경도시험 실험조교 : 김태호 E-mail : kthkk87@naver.com 1. 실험목적중요한기계적성질중의하나로경도 (hardness) 는국부소성변형에대한재료의저항성을나타낸다. 예전의경도시험은자연광석에대하여, 한재료가다른재료에흠을낼수있는가능성을알아보기위한것이었다. 이를바탕으로연한석회를 1 로하고다이아몬드를 10 으로하는모스 (Mohs) 스케일이라는임의의정량적경도식별법이사용되었다. 정량적경도시험법은하중및속도를조절할수있는조건에서시험할재료를조그만누름자로표면을누르는방법으로수년간걸려개발되었다. 눌린자국의깊이또는크기는경도지수와관련이있어서눌린자국이크고깊을수록경도지수는더작게된다. 측정한경도값은절대적이아니라상대적의미를가지므로측정방법이서로다를경우에는주의해야한다. 이러한경도시험이다른기계적시험보다자주행해지는이유는다음과같다. 1 간단하고비용이저렴하며, 별도로시편을준비할필요가없다. 2 비파괴적인시험방법으로, 시편이파괴되거나과도한소성이일어나지않는다. 소성변형이일어난부위는단지눌린자국뿐이다. 3 인장강도와같은다른기계적성질도경도시험을통하여유추가가능하다.( 그림 1 참조 ) [ 그림 1] 강, 황동및주철의경도와인장응력간의관계. 실험자는브리넬 (Brinell), 로크웰 (Rockwell), 쇼와 (Shore) 경도시험을통해경도를측정하고경도의기본개념을이해하는것에본실험의목적이있다.
2. 실험이론 2.1 로크웰 (Rockwell) 시험법 시험이간단하고특별한기술이필요하지않으므로가장널리쓰이는경도시험법이다. 이시험법에는여러가지의누름자 (indenter) 와하중을조합함으로써사실상가장단단한것에서부터가장무른것까지모든금속과합금을시험할수있는스케일 (scale) 이있다. 누름자로는지름이 1/16, 1/8, 1/4, 1/2in.(1.588, 3.175, 6.350, 12.70mm) 인경화강구 (steel ball) 와아주단단한재료의시험을위한원추형다이아몬드 (Brale, 브레일 ) 누름자가있다. 2.1.1 시험원리규정된조건에따라누르개 ( 다이아몬드원추, 강또는초경합금구누르개 ) 를사용하여시험면에두단계하중을가한다. 초기에가한기준하중 (F 0, minor load) 과그후에가한총시험하중 (F, major load) 으로부터생긴침투깊이의차이 (h) 로경도지수를결정한다. 초기기준하중을작용시킴으로써시험의정확도를높이게되었다. 기준하중 (F 0 ) 과총시험하중 (F) 의양에따라로크웰과가상로크웰의두가지형태가있다. 1 로크웰 (Rockwell) 경도 ; Scale symbol : A~H, K 2 가상로크웰 (superficial Rockwell) 경도 ; Scale symbol : N, T ( 주의 ) 가상로크웰경도를로크웰표층경도라표기하기도한다. 로크웰경도는 h ( 깊이 ; mm) 와두상수 N ( 잣대에따른상수 ; B scale:130, C scale:100), S ( 경도잣대단위 ; B,C:0.002mm) 로부터아래식에의해구한다. HR(Rockwell Hardness) = ( 주의 ) 로크웰경도값은위의식으로측정된누르개의침투깊이의차이 (h) 로부터산출하는데, 일반적으로는측정장치에직접표시된다. [ 그림 2] Rockwell 시험의원리도
2.1.2 기호및표시 ( 그림 2, 표 1 참조 ) 1 A,C,D 잣대로로크웰경도는경도값, HR 기호, 잣대를나타내는문자순서로표기한다. 예 ) 60HRC : C 잣대로측정한로크웰경도 60 2 B,E,F,G,H,K 잣대의로크웰경도는경도값, HR 기호, 잣대를나타내는문자, 누르개의 종류 ( 강구 :S, 초경합금구 :W) 를나타내는문자순서로표기한다. 예 ) 60HRBW : 초경합금구의누르개를사용하여 B 잣대로측정한로크웰경도 60 3 N 잣대의로크웰표층경도는경도값, HR 기호, 총시험하중을나타내는숫자, 잣대를 나타내는 N 문자순서로표기한다. 예 ) 60HR30N : 30 (294.2N) 의총시험하중, 30N 의잣대로측정한로크웰표층강도 60 4 T 잣대의로크웰표층경도는경도값, HR 기호, 총시험하중을나타내는숫자, 잣대를나타내는 T 문자, 누르개의종류 ( 강구 :S, 초경합금구 :W) 를나타내는문자순서로표기한다. 예 ) 60HR30TS : 강구의누르개로 30 (294.2N) 의총시험하중, 30T의잣대로측정한로크웰표층경도 60 [ 표 1] 로크웰잣대 (Rockwell scale)
2.1.3 실험장치 ** 명칭 ** 1. 게이지 2. 핸들 3. 압자고정볼트 4. 콘 ( 다이어몬드 / 강구압자 ) 5. 앤빌 6. 스크류 7. 스크류커버 8. 스크류핸들 9. 실린더밸브핸들 ( 시험속도조정용 ) 10. 실린더 [ 그림 3] 수동로크웰경도시험기 2.1.3.1 시험기사양 1 하중기준하중 : (98.07N) 총시험하중 : (588.4, 980.7, 1471N) 2 시료최대높이 : 210mm 3 시료최대직경 : 210mm 4 본체 : 210 450 700mm 2.1.3.2 시험기특징 1 앞입깊이를직접눈으로읽을수있으므로측정시간이짧다. 2 원자재및열처리제품까지도광범위하게측정할수있다. 3 비교적연질의재료까지도정확히측정할수있다. 4 유압식으로되어있어작동, 시험하는데매우간편하다.
2.1.4 실험방법 1 앤빌하부접촉면 (5) 은오물및오일이없도록깨끗이닦아서끼운다. 2 시료 (4) 에적합한스케일을선정하고스케일에맞는누르개 ( 다이아몬드콘이나강구 ) 를끼운후추를 (60, 100, 150 ) 맞추어사용한다. ( 주의 ) 본실험에서는 B scale( 강구의누르개, 100 의추 ) 을사용한다. 3 핸들 (2) 를상부로위치시키고스케일에적합한표준시편을앤빌 (5) 에올려놓는다. 4 스크류핸들 (8) 을우측으로돌려게이지의지시침을 3회돌아갈때까지돌려소침이적색점에지시되도록한다.( 지시침의위치는중심수직선상으로부터좌우 5눈금이내에위치시킨다.) 5 게이지 (1) 를좌우로돌려 SET 위치에지시침이정확히위치하도록맞춘다. 6 핸들 (2) 을뒤쪽으로밀어시험하중을가한다.( 하중속도를실린더밸브핸들 (9) 을조절하여 8-10초로맞춘다.) 7 지시침이시계반대방향으로움직이다정지하고핸들 (2) 이정지한후핸들을앞으로당겨상부에원위치시킨후다이어몬드콘일경우흑색숫자를읽고, 강구압자일경우적색숫자로경도치를읽는다. 8 경도치를스크류핸들 (8) 을죄측으로돌려시료를빼내고다음시험을한다. 2.1.5 실험시주의사항 1 시험기에는시료와앤빌과의접촉면이평면이되도록대략적으로가공할것. 2 시료에적합한스케일의선정은참조표 1 을참고한다. 2.1.5 실험결과 시험횟수 1 2 3 4 5 평균 ( ) 흐트러짐 (R) 측정값 흐트러짐 = 최대측정값 - 최소측정값
2.2 브리넬 (Brinell) 시험법 브리넬경도라함은강구 ( 鋼球 ) 누르개를사용하여, 시험면에구형오목부를만들었을때 의하중을영구변형된오목부의지름으로부터구해진표면적으로나눈값을말하며, 다음 식으로계산한다. Brinell hardness=constant * (test force)/surface area of indentation HBW : 브리넬경도 (kg/mm2) F : 하중 (N) D : 강구의지름 (mm) d : 오목부의지름 (mm) (d=(d1+d2)/2, d1= 오목부의가로지름, d2= 오목부의세로지름 ) 단, HBW의수치에는보통단위를붙이지않는다. 2.2.2 시험편 시험편의시험면은평면이어야한다. 시험면의평면도는오목부의지름을 0.01mm까지쉽게측정할정도로되어있어야한다. 단, 6(2) 의단서일때에는 0.01을 0.05mm로할수있다. 시험편의두께는오목부깊이의약 10배이상으로한다. 어느경우나오목부가생기므로서일어난변화가시험편의뒷면에나타나지않아야한다. 오목부의깊이는다음식으로구한다. t : 오목부의깊이 (mm) P : 하중 ( ) 시험편의폭은오목부지름의약 5 배이상으로한다.
