노치 취성·연성 시험 9종

노치 취성 시험의 필요성

용접부는 비드 토우·언더컷·결함 등 불가피한 노치(notch)를 포함합니다. 매끄러운 시편에서는 충분한 인성을 보이는 강재도 노치 있는 상태에서는 취성파괴할 수 있습니다.

취성파괴의 3대 위험 인자

1. 저온 — 천이온도 이하에서 BCC 금속이 취성화
2. 노치 — 응력 3축화로 소성변형 억제
3. 고속 하중 — 동적 충격에 의한 변형 속도 제한

이를 평가하기 위한 시험법이 노치 취성·연성 시험 9종이며, 1940년대 후반 Liberty 선박 파괴 사고를 계기로 발전했습니다.

1. Charpy 충격시험 — 가장 보편적

ASTM E23 / ISO 148. V노치(2mm 깊이, 45°) 또는 KEY-HOLE 노치 시편(55×10×10mm)을 진자로 충격 파단.

측정값
- 흡수 에너지 E (J 또는 kgf·m)
- 연성 파면율 (%)
- 가로 팽창량 (mm)

시편 종류
- V-Notch: 일반 표준
- KEY-HOLE: Izod 시험에 가까운 둥근 노치
- Mesnager: U노치

충격치 단위: 충격치 = E/A (kgf·m/cm²), 여기서 A는 노치 단면적.

적용: 용접 PQR, 압력용기·LNG 탱크 등 인성 요구 부위. ASME Section VIII Div.1 UCS-66 곡선 참조.

2~5. 유럽계 노치 시험 4종

2. Schnadt 시험 (유럽)

Charpy 시편의 압축면 일부 제거 → 경도 높은 텅스텐 카바이드 원기둥으로 치환. 노치 개구부 반경을 변화시키며 시험 — 노치 형상 민감도 평가.

3. Tipper 시험 (영국 — 인장형 노치 시험)

양측면에 V노치를 붙여 여러 저온에서 정적 인장 파단. 파면 천이온도 측정. 취성파괴는 Tipper 천이온도보다 낮은 온도에서만 발생.

4. Van der Veen 시험 (네덜란드)

판 측면에 프레스 노치 → 굽힘시험. 6mm 처짐 시 처짐량이 연성 천이온도의 지표. 파면 연성 깊이 32mm = 파면 천이온도.

5. Kahn 인장 균열 시험 (미해군 Tear Test)

핀구멍 시편을 핀으로 잡아당겨 파괴. 파면 상황을 조사하여 노치 인장 강도·tear ratio 평가. NAVY Tear Test로도 불림.

6~7. 균열 정지(Crack Arrest) 시험 2종

6. Robertson 시험 — 균열 정지 천이온도

시편의 V노치부를 액체질소로 냉각, 반대쪽을 가열하여 온도 구배 형성. 노치부에서 균열 발생 후 진행 → 어느 온도에서 정지하는지 확인.

정지한 온도 = Robertson 천이온도(CAT)

구조물의 안전한 사용 최저 온도 = Robertson CAT + 안전여유.

7. ESSO 시험 (SOD 시험)

ESSO 사가 개발. 여러 시험온도·하중에서 시편을 인장한 후 노치 반대쪽에 쐐기를 총탄으로 박아 넣어 취성균열 발생 → 균열 전파 정지 온도(ESSO 취화온도) 측정.

Robertson·ESSO는 모두 균열 정지 능력(Crack Arrest)을 평가하는 시험으로, 대형 선박 두께 검정에 쓰입니다.

8~10. 용접 연성 시험 3종

8. Kommerall 시험 (오스트리아)

시편 판 중앙 홈에 용접 비드를 붙인 후 롤러 굽힘. 균열 발생 굽힘각도, 흡수 에너지 측정. 용접부의 굽힘 연성 평가.

9. Kinzel 시험 (미국)

비드 위에 노치를 만들고 굽힘시험. 균열 발생 굽힘각도와 흡수에너지로 연성 평가. Kommerall과 유사.

10. IIW 최고경도 시험

Bead-on-Plate 용접 직각 단면 내 본드부 최고경도 측정.

규정 조건:
- 아크 전압 24 ± 4 V
- 아크 전류 170 ± 10 A
- 용접속도 150 ± 10 mm/min

판정: HV 350 이상이면 균열 위험. 강재의 용접 적용 적성을 평가하는 표준 시험.

용접 균열 시험 5종 — 균열 감수성 정량 평가

1. CTS 균열 시험 (Controlled Thermal Severity, IIW)

3중 십자 모양 십자 필렛 용접. 냉각속도를 표준화하여 균열 감수성 평가. 강재·용접봉의 표준 평가.

2. Battelle Under-Bead 균열 시험

Bead-on-Plate 후 단면 검사로 비드 직하 균열 발생 비율 측정.

3. Lehigh 구속 균열 시험

3중 슬릿 시편 + 슬릿 변형으로 구속도 조절. 균열 발생 임계 구속도 측정.

4. 철면식(Tekken/Y-Slit) 균열 시험

Y자 슬릿 시편을 한 면 용접 → 24시간 후 균열 단면 검사. Y-Slit·Tekken 시험으로도 불림.

5. Houldcroft 분할 원주홈 시험

Disk 시편의 방사형 슬릿을 이용. 응고 균열(고온균열) 평가.

Varestraint Test

용접 중 시편에 강제 변형 → 고온균열 발생 정량 측정 → UCS 식 도출의 근거.

시험 결과 활용 — 강재 선정과 코드

ASME VIII Div.1 UCS-66 — 충격시험 면제 곡선

탄소강·저합금강의 최저 사용온도(MDMT)에 따라 충격시험 면제 가능 여부 결정. 두께·재질별 곡선(A~D) 사용.

API 579 Brittle Fracture Assessment

노치 인성과 천이온도로 잔존 수명 평가.

시험 적용 가이드: