[재료공학실험]Al 7075 가공조건에 따른 조직 관찰, 경도 및 충격 시험 3부

실험 이론 및 원리 - 3

4. 경도시험

기계공업상, 경도 시험은 재료의 검사방법으로 일상적으로 사용되는데도 불구하고, 경도의 개념을 경험적으로 알 수 있어도 확실히 정의하는 것은 곤란하다. 일반적으로 재료의 작은 부분에 힘을 가하여 변형시킬 때, 재료가 나타내는 저항력이라고 생각된다. 저항력이 큰, 즉 딱딱한 재료는 강도와 내마모성이 크고, 신율과 단면 수축율이 작으므로 그 기계적 성질도 추측할 수 있다. 측정방법은 사용목적, 시료편의 재질 등에 따라 여러 가지 종류가 있기 때문에 경도는 「-식 경도」로 나타내며 그 가가각의 경도에는 많은 경우, 이론적인 연관성이 없고 단위도 붙이지 않는다. 겨도라는 용어에 대한 보통 설명은 압입저항, 마모저항, 반발저항등으로 표시한다.

 

(1) 압입경도시험(indentation test)

압입경도시험은 압입체를 시험편에 누를 때의 변형에 대한 저항력의 크기를 경도값으로 나타내는 것으로 일정하중에서의 변형의 크기를 이용하느 s방법, 영구변형의 크기에 의한 방법, 일정한 크기의 압입에 필요한 하중의 크기로 표시하는 방법이 잇다. 이것은 압입체를 재료의 표면으로부터 압입하였을 때, 압입된 자국의 표면적의 단위면적당 응력으로 표시되며, 재료의 저항을 측정하는 시험이다. 압입체는 보통 구형, 피라미드형, 원추형이며, 시험하고자 하는 재료보다 훨씬 더 단단한 재료, 즉 퀜칭한 강구 또는 다이아몬드 등의 재료로 만든다. 실험적 경도수(hardness number)는 부가된 하중과 자국의 깊이 또는 단면적으로부터 계산될수 있고 대표적인 압입경도 시험에는 다음과 같은 것들이 있다.

 

1) 브리넬 경도시험(brinell hardvess test, HB)

① 브리넬 경도 - 1900년에 스웨덴의 J.A.Brinell이 발표한 것으로 홈이 비교적 큰 직경에서 수㎜로 되는 것도 있기 때문에 그 범위에서의 평귡거인 경도값을 얻을 수 있다. 따라서 소재의 수입조사 등에 대부분 활용되고 있다.

② 측정용 시료 - 시료의 두께는 홈 깊이의 8배 이상, 시험면의 확대는 다음의 규정에 적합하므로 될 수록 큰 쪽이 좋다. 홈의 직경을 d라고 하면 홈의 중심간거리는 4d 이상, 홈의 중심에서 시료의 연까지는 2.5d 이상은 되고 있는 것.

 

2) 로크웰 경도 시험(rockwell hardness test, HR)

① 로크웰 경도 - 1919년에 미국의 S.P.Rcokwell이 발료한 것으로, 자동차용 부품의 대량생산방식에 대응하여 생각해 내었기 때문에 그 측정법은 훨씬 현장향이며, 현재는 측정의 자동화가 이루어지고 있다.

② 측정용 시료 - 시료의 두께는 압자의 침입 깊이의 차 h의 10배 이상인 것. 홈의 직경을 d라고하면, 홈의 중심간 거리는 4d 이상, 홈의 중심에서 시료의 연까지의 거리는 2.5d 이상.

 

3) 비커스 경도계(vickers hardness test, HV)

① 비커스 경도 - 1925년에 영국의 R.Smith 및 G.Sandland가 발표한 것으로 홈이 직경 1㎜ 이하로 작기 때문에 생겨 올라간 제품의 주요부분의 경도를 측정할 수도 있고, 또한 시험하중을 1㎏f 이하로 한 미소경도 시험에서는 조직의 미소부분의 경도의 정확한 측정도 가능하다.

② 측정용 시료 - 시료의 두께는 홈의 대각선 길이 d의 1.5배 이상, 홈의 중심에서 시료의 연까지는 2.5d 이상의 것.

