Charpy V-Notch 시험

왜 배우는가: 샤르피 충격시험은 강재가 저온에서 취성으로 바뀌는 성질을 수치로 확인하는 가장 기본적인 인성 시험이다. 구조물의 저온 취성 파괴를 막기 위해 강재 선정과 용접 절차 인정에서 흡수에너지 요건으로 널리 쓰이며, 천이온도와 파면율 개념이 함께 묻기 때문에 시험에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 1번, 제114회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

샤르피 충격시험은 V노치 시험편을 진자 해머로 한 번에 파단시켜 흡수에너지로 재료의 노치 인성을 평가하는 시험이다.

• 샤르피 충격시험(Charpy impact test)
• V노치(V-notch)
• 흡수에너지(absorbed energy)
• 충격치(impact value)
• 연성-취성 천이온도(ductile-brittle transition temperature)
• 파면율(percent shear fracture)
• 천이곡선(transition curve)
• 노치 인성(notch toughness)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 같은 강재라도 추운 곳에서는 갑자기 잘 깨진다. 샤르피 시험은 온도를 바꿔 가며 충격을 주고, 깨뜨리는 데 든 에너지를 재서 이 변화를 본다.

정식 정의는 다음과 같다. 샤르피 충격시험은 노치를 가진 시험편을 일정한 높이에서 해머로 타격해 파단시키고, 그때 흡수된 에너지를 구하는 방법이다. 1901년 G. Charpy가 표준화한 시험법으로, 현재 금속 재료 시험의 기본 방법으로 쓰인다. 시험 결과는 재료의 노치 인성을 나타내는 지표가 된다.

흡수에너지(absorbed energy)는 진자가 시험편을 깨뜨리는 데 쓴 에너지다. 진자를 들어 올린 위치에너지와 파단 후 반대편으로 올라간 위치에너지의 차로 구한다. 시험편을 깨는 데 든 에너지이므로 값이 클수록 인성이 크다.

충격치(impact value)는 흡수에너지를 시험편 노치부 단면적으로 나눈 값이다. 노치 단면적 기준이라 같은 시험기에서 비교할 때 쓰인다.

노치 인성(notch toughness)은 날카로운 홈이 있을 때 재료가 파괴에 견디는 능력이다. 구조용 강재는 노치와 저온이 겹치면 취성 파괴 위험이 커지므로, 샤르피 시험은 이 조합을 가장 직접적으로 평가한다.

연성-취성 천이온도(DBTT)는 흡수에너지가 높은 연성 상태에서 낮은 취성 상태로 급격히 바뀌는 온도대다. 실제로는 한 점이 아니라 폭을 가진 천이 영역이므로, 여러 정의 방식 중 하나를 골라 값으로 표현한다.

파면율(percent shear fracture)은 파단면 중 연성 전단 파면이 차지하는 비율이다. 연성 파면은 섬유상으로 거칠고, 취성 파면은 결정립 단위로 반짝이는 벽개면으로 나타난다. 온도가 낮아질수록 파면율이 떨어진다.

3. 등장 배경과 필요성

19세기 말 철도와 선박이 대형화되면서 저온에서 갑자기 깨지는 강재 파괴 사고가 늘었다. 인장시험만으로는 이런 취성 거동을 잡아내기 어려웠다. 인장시험은 천천히 가하는 정적 하중의 강도와 연신율을 보기 때문에, 급격한 충격과 노치에 의한 파괴를 예측하지 못한다.

이 문제를 풀기 위해 G. Charpy가 1901년 V노치 충격시험을 제안했다. 시험편을 빠르게 깨뜨려 흡수에너지를 재는 방식이라 짧은 시간에 결과를 얻을 수 있고, 장치가 작아 현장과 생산 공정에서도 쓰기 쉽다. 이 장점 때문에 1950년 이후 재료 인증 시험으로 널리 자리 잡았다.

건축구조 분야에서는 강구조물이 겨울철 저온 환경에서 사용되거나 용접부가 있는 경우 취성 파괴 위험을 점검할 필요가 있다. 강재 규격과 용접 절차서에 충격 흡수에너지 요건이 들어가는 이유가 여기에 있다. 시험 결과는 강재를 선정하는 근거와 최저 사용온도를 정하는 근거가 된다.

