본문내용
1. 경도 시험의 개요
1.1. 시험의 목적
경도 시험의 목적은 재료의 경도값을 알고자 하거나 경도값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우 또는 경도값으로부터 시편의 가공 상태나 열처리상태를 비교하고 싶은 경우에 경도 시험을 행하는 것이다. 경도는 재료의 변형저항이 크고 작음을 나타낸다는 점에서 인장강도와 관련성이 있으며 재료의 경도와 인장강도 사이에는 비례관계가 있다. 따라서 경도 시험을 통해 재료의 변형에 대한 저항을 알아보고 이를 통해 강도를 추정할 수 있다. 또한 경도값은 재료의 가공 상태나 열처리 상태에 따라 달라지므로 경도 시험을 통해 시편의 이러한 상태를 비교할 수 있다."
1.2. 경도의 정의
경도는 재료의 변형에 대한 저항을 의미하며, 금속에서 이 특성은 영구변형 또는 소성변형에 대한 저항을 측정하는 것이다. 경도의 정의는 "압입에 대한 저항"으로 표현되나 정확한 것은 아니다. 그 이유는 경도가 재료의 물리적 성질에 직접 연관이 되는 물리상수가 아니라 인위적으로 정한 공업상수이기 때문이다. 즉, 경도는 재료의 특정 기계적 성질을 나타내는 값이지만 직접적인 물리량은 아니며, 단순히 재료의 표면 특성을 나타내는 지표라고 볼 수 있다.
1.3. 경도와 강도의 관계
경도와 강도의 관계는 매우 밀접하다. 재료의 경도는 변형에 대한 저항을 나타내는 척도로, 일반적으로 경도가 높은 재료일수록 강도 또한 높다. 이는 재료의 내부 결정 구조가 치밀할수록 경도와 강도가 함께 증가하기 때문이다.
즉, 경도는 재료의 표면이 얼마나 단단한지를 나타내는 반면, 강도는 재료 전체의 단단함을 나타낸다. 따라서 경도와 강도는 비례하는 관계를 가지며, 경도 시험을 통해 재료의 강도를 간접적으로 예측할 수 있다.
예를 들어, 같은 재료에 대해 열처리를 해서 경도를 높이면 강도 또한 증가한다. 이는 열처리 공정을 통해 재료 내부의 결정 구조가 치밀해지기 때문이다. 따라서 경도 측정은 재료의 기계적 특성을 평가하는 중요한 지표로 활용된다.
다만 경도와 강도의 관계는 단순히 비례하지 않으며, 재료의 특성에 따라 차이가 있다. 예를 들어 탄소강의 경우 경도와 인장강도가 비례하지만, 구리합금의 경우 다른 양상을 보일 수 있다. 또한 재료에 따라 경도를 높이기 위한 열처리 방법이 달라지기도 한다.
따라서 경도 시험을 통해 재료의 강도를 예측할 때는 재료의 특성을 고려하여 적절한 경도 시험법을 선택하고, 그에 따른 강도 관계를 파악해야 한다. 이를 통해 재료의 기계적 성질을 보다 정확히 평가할 수 있다.
2. 경도 시험의 원리
2.1. 압입 경도 시험
압입 경도 시험은 재료의 표면에 압자를 눌러 내재되어 있는 압입 저항을 측정하여 재료의 경도를 평가하는 방법이다. 압입 경도 시험에는 브리넬 경도 시험, 로크웰 경도 시험, 비커스 경도 시험 등이 있다.
브리넬 경도 시험은 강구 또는 초경 합금구의 압자를 사용하여 시험편 표면에 구형의 압흔을 만들고, 이때의 시험 하중과 압흔의 지름으로부터 경도를 구한다. 이 시험은 대형 시편이 필요하지만 평균값이 얻어지고 표면의 영향이 적어 어닐링, 노멀라이징, 고경화 등 소재에 널리 사용된다.
로크웰 경도 시험은 다이아몬드 누르개 또는 강구 누르개를 사용하여 기준 하중과 시험 하중을 가한 후 기준 하중에서의 누르개 침입 깊이 차이로 경도를 구한다. 신속하고 정확하며 넓은 범위의 경도를 측정할 수 있어 가장 많이 이용되는 시험법이다.
비커스 경도 시험은 대면각이 136°인 다이아몬드 피라미드 압자를 사용하여 시험편 표면에 압흔을 만들고, 이때의 하중과 압흔의 대각선 길이로부터 경도를 계산한다. 균일한 재료에 대해서는 하중에 관계없이 일정한 경도 값을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
이러한 압입 경도 시험은 재료의 변형에 대한 저항 정도를 간단히 측정할 수 있어 실용적으로 가장 널리 이용되는 경도 시험 방법이다. 특히 열처리, 침탄, 질화 등의 표면 처리된 부품이나 가공 경화가 큰 재료의 경도 측정에 적합하다.
2.2. 반발 경도 시험
반발 경도 시험은 특정한 해머를 일정한 에너지로 시료의 시험면에 충돌시켜 해머가 시험면에서 반발될 때 손실된 운동 에너지의 손실에 따라, 경도의 대소를 나타내는 형식으로 에너지가 시편에 흡수되는 정도가 클수록, 그 반발의 높이가 작아지는 것을 이용하여 그의 대소에 따라 경도를 결정한다.
반발 경도 시험에는 대표적으로 쇼어 경도 시험이 있다. 쇼어 경도는 1906년 A.F.Shore가 경화처리한 강에 대해서는 브리넬구는 스트레인을 일으킨다는 것을 알게 되었으므로 충격법으로 경도를 규정할 것을 제안하였다. 쇼어경도시험은 일정한 높이에서 시험편에 해머를 수직으로 낙하 충동시켜 그 반발높이를 기준으로 하여 경도값을 나타낸다. 이 시험기는 선단에 구형의 다이아몬드 팁(tip)이 박힌 무게 약 2.4gf의 해머를 254mm의 높이에서 낙하시켰을 때 경화처리한 고탄소강에서의 평균 반발높이를 눈금판에서 100으로 하였고, 연한 황동에서의 높이를 10으로 나타내도록 하였다.
반발 경도 시험은 정적 압입시험과는 달리 하중이 동적으로 작용하며, 보통 시료의 크기와 모양에 관계없이 실용적으로 시험할 수 있고 시편표면을 손상시키지 않는다는 장점이 있다. 하지만 반발 경도는 시편의 탄성율이 현저하게 다른 경우에는 경도의 상호 비교가 불가능하고, 도금과 같은 얇은 금속피막에서는 적용할 수 없다는 단점도 있다.
2.3. 긁기 경도 시험
긁기 경도 시험은 보통 다이아몬드의 압자를 시료면에 놓고 하중을 가하여 압자를 시료면에 따라 움직였을 때 생기는 긁힌 자국의 폭으로 시료의 경도와 연도를 판정하는 시험이다. 대표적인 긁기 경도 시험으로는 모스 경도 시험이 있다.
모스 경도 시험은 1822년 독일의 광물학자 프리드리히 모스가 고안한 방법으로, 10개의 기준 광물을 사용하여 연대적인 경도 순서를 정하였다. 이 기준 광물들은 탈크(1), 석고(2), 방해석(3), 불소인회석(4), 인회석(5), 장석(6), 석영(7), 토파즈(8), 사파이어(9), 다이아몬드(10)의 순서로 경도가 증가한다. 모스 경도 시험은 시험편과 기준 광물 사이에 긁기 시험을 실시하여 경도를 판정한다. 즉, 기준 광물로 시험편을 긁었을 때 시험편에 흠이 생기면 시험편의 경도는...