2.2.3 실험장치 [ 그림 4] 전동식브리넬경도시험기 2.2.4 실험방법 1 파워케이블을체크하고파워스위치를켠다. 2 시험강도를선택한다. 시험강도는 5 가지시험강도를선택할수있다. 시험강도 (N) 시험강도 ( ) 추의조합 1839 187.5 추걸이 2452 250 추걸이 + 1.25kg 추 7355 750 추걸이 + 1.25kg 추 + 10kg 추x1 9807 1000 추걸이 + 1.25kg 추 + 10kg 추x1 + 5kg 추x1 29420 3000 추걸이 + 1.25kg 추 + 10kg 추x5 + 5kg 추x1 본실험에서는 10mm의강구를사용하여 9807N의시험힘으로테스트를수행하기로한다. 3 시험강도의홀딩타임을설정한다.(10~15초) 4 시편을 specimen table의센터에놓고 hand wheel을부드럽게회전시켜서 specimen table을위로올린다. 5 Hand wheel이스키드에닿으면회전을멈추고 "Start" 버튼을눌러서시험을시작. 6 시험이끝난후 hand wheel을시계반대방향으로돌려서 specimen table을아래쪽으로내려서시험체를치운다. 7 홈의직경을측정한후첨부한부록1(appendix1) 과부록2(appendix2) 에나와있는표를
사용하여경도치를환산한다. 2.2.5 실험결과 시험횟수 1 2 3 평균 ( ) 측정값 2.3 쇼어 (Shore) 시험법 쇼어경도는 1906년 A.F.Shore가퀜칭처리한강에대해서는브리넬구는스트레인을일으킨다는것을알게되었으므로충격법으로경도를규정할것을제한하였다. 쇼어경도시험은일정한높이에서시험편에해머를수직으로낙하충동시켜그반발높이를기준으로하여경도값을나타낸다. 이시험기는선단에구형의다이아몬드팁 (tip) 이박힌무게약 2.4gf의해머를 254mm의높이에서낙하시켰을때퀜칭한고탄소강에서의평균반발높이를눈금판에서 100으로하였고, 연한황동에서의높이를 10으로나타내도록하였다. 그러나다이아몬드팁의형상이나해머의반발비와경도값의관계등은구체적으로밝히지않았다. 이와같이당초부터경도값의정의에모호함이있지만한편으로는시험기의조작이간편하고시험이신속하게이루어진다는점과시험기의가격이저렴하고경량이기때문에현장의검사수단으로널리보급되었다. 이장치는스크레로스코프 (scleroscope) 이라고도하며정적압입시험과는달리하중이동적으로작용한다. 정하중 : 시간이변함에따라힘의크기가변하지않는하중 ( 압입경도시험 ) 동하중 : 시간이지남에따라힘의크기가변하는하중 ( 쇼어경도시험 ) 쇼어경도시험의일반적인특징으로는시험기가적고중량이가벼워서휴대하기가용이하며, 시험편에아주적은흔적이생기기때문에완성제품을직접시험할수있다. 또, 시험편이비교적적고엷은것도측정이가능하다. 쇼어경도시험기는비교적탄성률에큰차이가없는재료를시험할때에는경도치의신뢰성이크지만, 고무와같이탄성률의차이가큰재료에서는부적합하다. 예를들면경질고무는강철보다큰쇼어경도값이나타나는모순이생길수있다. 그러나탄성률과쇼어경도값이비례되는것만은아니다. 예를들면탄소강에서 C% 에따라경도는상당히큰차이가있는반면에탄성률은대체로변화가없다.