시험 방법은 ASTM E23과 ISO 148-1이 대표적이며, 국내에서는 KS B 0810 충격시험이 같은 시험 방법을 규정한다. 두 기준 모두 시험편 규격, 해머 용량, 충격 속도, 온도 조건을 정한다. 본 절의 수치는 이 기준의 일반값을 따른다.

4. 구성요소·원리·절차

시험기는 진자 해머, 시편 지지대, 지시 장치로 구성된다. 해머를 일정한 높이에서 놓으면 최저점에서 시편의 노치 반대면을 타격해 파단시킨다. 해머는 파단 후 반대편으로 다시 올라가며, 시험 전후 해머 위치의 차이가 시편이 흡수한 에너지가 된다.

위 표의 각 구성요소는 한 번의 타격으로 시편을 파단시키는 데 필요한 조건을 만든다. 지지 간격과 노치 형상이 표준과 같아야 결과를 서로 비교할 수 있다.

원리는 에너지 보존이다. 해머를 시작 위치에서 놓으면 위치에너지가 운동에너지로 바뀌어 시편을 타격한다. 파단에 쓰인 에너지만큼 해머의 상승 높이가 낮아지므로, 두 높이의 위치에너지 차가 곧 흡수에너지다. 흡수에너지는 해머의 시작 높이와 파단 후 상승 높이의 위치에너지 차로 구한다.

$E = W(h_0 - h_1) = WR(\cos\beta - \cos\alpha)$

여기서 E는 흡수에너지(J), W는 해머 무게(N), R은 회전축에서 해머 무게중심까지 거리(m), \alpha는 시작 각도(rad), \beta는 파단 후 상승 각도(rad)이다. h_0, h_1은 각각 시작 높이와 상승 높이(m)다. 지시 장치가 각도를 읽는 기계에서는 이 식으로 에너지를 바로 계산하고, 눈금이 에너지를 직접 나타내는 기계에서는 눈금값을 그대로 읽는다.

시험 절차는 다음과 같다.

• 시편을 목표 온도에서 충분히 유지해 온도를 맞춘다.
• 시편을 지지대에 올려 노치 반대면이 해머 쪽을 향하게 놓는다.
• 해머를 시작 높이에서 놓아 1회 타격으로 시편을 파단시킨다.
• 파단 후 해머의 상승 각도 또는 높이를 읽는다.
• 식으로 흡수에너지를 산정하고, 파단면을 관찰해 파면율을 구한다.

흐름도에서 시험 조건을 맞추는 앞부분과 에너지를 계산하는 뒷부분을 구분해 답안에 쓰면 채점자가 절차를 빠짐없이 확인할 수 있다. 파면율은 파단면에서 연성 파면(섬유 파면)이 차지하는 면적 비율이므로 5번 단계에서 함께 기록한다.

5. 관련 법령·기준·표준

샤르피 충격시험은 시험 방법을 정한 국제·국가 표준으로 규정된다. 금속재료 시험의 기본 규격은 ISO 148-1이며, 미국에서는 ASTM E23을, 국내에서는 KS B 0810 충격시험 규격을 쓴다. 이 기준들은 시편 치수, 노치 형상, 지지 간격, 시험기 검증 방법을 정한다. 아래 표는 시험 조건의 핵심 값을 모은 것이다.

표의 값은 기준마다 허용 범위가 있으므로 답안에는 대표 값만 쓰고 조건을 함께 적는다. 선박 기준의 27J은 용접금속의 최소 평균 흡수에너지 요구 조건이며, 서브사이즈 시편과 개별 시편 값의 적용은 해당 기준의 별도 규정을 따른다.

국제 규격의 변천도 함께 알아 둔다. 유럽 규격 EN 10045-1, -2는 ISO 148-1, -2로 대체되어 폐지되었다. 계장화 충격시험은 ISO 14556에서 다루며, 플라스틱의 샤르피 시험은 금속과 별도로 ISO 179 계열에서 규정한다. 답안에서 금속재료를 다룰 때는 ISO 148 계열과 ASTM E23을 기준으로 쓰면 된다.