 

4) 마이어 경도시험(meyer hardness test, PM)

(2) 긋기 시험(scratch test)

시험하려고 하는 시편위에 표준물질로써 긋기 흔적을 만든다. Mohs의 경도는 다음의 표준물질을 사용한다. 1활석, 2석고, 3방해석, 4형석, 5인회석, 6정장석, 7석영, 8황옥석, 9강옥석, 10금강석

이 형식은 표준물질로 시험편에 긋기 흔적을 만드는 방법이기 때문에, 변형과 파괴가 동시에 포함되어 있는 판정기준이다. 압입식에서 같은 경도의 재료이더라도 여린 재료에서는 경도값이 낮아지는 경향이 있다.. 이 밖에도 시험하려고하는 시편위에 다이아몬드 또는 굳은 재질로서 긋기 흔적을 만들고 이때의 다이아몬드의 하중 긋기 흔적으로 폭으로 나눈값으로 경도를 표시하는 마르텐스 경도 시험계가 있다.

 

(3) 반발시험(rebound test)

쇼어의 방법과 같이 다이아몬드의 첨가를 갖는 낙하하중을 지정된 높이에서 어떤 표면에 낙하시켜 이때 반발의 높이로서 경도를 측정한다. 초기 높이와 반발 높이의 차이는 주로 타격부분의 소성변형에 소요된 에너지의 대소의 의해 결정된다고 생각된다. 이 방법에서 모순되는 것되는 것은 탄성률이 낮아도 큰 탄성 변형을 나타내는 비금속 재료는 매우 단단한 재료가 된다는 것이다. 예를 들면 고무는 큰 탄성변형능을 가지며, 압자의 압입과 동시에 접촉멵거이 넓어지며, 그결과 압흔의 크기나 반발력을 비교하면, 고무는 강보다 ‘단단하다’라는 결과가 된다. 이것을 생각하면 탄성률이나 탄성변형능의 대소도, ‘경도’의 개념에 포함되어야 한다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 경도의 개념은 불명확하지만, 다음에 설명하는 것과 같이 경도 시험은 시험체를 극히 약간 손상을 입히는 만큼으로 그 재료가 미치는 강도를 판정할 수 있는 적당한 시험방법이며, 다른 기계적 성질이나 재료의 열처리에 따르는 조직변화를 추측하는 수단으로서도 적절하기 때문에 재질 시험법으로서는 빠질 수 없을 만큼 보편적으로 실시되고 있다.

《그림 3》 로크웰 경도계의 원리도

그 중에서 로크웰 경도 시험에 대하여 설명하겠다. 정각 129°의 다이아몬드로 된 원추체(다이아몬드 콘이라고 한다)나 직경 1/16인치(1.588㎜)의 강구를 선단에 붙인 압자를 소정의 하중으로 시험편을 압입하고, 그 깊이를 직접 경도로 읽을 수 있는 방법을 로크웰 경도(Rockwell hardness) 시험이라고 한다.

다음과 같은 조작을 행한다. 시험편을 앨빌 위에 놓고, 핸들을 돌려 압자에 가까이 한다. 시료면에 압자가 접하면, 초하중용 스프링이 압축된다. 이 때 압자는 위쪽으로 움직이지만, 이것에 의해 다이얼 인디케이터의 바늘이 회전한다. 압자와 하중이 직접 접촉하도록 할 때, 초하중용 스프링에 의해 10㎏의 하중이 압자에 주어지고, 이것에 의해 압자가 약간 시험편으로 압입된다. 다이얼 인디케이터에는 보통 2개의 바늘이 있지만, 그 중 작은 쪽의 바늘은 눈금표점의 위치까지 움직이며, 이것에 의해 10㎏의 초하중이 걸린 것을 알 수 있다. 

다이얼 인디케이터의 베젤(bezel)에 맞춘다. 다음에 트리커를 조용히 돌린다. 이것에 의해 주하중이 하중축, 압자축을 거쳐서 압자에 전달되고, 압자가 압입된다. 부하속도는 오일 댐퍼로 조절된다. 규정하중이 부하되고부터 30sec 경과후에 트리거를 원 위치로 되돌리고, 주하중을 제거한다. 이 상태에서 압자는 탄성적으로 약간 상승하지만, 초하중의 10㎏만큼 만은 스프링에 의해서 하중이 걸려 있다. 이 때 장침이 가리키는 눈금을 읽어 들이면, 초하중과 시험하중으로 인하여 생긴 자국의 깊이 차 h를 나타내는데, 이것을 로크웰 경도라 한다.

 

눈금판에는 2중으로 눈금이 붙어 있다. 바깥쪽은 C 스케일, 안쪽은 B 스케일이라고 하며 C란 diamond cone을 의미하고 B란 steel ball을 의미한다. 전자에서는 150㎏, 후자에서는 100㎏의 하중이 사용된다. 만약 다이아몬드 콘 압자를 사용하고 150㎏을 부하하였을 때, C숫자가 55.5이었다고 하면, 이것을 로크웰 경도 C55.5라고 하며 HRC 55.5라고 기술한다. B스케일, C스케일은 알파벳을 연상시키므로 사용한 압자와 하중의 조합에 의해서 여러 가지의 스케일이 사용되고 여기에 알파벳의 기호를 붙여서 《표 1》과 같이 호칭한다. 단 KS에는 B 및 C가 규정되어 있다.