2.3.1 시험원리 쇼어경도의측정원리는지름 ", 길이 " 의강봉 (steel bar) 의하단에지름 0.02" 의 다이아몬드볼 (Diamond bll) 을붙인작은해머 (Hammer) 를 10" 높이의유리관내에서연직 으로낙하시켜시편의표면에충돌해서탄성에의해튀어오를대에해머의상단이이르는 최고높이를관의내벽에붙여둔눈금을읽으므로서경도를경정한다. 이수치가쇼어경도 값 ( ) 이다. 쇼어경도 ( ) 란시편의표면위에일정높이 ( 낙하높이 ) 에서낙하시킨해머가 튀어오른높이 ( 반발높이 ;rebound height) 에비례하는값으로서다음과같은식으로부터쇼 어경도를결정한다. : 쇼어경도값 k : 쇼어경도를결정하기위한상수 : 낙하높이 : 반발높이 위식의산출근거는담금질한고탄소강을시편으로하고 C 형 Shore 경도계를사용하여 =10" 높이에서해머를낙하시킬때반발높이가 = 6.5" 가되었을때를 =100 으로 정하고, = 0 와의높이차이인 6.5" 를 100 등분하여쇼어경도의눈금으로정한다. 그러 므로쇼어경도의단위 1 은해머가반발하는높이 0.065" (1.651mm) 에해당된다. [ 그림 5] 쇼어경도시험의측정원리 반발높이가높을수록재료가단단하다. 경도가크다. 경도에서는경도숫자가클수록재료가단단하다. 낙하된해머의에너지는그일부가시편의변형에사용되고, 남은에너지는반발하여상승한다.
가클수록흠집이덜생긴다. 에너지보존법칙 2.3.2 시험편 시편은평면이어야한다. 시편이얇으면에너지가진동으로흡수되어경도값이제대로나오질않기때문에어느정도 ( 0.1kg ) 이상이어야한고, 시편은시편받침대의경도값의영향을받지않는두께로한다. 시편의표면거칠기가매끄러워야한다. ( - 50미만 6s, - 50이상 3s) 쇼어경도실험할때표면에서부터 4mm안쪽에경도를찍고, 다시찍을때에는찍은자리에서 1mm정도떨어져서찍는다. 연속해서 5회이상찍는다. ( 평균값을적고 0.5단위로쓴다.) 2.3.3 실험장치 쇼어경도계에서목측형 ( 目測型 ) 으로는구형인 C형이있고그것을개량한 SS형이있으며, 지시형 ( 指示型 ) 으로는 D형이있다. C형시험기는 D형시험기와비교해서구조가비교적간단하고해머가작기때문에시험편의질량에따른경도값의변화가작다는장점이있으나해머의반발높이를목측하지않으면안되기때문에숙달을필요로하고측정자에따른개인오차가나타나는결점이있다. 그래서 1970년대부터는 C형시험기에비해복잡한구조를가지고있지만, 조작이쉽고시험후반발높이가다이얼게이지눈금판에자동적으로표시되는 D형경도기를사용하고있다. D형경도기는다이얼게이지가부착됐기때문에경도를직접읽을수있어서개인오차가작다. 다이얼게이지 : 원운동을직선운동으로바꾸어서길이를측정한다. 목측형 : 눈으로직접측정 지시형 : 눈금이가리키고있는것을측정 [ 표 2] 쇼어경도계의낙하하중과거리 경도계의종류낙하거리 ( ) 해머 (hammer) 의종류 C 형 ( 목측형 ) 10 약 2.36 (g) SS 형 ( 목측형 ) 10 2.5 (g) D 형 ( 지시형 ) 약 36.2 (g) 해머의반발비와경도값의관계
명칭 : 쇼어경도시험기 모델명 : D TYPE 낙하거리 : " 형식 : 지시형 [ 그림 6] 쇼어경도시험기외관이시험기는길이가약 100mm이고직경이약 8mm인강철로된축의선단에 C Type 시험기와같은모양의다이아몬드팁 (diamond tip) 을박아해머 (Hammer) 로사용하고있다. 해머의작동과반발높이의지시장치는해머가반발하여최고높이에도달하였을때그높이에해당하는경도값이다이얼게이지 (Dial Gauge) 에나타나도록설계되었다. 2.3.4 실험방법 1 시험하기전에시편이쇼어경도시험을하기에충분한조건을가지고있는지를고려한다. 깨지기쉬운재료 ( 유리, 도자기 ) 는실험을못한다. 동적시험이기때문에경도값이시험편의크기나형상에영향을받게된다. 2 시편을준비한다. 시편의무게 : 0.1Kg이상 시편의두께 : 10mm 이상으로 20Kg 이상의충분한내력을가져야한다. 3 시편을 sand paper로연마한다. 