다양한 온도 조건에서 냉간 성형 및 열연 강판의 샤르피 충격 시험

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.

그림 1: 샤피 표본.

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.

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.

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 γ_s= 17x10^-5 in-lb/in²및 E=10x10 6 psi를 가진 완벽한 유리 판을 테스트하는   경우, 이론적 골절 강도는 그리피스의 방정식(σ_f =(2Eγ_sγ/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.