충격 강도:정의, 중요성 및 정확한 측정 기술

충격 강도는 갑작스럽고 강렬한 충격 또는 충격 하중 하에서 균열, 균열 또는 소성 변형에 저항하는 재료의 능력을 측정한 것입니다. 갑작스러운 힘을 견딜 수 있는 재료의 능력을 결정하는 중요한 특성입니다. 큰 충격이나 충격 하중을 받는 구성 요소를 설계하려면 잠재적인 오류를 허용하기 위해 이러한 측정을 이해하는 것이 중요합니다. 재료의 충격 강도는 일반적으로 IZOD 테스트 또는 샤르피 테스트를 사용하여 정량화됩니다. 이는 재료의 등급을 매기는 데 사용되는 지표적이고 표준화된 테스트입니다. 그러나 이는 실제 사용을 대표하지 않으며 주기적 또는 실제 부하에 대한 제한된 정보를 제공합니다. 이 문서에서는 충격 강도, 계산 방법, 중요성, 영향을 미치는 요인 및 다양한 유형의 충격 강도 실패에 대해 설명합니다.

충격강도란 무엇인가요?

충격 강도는 충격 및 충격 하중 하에서 파손에 저항하는 재료의 능력을 측정한 것입니다. 취성파괴가 일어나는 재료에만 적용할 수 있습니다. 또한 온도 의존성 및/또는 충격 의존성 취성-연성 전이를 나타내는 연성 재료의 테스트에도 사용됩니다. "정상" 하중 및 작동 조건에서 연성이 있는 많은 재료는 차갑거나 갑작스러운 충격을 받을 때 부서지기 쉬운 동작을 나타낼 수 있습니다. 이러한 행동을 평가하는 것은 제품 디자인 및 재료 선택에 도움이 됩니다.

충격강도의 중요성은 무엇인가요?

재료의 충격 거동을 이해하는 것은 재료 선택과 세부 설계를 모두 결정하는 중요한 설계 정보입니다. 높은 충격(즉, 단기간) 충격을 받을 가능성이 있는 구성 요소는 이로 인해 발생할 수 있는 치명적인 영향에 저항하도록 만들어져야 합니다.

탄력있는 제품의 좋은 디자인을 위해서는 기본적인 충격강도 외에도 다양한 거동에 대한 이해가 필요합니다. 피로, 미세 파괴, 혼합된 연성/취성 거동과 같은 특성을 이해하는 것도 서비스 중 조기에 실패하는 제품 제조를 줄이거나 방지하는 데 도움이 됩니다. 서비스 수명은 여러 분야에서 특히 중요합니다. 이를 통해 예방적 유지 관리가 가능하고 검사 프로세스 및 일정을 이해하여 고장을 예방할 수 있습니다.

충격 강도는 어떻게 계산 또는 측정되나요?

충격 강도를 계산하는 두 가지 방법은 다음과 같습니다.

1. 샤르피 충격 테스트

샤르피 테스트는 IZOD 테스트보다 덜 일반적으로 사용되며 흡수된 샤르피 V 충격 에너지(줄)를 측정합니다. 이는 스윙 해머의 지속적인 스윙에서 남은 에너지가 소산되므로 해머의 충격 후 이동으로 측정됩니다.

자세한 내용은 샤르피 충격 테스트에 대한 전체 가이드를 참조하세요.

재료의 충격강도에 영향을 미치는 요소는 무엇인가요?

재료의 충격강도에 영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다.

1. 재료 두께

재료가 두꺼울수록 파괴를 위해 깨져야 할 수 있는 더 많은 구조/결합을 제공하여 강도에 영향을 미칩니다.

2. 온도

많은 재료는 온도 변화에 따라 특성에 상당한 변화를 보입니다. 이러한 변경을 특성화하는 것은 재료 정의/테스트 프로세스의 중요한 부분이며 IZOD 및 샤르피 테스트는 모두 다양한 표준 온도에서 수행됩니다.

특히 금속은 어닐링 온도를 갖고 있어 이 온도에서 자가 치유 능력이 더욱 향상됩니다. 예를 들어, 알루미늄은 570°F에서 어닐링되므로 모든 결정 경계가 서로 혼합되고 재료가 매우 연성이 됩니다. 일부 재료는 저온에서 부서지기 쉽습니다. 많은 재료는 뜨거워질수록 약해지며, 유리 전이가 시작되는 온도에서 비정상적인 전이가 분명하게 나타납니다.

3. 노치 반경

응력 집중은 재료 강도의 주요 요소입니다. 끝이 날카로운 노치는 응력을 한 지점에 집중시켜 파괴를 촉진하므로 노치 반경은 유사한 재료에 대한 테스트를 비교할 때 매우 중요합니다.

충격 강도 실패의 유형은 무엇입니까?

아래에는 충격 강도 실패의 다양한 유형이 나열되어 있습니다.

