N5-0525분
취성파괴·연성-취성 천이
DBTT, Charpy 시험, 설계온도 결정
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
연성-취성 천이온도(DBTT)
DBTT(Ductile-to-Brittle Transition Temperature)는 재료가 연성 파괴에서 취성 파괴로 전환되는 온도 범위입니다. BCC(체심입방) 구조의 페라이트 강은 온도가 낮아지면 급격히 취성이 증가하는 반면, FCC(면심입방) 구조의 오스테나이트 스테인리스강은 저온에서도 연성을 유지합니다.
취성파괴의 3대 조건은 저온, 노치(응력집중), 빠른 하중 속도(충격)이며, 이 세 가지가 동시에 만족되면 취성파괴 위험이 급격히 증가합니다.
🟡 Referenced
Charpy V-notch 충격시험
Charpy 시험은 표준 시편(10×10×55mm, V-노치 깊이 2mm)을 진자 해머로 충격 파괴하여 흡수 에너지(J 또는 ft·lbf)를 측정합니다.
에너지 흡수곡선(Energy Transition Curve)을 온도별로 그리면 S자 형태의 천이곡선이 나타납니다.
- 상부 선반(Upper Shelf): 완전 연성 파괴, 흡수 에너지 높음
- 하부 선반(Lower Shelf): 완전 취성 파괴, 흡수 에너지 낮음
- 천이 영역: 연성과 취성이 혼재
천이온도는 흡수 에너지 기준(예: 27J 기준)이나 파면 전이율 기준(50% FATT)으로 결정합니다.
🟡 Referenced
NDT/FTP/FTE 온도와 설계온도
Pellini 낙중시험(Drop Weight Test)으로 결정되는 주요 온도:
- NDT(Nil-Ductility Temperature): 소성 변형 없이 파괴가 시작되는 최저 온도
- FTP(Fracture Transition Plastic): NDT + 33°C, 작은 결함은 전파하지 않는 온도
- FTE(Fracture Transition Elastic): NDT + 67°C, 탄성 응력 수준의 결함도 전파하지 않는 온도
설계온도 결정: ASME Sec.VIII에서는 MDMT(Minimum Design Metal Temperature)를 설정하여, 이 온도 이상에서만 가압 운전을 허용합니다. 탄소강의 경우 충격시험을 통해 MDMT를 검증합니다.
Liberty Ship 사고(1943년)는 저온 환경에서 취성파괴가 발생한 대표적 사례입니다. 이 사고 이후 충격시험 요건이 강화되었으며, 현재 모든 압력용기 규격에서 MDMT 이하 온도에서의 충격시험을 요구합니다.
Charpy 시험 온도는 MDMT 이하로 설정하며, ASME SA-20에서 요구하는 최소 흡수 에너지는 판 두께와 강종에 따라 다릅니다. 일반적으로 탄소강 20J(full-size), 저합금강 27J 이상을 요구합니다.
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시편 준비 및 온도 조절
표준 시편(10×10×55mm, V-노치 깊이 2mm, 각도 45°)을 가공합니다. 시험 온도별로 항온조(알코올+드라이아이스 또는 액체질소)에 시편을 충분히 침지하여 균일한 온도에 도달시킵니다.
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시험 실행
시편을 항온조에서 꺼낸 후 5초 이내에 Charpy 시험기에 장착하고 진자 해머를 낙하시킵니다. 노치 반대편을 해머가 타격하도록 시편 방향에 주의합니다.
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흡수에너지 기록
해머의 위치에너지 차이로부터 흡수에너지(J)를 읽고, 파단면의 연성파면율(%)을 측정합니다. 동일 온도에서 3개 시편을 시험하여 평균값과 최솟값을 기록합니다.
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천이곡선 작성 및 DBTT 결정
여러 온도에서의 흡수에너지를 그래프에 도시하여 S자형 천이곡선을 완성합니다. 27J 기준선 또는 50% FATT(파면전이온도)를 이용하여 DBTT를 결정합니다.
취성파괴·DBTT 시험 함정 5종 1. "취성파괴 3대 조건?" → ① 결함(균열·LOF) ② 인장응력 ③ 저인성(저온·고변형률). 셋 모두 충족. 2. "DBTT 기준 — 27J?" → 3개 평균 ≥ 27J + 개별 ≥ 20J (2/3 규칙). ASME UCS-66. 3. "FCC 강은 DBTT가 있나?" → 없음. FCC(STS304·Al)는 저온에서도 연성 유지. BCC(탄소강)만 DBTT 존재. 4. "MDMT(Minimum Design Metal Temperature)?" → 최저 사용 온도. UCS-66 곡선으로 충격 면제 여부 판정. 5. "Liberty Ship 사고 교훈?" → 1943년 저온에서 BCC 강이 취성 파괴. 충격시험 요건 강화 계기.
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