경도 측정기, 경도 시험 종류, 시험시 주의사항

경도(硬度/hardness), 경도 측정기, 경도 측정

 

"경도란 물질의 단단함과 무른 정도를 나타내는 단위"

 

1772년에 프랑스의 R.A.레오뮈르가 긁은 자국의 크기로 굳기를 처음으로 측정하였고, 1822년에는 독일의 F.모스가 광물의 굳기를 나타내는 척도를 정하였으며 이 방법은 무른 활석에서 단단한 다이아몬드에 이르기까지 10단계의 광물을 정하고, 미지의 재료 표면을 문질러 그 표면에 자국이 생기는 것으로 굳기를 정하는 것이다. 이것을 모스경도라고 한다.

 

요즈음은 이것을 15단계로 나누어서 새로운 모스척도로 정하여, 경도 8.5, 경도 10 등으로 경도를 표시하며 표면에서 경도를 측정하는 경우가 많다. 예를 들면 금속의 열처리 효과나 금속재질의 성질이나 균질성을 조사하는 데에는 경도를 시험하는 것이 가장 좋다. 이 시험법으로는 다음과 같은 종류가 실용화되어 있다.

 

브리넬, 로크웰, 비커스경도기는 압입 경도시험기로 재료를 강하게 눌러 시험재료의 표면의 영구변형을 살피는 것이며, 쇼어경도시험기는 해머 등을 충돌시켰을 때의 반발력을 측정하는 충격경도 시험기이다.또 재료를 날카로운 도구로 굵어 할퀴기 경도를 측정하기도 한다. 광물의 굳기를 결정하는 데는 모스 경도계가 사용된다. 경도는 표준물질과 비교해서 결정하며 이것에 의해 재료의 기계적 성질은 알 수 있다.

 

 

경도 측정, 경도 시험, 경도 테스트의 종류

 

"경도 시험이란 사용하고자 하는 재료의 경도 값을 알기 위해 하는 테스트" 

 

일반적인 경도에 대한 개념은 무르다. 딱딱하다라는 경험에 바탕을 둔 것으로서 가장 일반적인 정의는 압입에 대한 저항으로 표현되나 정확한 것은 아니다 그 이유는 경도는 재료의 물리적 성질에 직접 연관이 되는 물리상수가 아니라 인위적으로 정한 공업상수이기 때문이다. 경도시험은 재료의 경도 값을 알고자 하거나 경도 값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우 또는 경도 값으로부터 시편의 가공상태나 열처리상태를 비교하고 싶은 경우에 행하기도 한다. 단순하게 재료의 경도 값을 알고자 하는 경우에는 별 문제가 없으며 적절한 시험방법을 선택하면 된다.

 

그러나 경도 값으로부터 강도를 추정하는 경우에는 그 목적이 강도의 추정이 침탄처리 등의 표면처리 된 시편이나 가공경화가 많이 일어나는 재료에 있어서 가공에 의한 표면경화가 나타난 시편은 경도 값으로부터 강도를 추정할 수 없는 것이다. 또한 경도값으로부터 시편의 가공상태나 열처리 상태등을 알고자 하는 경우에는 그에 따라 적절한 경도측정방법이나 순서를 결정해야 한다. 이러한 경우에는 대개 압입자를 바꾸거나 하중을 바꾸어서 2회이상 경도값을 측정해야 정확한 데이터를 얻을수 있다.

 

 

● 브리넬 경도시험기 (Brinell hardness)

브리넬 경도(Brinell hardness)는 지름이 D mm인 강구(鋼球)를 재료에 일정한 압력으로 누르고, 이때생기는 우묵한 자국의 크기로 경도를 나타낸다. 즉, P kg으로 눌렀을 때 지름이D mm이고, 깊이가 h mm인 우묵한 자국이 생겼다고 하면, 브리넬 경도 HB는 HB=P/πDh로 표시된다. 브리넬 경도계 시험기(BRNELL HARDNESS TESTER)는 강구의 압자를 일정한 시험하중으로 시편에 압연시켜 시험하는 브리넬 경도시험기로 열처리, 주물, 주강, 특수강 제품 금속소재 및 비철금속, 합금소재, 프라스틱, 합성수지 등의 경도시험에 편리한 측정기입니다.