시편의시험면이거칠경우에는경도값이저하하여정확한경도값을얻을수없다. 시험면이나시험면의뒷면은거칠기보다평면도가중요하다. 먼지나기름등이있으면해머의충격에너지를흡수하기때문에시험면과시험면뒷면은모두깨끗해야한다. 단단한재료일수록세심한연마를요한다. 4 시험기를진동이없는정반위에놓고시험기의수평조정나사를돌리면서중앙부에있는진자추가정가운데를가리키도록조정하여수평을맞춘다. 5 시험편과앤빌의먼지나기름등을깨끗이닦는다. 6 시험편은평면시편을사용하여야하며시험편을시험기의받침대위에수평 ( 기울기5 이내 ) 으로놓은후본체좌측에부착된시험편누름핸들 ( 상하로이동 ) 로측정관을내려시험편을받침대에누른다. 연직선에대한기울기가 1 이내이면경도의지시에영향은없으나, 기울기를 5 이내
로유지하는것이바람직하다. KS규격에서는 20kgf이상의힘을주어시험하도록규정하고있다. 시험편을누르는힘이불충분하면본래보다낮은경도값을나타내게된다. 7 조작바퀴핸들을우측으로돌리고있으면해머가시편의표면에떨어지는찰칵소리가나는데이때핸들에서신속히손을뗀다. 조작바퀴의회전이너무늦어지면해머의낙하개시가늦어져경도값이떨어진다. 조작바퀴의회전이너무빠르면해머의낙하위치에서이미초기속도를가지게되어경도값이높게나온다. 8 시편표면에해머가낙하한후반발되어튀어올라감과동시에다이얼게이지의경도지침이 0 으로부터최고 140 범위내에서함께돌아간다. 9 다이얼게이지의지침이가리키는눈금의수치를읽으면쇼어경도값이된다. 쇼어경도는원칙적으로 5회연속하여읽은평균값으로하는데, 명확하게측정상잘못이있을때에는, 다시측정횟수를증가시켜유효값 5개를구한다. 경도값은 0.1단위까지쉽게읽을수도있지만보통은 0.5또는 0.2단위까지측정한다. 평균값은 KS A 3251-1에따라서끝맺음하고, 정수로표시하는것을원칙으로한다. 쇼어경도는경도기호 HS, 경도값의순으로표기하고 ( 예 : HS 25, HS 51 ), 사용하는시험기가 C형또는 D형인지를명시할필요가있을경우에는, 기호 C 또는기호 D를경도기호 HS 바로뒤에첨가하여기입한다.( 예 : HSC 25, HSD 51 ) 10 시험편누름핸들을반대방향을돌려시험편의위치를변경하여같은방법으로조원이돌아가면서실험하고측정값을기록한다. 쇼어경도실험할때표면에서부터 4mm안쪽에경도를찍고, 다시찍을때에는찍은자리 1mm에떨어져서찍는다. 시험편가장자리에서의측정은시험편에대한지지가불충분해본래의경도값보다작게나오기쉽다. 시험자국의주변에서는가공경화때문에본래의경도보다높은값을얻게된다. 2.3.5 실험결과 시험기 재 측정값 모델명 낙하거리 형식 질 1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 평균
< 보고서작성시주의사항 > 1 Report 작성기간은실험날짜로부터일주일이며담당조교의 E-mail과 1공학관 522호에출력하여제출. 기간을어길경우감점처리 E-mail 제목및파일명 ( 경도실험 _A반1조_ 학번 _ 이름 ) 틀릴시감점! 2 반드시조편성시나눠준 Hand-out에기초하여작성할것. 위반시감점처리 3 보고서작성시참고한문헌이나 Internet site는참고문헌에모두표기할것 4 참고문헌은저자명, 책명, 출판사, 인용페이지순서로작성할것 ( 인터넷을참고했을경우주소기입 ) 예 ) William D.Callister, Jr.,"Fundamentals of Materials Science and Engineering", Wiley, pp. 169-174. 5 결과고찰에는반드시실험결과에대한분석이포함되어야하며다른학생과토의하는것은허용하나고찰의내용이같다고여겨질시에는두보고서모두 0점처리함. 6 로크웰, 브리넬, 쇼어경도시험을통해얻은결과를비교하고, 환산표를통해이론적인수치와도비교해보도록한다. 그결과가서로유사한값을가지는지비교하고값이다르게나왔을경우왜이러한차이가발생하였는지를적는것이고찰에반드시포함되어야함.
참조 [ 표 3] 경도시험기로크웰, 브리넬, 비커스, 쇼어경도환산표 ( ) 내의치는상용범위외의것임