1. 취성파괴

취성파괴는 재료 샘플이 두 개 이상의 부품으로 분리된 파단입니다. 이러한 부품을 함께 다시 장착하여 부품의 원래 모양/개요를 형성할 수 있습니다. 크래커는 신선하고 바삭할 때 취성파괴를 겪습니다.

2. 연성파괴

연성 파괴는 드물게 발생합니다. 연성 파괴 모드는 재료가 비가역적으로(즉, 소성 변형을 겪음) 광범위하게 넥킹될 때 발생합니다. 일반적으로 인장 시험편의 대규모 연성 파괴는 목을 형성하기 위해 플라스틱을 잡아당기는 것처럼 보입니다. 일반적으로 머리카락처럼 가는 실로 확장되지 않고 깔끔하게 서로 맞물릴 수 있는 작은 부서지기 쉬운 균열이 뒤따릅니다.

3. 양보

항복은 탄성 한계에 도달한 후 소성 변형을 겪는 탄성 재료의 특징입니다. 항복점 이하의 힘을 경험할 때 힘이 해제되면 재료는 원래 모양/치수로 돌아갑니다. 반면, 항복점이나 항복 강도를 초과하면 재료는 약간의 소성(즉, 영구 변형)을 겪게 됩니다. 힘이 풀리면 재료는 탄성 변형을 회복하지만 플라스틱 구성 요소는 회복되지 않습니다.

4. 약간의 균열

올바르게 수행된 샤르피 및 IZOD 테스트의 목적은 재료 샘플을 두 개 이상의 조각으로 분할하거나 파손하는 것입니다. 샘플이 약간만 손상되었거나 부분적으로 파손된 경우 더 높은 에너지 또는 더 깊은 노치 테스트가 적절할 수 있습니다. 파손은 전단, 연성, 취성 모드의 혼합으로 인해 발생할 수 있습니다. 실패 유형은 완전 파손, 힌지 파손, 불완전 파손, 비절단으로 나열됩니다.

충격 강도는 3D 프린팅과 어떤 관련이 있나요?

대부분의 3D 프린팅 플라스틱은 동일한 재료로 성형되거나 가공된 블록보다 충격 강도가 상당히 낮습니다. 이는 3D 프린팅에 사용되는 구성 방법의 이방성 특성에 따른 함수이며 빌드 방향과 크게 관련될 수 있습니다. 예를 들어, FDM 부품은 일반적으로 더 나은 상호를 제공합니다. - 내부보다 레이어 결합 -레이어이므로 모델은 빌드의 X-Y 평면에서 적당한 수준의 강도를 가지지만 Z축을 따라 매우 약합니다. 이러한 변화/방향성은 다른 모델 유형에서도 어느 정도 사실입니다.

3D 프린팅 재료의 이상적인 충격 강도는 얼마입니까?

3D 프린팅 소재의 이상적인 충격 강도는 소재 특성에 따라 달라집니다. 일반적으로 PLA 등의 FDM 인쇄 부품의 충격 강도는 Z축 전체에서 0에 가깝고 샤르피 테스트에서 X-Y축 전체에서 최대 23kJ/m2입니다.

충격 강도의 응용은 무엇입니까?

충격 강도 테스트는 구성 요소 설계에 절대적인 기준점을 제공할 수는 없지만 필요한 스케일링 측정입니다. 아래에는 충격 강도의 몇 가지 적용 사례가 나열되어 있습니다.

1. 재료의 상대적 강도
2. '정상적인' 불리한 조건에서의 실패 모드. 이러한 결과는 구성요소의 강성과 에너지 소산을 개선하여 설계 프로세스에 정보를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 예상대로 발생할 수 있는 연성 왜곡을 더 잘 허용함으로써 실제 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
3. 부품의 예상 작업 조건에 적합한 재료를 선택할 수 있도록 온도 성능을 이해합니다.
4. 수분 노출/흡수 및 부품에 미치는 영향 등 기타 환경 요인에 대한 이해

일부 재료의 충격 강도에는 어떤 예가 있나요?

재료 충격 테스트는 결과가 혼합된 영역입니다. 모든 테스트가 예상만큼 엄격하지는 않습니다. 재료 제조로 인해 고장이 발생할 때까지 명확하지 않은 변동성이 발생할 수 있습니다. 금속의 경우 열처리와 그에 따른 결정 구조 변화는 이해하거나 정량화하기 어려운 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다. 합금제는 덜 숨겨져 있지만 마찬가지로 중요합니다. 마지막으로, 제조 공정은 성능을 크게 변화시켜 기본 재료 테스트가 유익하지 않을 수 있습니다. 좋은 예는 동일한 재료로 제작된 단조강 부품과 주강 부품의 차이입니다. 원자재는 동일하지만 단조 부품은 훨씬 더 견고하고 강하며 파손에 더 강할 수 있습니다.

플라스틱의 충격강도란 무엇인가요?

일부 일반적인 폴리머의 충격 강도는 아래 표 1에 나와 있습니다. 

