에서 보는 것과 훨씬 더 비슷합니다.

Charpy v-notch 테스트가 중요한 다른 온도 의존 응용 분야에는 온도가 매우 넓은 공간 이동을 위한 테스트 장비와 온도가 영하로 떨어지는 남극 및 기타 극지방의 썰매 장비도 포함됩니다.

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Transcript

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