금속재료의 기계적 특성 시험 2 (경도)

안녕하세요, 오늘은 기계적 특성 시험 중 경도에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

저번 시간에 강도에 대해 알아보았는데요. 강도는 끊어지거나 파단되는 파괴에 대한 저항성을 나타낸 것입니다. 반면 경도는 표면의 흠집에 대한 저항성을 나타낸 것인데, 다시 말해 표면이 얼마나 단단한지 측정하는 시험입니다. 표면을 단단한 압자(=누름자)로 누른 후 표면에 남은 압흔(=흠집)의 크기를 통해 경도를 측정합니다. 같은 힘을 줬을 때 압흔의 크기가 작으면 더 단단한 재료라고 볼 수 있겠지요.

금속 재료의 경도 측정에는 대표적으로 로크웰, 브리넬, 비커스 경도가 있습니다. 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 로크웰 경도(Rockwell Hardness)

로크웰 경도시험기

 

로크웰 경도는 여러 가지 압자와 하중을 조합한 스케일(scale)을 통해 가장 단단한 것부터 가장 연한 것까지 거의 모든 금속 재료를 시험할 수 있습니다. 압자로는 지름이 1.588, 3.175mm 등인 강구와 원추형 다이아몬드가 있습니다. 스케일은 아래에서 더 자세히 다루어 드리겠습니다. 우선 로크웰 경도를 측정하는 방법을 알려드리겠습니다.

 

경도 측정 방법

로크웰 경도는 초기에 미세하중을 수초간 가해준 후 주하중을 가해줍니다. 초기에 가한 하중과 주하중을 가해준 후 생긴 압흔의 깊이 차이(h)로 경도 지수를 결정합니다. 초기에 미세하중을 가해주는 이유는 시험편 표면의 거칠기나 이물질 등의 영향을 최소화하기 위해서입니다.

미세하중 10kg을 수초 가해주면 어느 정도 압흔이 생깁니다. 그 후 주하중 150kg을 가해주면 압자가 최대로 시험편에 침투하게 됩니다. 주하중을 제거하면 압흔 부분이 재료의 탄성 때문에 약간 회복하게 됩니다. 미세하중을 가했을 때 침투한 지점에서부터 주하중을 제거했을 때 침투한 깊이가 로크웰 경도로 산출됩니다.

 

스케일

주하중과 미세하중의 크기에 따라 로크웰과 가상 로크웰 두 가지 형태로 나뉩니다. 로크웰은 미세하중이 10kg이며, 주하중은 60, 100, 150kg입니다. 가상 로크웰은 미세하중 3kg, 주하중 15, 30, 45kg입니다. 가상 로크웰은 작은 하중으로 주로 얇은 시편에 행합니다. 이를 스케일로 나타낼 수 있는데 아래 표를 참고해 주시면 됩니다.

 

 

예를 들어 경도 값이 50 HRB라고 하면 로크웰 경도는 50이며, B스케일로 측정하였다는 의미입니다. 또, 70 HR30N은 30N 스케일로 측정하였으며 가상 로크웰 경도는 70을 의미합니다.

 

시험편

시험편은 시험 규격에 따라 요구하는 조건이 다르지만 너무 얇거나, 너무 시편의 가장자리에서 측정했을 경우에 부정확한 결과가 나올 수 있으므로 시편 두께는 적어도 누름 깊이의 10배가 되어야 합니다. 또 누름 위치의 중심부터 시편 가장자리까지의 간격은 적어도 3개의 압자가 들어갈 정도의 여유를 가져야 하며 다음번 측정할 누름 위치까지의 거리도 마찬가지입니다.

 

 

 

2. 브리넬 경도(Brinell Hardness)

브리넬 경도기

 

브리넬 경도 시험도 로크웰 경도 시험과 비슷하게 진행되지만 압자와 하중 등에 차이가 있습니다. 브리넬 경도의 압자는 구형의 탄화텅스텐 또는 경화강으로 지름은 10, 5, 2.5, 1mm입니다. 보통은 탄화텅스텐 10mm 압자를 많이 사용합니다. 하중은 1~3000kg이며 유지 시간은 10~30초입니다.

 

경도 측정 방법

시험 전 시험 조건으로 HBW 10/3000, HBW 5/250 등을 고를 수 있는데 HBW 10/3000를 선택했다면, W는 탄화텅스텐을 압자로 선택하였다는 의미이고 구 지름은 10mm이며 하중은 3000kg이라는 의미입니다. 참고로 경화강을 압자로 사용하였을 경우 HBS로 나타냅니다. 시험 후에는 아래와 같은 식으로 경도 값이 산출됩니다.

 

 

 

결과 값은 경도값 HBW(200 HBW)로 나타나게 됩니다. W는 위에서 설명했듯이 탄화텅스텐 압자를 사용했다는 의미입니다.

 

시험편

시험편 두께나 누름 위치 등은 로크웰과 비슷합니다. 정확한 경도 측정을 위해 시험편이 흔들리지 않게 평평해야 하며, 표면에 기름이나 이물질이 없고 매끄러운 상태여야 합니다.

 

 

3. 비커스 경도(Vickers Hardness)

비커스 경도기

 

비커스 경도는 로크웰이나 브리넬보다는 작용 하중의 크기가 아주 작아 1~1000g입니다. 압흔은 육안으로 관찰하기 어려워 현미경을 이용하여 측정해 경도 값으로 나타냅니다. 압자는 대면각이 136 ˚ 인 피라미드형 다이아몬드를 사용합니다. 두 개의 대각이 172 ˚, 130 ˚의 긴 마름모 형태의 다이아몬드 압자를 사용한다면 누프(Knoop) 경도를 측정할 수도 있습니다.

 

비커스 경도는 보통 조그마한 선정 부위의 경도를 측정하는 데 쓰이며, 용접부나 열영향부(HAZ:Heat Affected Zone)의 경도값을 측정하는 데 사용되기도 합니다. 또 코팅층처럼 얇은 부위에 누프 경도를 사용하여 경도를 측정하기도 합니다. 그리고 비커스 경도는 작은 하중을 사용하기 때문에 크기가 작거나 얇은 시편, 그리고 취성재료도 시험이 가능합니다.

 

용접부 분석, 코팅층 분석

 

경도 측정 방법

 

브리넬 경도와 마찬가지로 압흔의 크기를 통해 경도값을 측정합니다. 결과 값은 비커스 경도 : 150HV, 누프경도 : 150HK로 나타냅니다.

 

시험편

비커스 경도는 압흔이 육안으로 확인하기 어려울 만큼 작기 때문에 정확하게 확인하기 위해서는 표면을 폴리싱(=경면연마)해 깨끗하게 만들어 주어야 합니다.

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지금까지 로크웰, 브리넬, 비커스 경도에 대하여 알아보았습니다. 이 외에도 하중을 가했을 때 반발되어 튀어 오르는 높이를 이용한 쇼어경도 등 다양한 경도 측정 방법이 있습니다. 측정 목적과 소재의 특성 등에 맞는 적합한 시험 방법을 적용해 시험하시기 바랍니다.

 

 

[참고문헌]

William D. Callister, David G. Reth wisch. 재료과학과 공학(제8판). 박인규, 이재갑, 김용석, 김형준 역. 시그마프레스

기이앤티, 2014년 8월 7일, 로크웰경도시험기(Rockwell Hardness Tester),  https://m.blog.naver.com/acekp2013/220084687409

로크웰경도시험기(Rockwell Hardness Tester)