표 1:일부 일반적인 폴리머의 충격 강도

폴리머 최소 IZOD 값(J/m2) 최대 IZOD 값(J/m2)

폴리머

ABS - 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌

최소 IZOD 값(J/m2)

200

최대 IZOD 값(J/m2)

215

폴리머

ASA - 아크릴로니트릴 스티렌 아크릴레이트

최소 IZOD 값(J/m2)

100

최대 IZOD 값(J/m2)

600

폴리머

HDPE - 고밀도 폴리에틸렌

최소 IZOD 값(J/m2)

20

최대 IZOD 값(J/m2)

220

폴리머

HIPS - 고충격 폴리스티렌

최소 IZOD 값(J/m2)

50

최대 IZOD 값(J/m2)

350

폴리머

LDPE - 저밀도 폴리에틸렌

최소 IZOD 값(J/m2)

999

최대 IZOD 값(J/m2)

999

폴리머

LLDPE - 선형 저밀도 폴리에틸렌

최소 IZOD 값(J/m2)

54

최대 IZOD 값(J/m2)

999

폴리머

PA 66 - 폴리아미드 6-6

최소 IZOD 값(J/m2)

50

최대 IZOD 값(J/m2)

150

폴리머

PBT - 폴리부틸렌 테레프탈레이트

최소 IZOD 값(J/m2)

27

최대 IZOD 값(J/m2)

999

폴리머

PC - 폴리카보네이트

최소 IZOD 값(J/m2)

80

최대 IZOD 값(J/m2)

650

폴리머

PET - 폴리에틸렌 테레프탈레이트

최소 IZOD 값(J/m2)

140

최대 IZOD 값(J/m2)

140

폴리머

PETG - 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜

최소 IZOD 값(J/m2)

50

최대 IZOD 값(J/m2)

50

폴리머

PMMA - 폴리메틸메타크릴레이트/아크릴

최소 IZOD 값(J/m2)

10

최대 IZOD 값(J/m2)

25

폴리머

POM - 폴리옥시메틸렌(아세탈)

최소 IZOD 값(J/m2)

60

최대 IZOD 값(J/m2)

120

폴리머

PP - 폴리프로필렌 10-20% 유리 섬유

최소 IZOD 값(J/m2)

50

최대 IZOD 값(J/m2)

145

폴리머

PTFE - 폴리테트라플루오로에틸렌

최소 IZOD 값(J/m2)

160

최대 IZOD 값(J/m2)

200

폴리머

PVC 강성

최소 IZOD 값(J/m2)

20

최대 IZOD 값(J/m2)

110

표 출처:https://omnexus.specialchem.com/

충격 강도에 대해 자주 묻는 질문

가장 충격에 강한 금속은 무엇인가요?

연구 결과에서 지금까지 달성된 가장 높은 샤르피 테스트 값은 금속 복합 샘플(~450J)에 대한 것입니다. 그것은 열간 압연 결합된 페라이트와 마르텐사이트 강철 시트를 교대로 적층한 블록용이었습니다.

재료의 충격 강도를 측정하는 데 어떤 장치가 사용됩니까?

IZOD 및 샤르피 테스트 모두에서 샘플은 봅의 무게를 높이거나 낮추어 에너지를 조정할 수 있는 스윙 해머의 충격을 받습니다. IZOD 테스트에서 샘플은 일반적으로 한쪽 끝을 고정하고 수직으로 장착하며 노치가 있거나 (흔하지 않지만) 그렇지 않을 수 있습니다. 노치는 해머를 향하거나 뒤집힐 수 있습니다. 측정값은 원칙적으로 거의 변화하지 않지만 모든 테스트 주기의 일관성은 중요합니다. 샤르피 테스트에서 샘플은 그것이 놓여 있는 두 지지대 사이의 수평 간격을 연결합니다. 해머는 이러한 지지대 사이에서 흔들리며 고강도 재료의 경우 더 무겁습니다.

충격강도와 인장강도의 차이점은 무엇인가요?

충격 강도는 측면에서 충격을 받고 한쪽 또는 양쪽 끝이 지지될 때 뒤틀림과 파손에 저항하는 부품의 능력을 정의합니다. 인장 테스트는 샘플의 한쪽 끝에 세로 방향 하중을 가하고 다른 쪽 끝은 2D 콜릿에 단단히 고정됩니다. 인장 용량은 부품에 대한 간단하고 계산 가능한 인장 강도로 변환되는 보다 정량화된 출력을 통해 더욱 명확한 측정값입니다.

자세한 내용은 인장 강도에 대한 전체 가이드를 참조하세요.

요약

이 기사에서는 충격 강도에 대해 설명하고, 그것이 무엇인지 설명하고, 제조에 있어 충격 강도가 무엇을 의미하는지 논의했습니다. 충격 강도에 대해 자세히 알아보려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.

Xometry는 모든 프로토타이핑 및 생산 요구 사항에 맞는 3D 프린팅 및 기타 부가 가치 서비스를 포함하여 광범위한 제조 기능을 제공합니다. 자세한 내용을 알아보거나 무료 견적을 요청하려면 당사 웹사이트를 방문하세요.

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딘 맥클레먼츠

Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.

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