 

 

● 로크웰 경도 시험기 (Rockwell hardness)

물질의 단단함과 무른 정도를 나타내는 것을 경도(Hardness)라고도 하며 이것을 나타내는 기기를 경도시험기(Hardness Tester)라한다.로크웰은 지름이 1.588 mm인 강구를 누르는 방법과 꼭지각[頂角]이 120 °, 선단의 반지름 0.2 mm인 원뿔형 다이아몬드를 누르는 방법의 2가지가 있다.전자를 로크웰 경도치 B스케일(HRB), 후자를 로크웰 경도치 C스케일(HRC)이라고 하며 로크웰은 이 양쪽의 경도 수가 직접 시험기의 다이얼에 지시된다.

      

  

● 비커스 경도 시험기 (Vickers hardness)

비커스는 대면각(對面角)이 136 °인 다이아몬드의 사각뿔을 눌러서 생긴 자국의 표면적으로 경도를 나타내며 누르는 하중을 Pkg, 표면적을 S mm2라고 하면, 비커스경도는 HV>=P /S 로 표시된다.대면각(對面角) 136°인 피라미드형 다이아몬드 압자(壓子)를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit:들어간 부분)를 만들고, 하중(荷重)을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적(表面積)으로 하중을 나눈 값으로 나타내는 경도를 비커스경도(Vickers hardness)이다.비커스경도(Vickers hardness)는 하중을 Pkg, 피트의 대각선의 길이를 dmm라 하면, 비커스굳기 H v는 H v=1.854 P/d2이 된다.피트가 닮은꼴이 되므로 하중의 크기에 관계없이 굳기의 수치가 일정해지는 것이 특징이다.피트가 아주 작으므로 시험면의 경도분포를 구하거나 금속조직의 작은 부분의 굳기를 구할 때에도 사용된다.  

  

 

● 미소 경도 시험기 (Micro Hardness Tester)

비커스가 하중을 Pkg, 피트의 대각선의 길이를 dmm라 하면, 비커스굳기 H v는 H v=1.854 P/d2이 되고 피트가 닮은꼴이 되므로 하중의 크기에 관계없이 굳기의 수치가 일정해지는 것이 특징이다.하중의 크기를 아주 작게 하면 제품의 면에서 직접 굳기를 측정할 수가 있으며 하중 1kg 이하에서 사용할 수 있는 시험기를 특히 미소라고 한다.수십 g 이하의 작은 하중(荷重)을 사용하는 경도시험기로서 경도는 하중을 바꾸면 다른 수치가 나오지만, 정사각뿔 모양의 다이아몬드 압자(壓子)를 갖춘 비커스 경도시험기는 하중이 작든 크든 거의 같은 결과가 얻어지므로 많이 사용된다.작은 결정, 아주 얇은 단단한 물체, 조직 중의 입자(粒子)의 경도, 도금 층과 같은 표면의 얇은 층, 경도의 분포 등을 조사하는 데 사용된다.

 

 

● 쇼어 경도 시험기 (Shore hardness)

쇼어는 선단에 다이아몬드를 끼운 추를 떨어뜨려 충돌해서 튀어 오른 높이로 굳기를 나타내는 방법인데, 취급이 비교적 간단하고 오목하게 팬 일이 거의 없는 특징이 있다.쇼어경도시험기는 추를 hO의 높이에서 떨어뜨리고, 튀어 오른 높이를 h라 하면, 쇼어경도 Hs는 HO>=(10,000/65)×(h /hO>)로 표시된다. 실제로는 경도 값을 판독할 수 있게 되어 있다. 표준경도를 지닌 물체를 시험하고자 할 때 물체 표면을 긁어서 자국을 내는 방법인데, 앞에서 설명한 모스의 방법이 바로 이 방법이다. 그러나 이 방법으로는 정량적인 결과를 얻을 수 없다.

 

※ 시험시 주의 사항

 

○ 시편이 너무 얇거나, 너무 시편 가장자리에서 측정했거나 누름위치를 서로 너무 가까이 했을 경우에는 부정확한 결과가 나온다. 시편의 두께는 누름깊이의 10배이상이 되어야 한다.

 

○ 누름위치의 중심에서 시편 가장자리의 간격은 적어도 3개의 누름자가 들어설 정도의 여유가 있어야한다.

 

○ 시편위에 다른 시편을 올려놓고 시험해선 안된다. 부드럽고 평평한 표면위에 누름자가 위치하도록 한다.

 

 

 

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