《표 1》 로크웰 경도의 각종 스케일

스케일	압자	예비하중 (㎏)	주 하 중 (㎏)	눈 금	비 고
A	다이아몬드	10	60	CB	초경합금 등이 매우 견고한 재료
B	1″/16 강구	10	100	C	어닐링한 강, 연강
C	다이아몬드	10	150	C	열처리강
D	〃	10	100	B	표면경화강
E	1″/8 강구	10	100	B	매우 부드러운 재료
F	1″/16 강구	10	60	B	백색 합금과 같은 부드러운 재료
G	〃	10	150	B	HRB 100 이상의 재료
H	1″/8 강구	10	60	B	매우 부드러운 재료
K	〃	10	150		매우 견고한 재료
15T	1″/16 강구 또는 초경합금구	3	15		강, 동합금의 얇은 판	다이아몬드 스폿 앤빌을 이용하여 예비하중 3㎏의 특수시험기를 사용
30T	〃	3	30
45T	〃	3	45
15N	정각 120°의 다이아몬드 콘	3	15		표면경화강
30N	〃	3	30
45N	〃	3	45

또한 《표 1》에 나타낸 것과 같이 특수시험기(Superficial 로크웰 경도계)를 사용하는 T 및 N 시리즈의 경도 표시법이 있으며, 초경합금에 대해서는 A스케일이 규정되어 있다.

문자판의 C스케일은 흑색으로 0에서 100까지, B스케일은 적색으로 30에서 130까지의 눈금이 있으며, 각 1눈금은 1/500㎜의 깊이에 상당한다. 따라서 B스케일을 사용하였을 때의 경도는 자국의 깊이를 h㎜라고 하였을 때 (130-500h)이며, C스케일의 경우는 (100-500h)로 주어진다. 한편, T,N용 시험기에 서는 (100-1000h)로 주어진다. (1눈금:1/1000㎜)

시험편의 양면은 원칙적으로 평면이어야 하며, 서로 평행하고 깨끗이 하는 것이 중요하다. 강구는 사용중에 영구변형이 생겨서 하중을 가한 방향과, 직각인 방향에서의 직경 차이가 0.01㎜를 넘는 경우는 그 강구를 사용해서는 안된다고 규정되어 있으나, 이것을 일상적으로 확인하는 것은 어려우므로 표준시료를 사용하여 그것에 기입되어 있는 것과 같은 값이 얻어지는가 여부를 조사하고, 또한 정기적으로 신품을 교환하는 쪽이 좋다.

압인자의 고정이 불완전하면 오차가 발생한다. 그러므로 압입자의 강구를 교체한 경우에는 시험기의 최대하중을 걸어 예비시험을 한 뒤에 사용한다. 시험할 때 시험편위에 자국들간의 거리는 적어도 4d 이상(d는 홈의 직경), 또한 시료의 가장자리에서 2d 이상인 것이 바람직하다.

초하중 작동시에 표준하중(10㎏)을 서서히 가한 후 지침에 눈금판의 세트점을 맞춘다. 이때 허용되는 지침의 기울기는 좌우 5눈금 이하로 하고, 이 범위를 넘어 지나치게 도는 경우는 기준하중이 과대하므로, 이것을 무효로 하고 다시 새로운 위치에서 하여야 한다.

KS에 의한 경도 수치는 정수 제 1자리로 한다. (예:HRB 31, HR 30 T 55) 단, HRC가 50이상의 경우는 소수 제 1자리를 이사삼입하여 0.5단위로 정리한다.(예:HRC 59.5)

시험편의 두께는 자국 깊이의 10배 이상이어야 한다. 이 최소 두께 t는 다음의 식에 의해 추정된다.

B스케일 t=(130-HRB)․10/500=(130-HRB)․50(㎜)

C스케일 t=(100-HRC)․10/500=(100-HRC)․50(㎜)

5. 충격시험

충격시험방법으로서 널리 이용되고 있는 것에는 샤르피 충격시험(Chrpy Impct Test)와 아이조드 충격시험(Izod Impact Test)가 있다. 이느것도 진자식이며, 진자의 흔들림 높이의 차이에서 파괴 에너지를 구하는 충격굽힘 시험이다.

(1) 아이조드 충격 시험

《그림 4》와 같이 시험편의 한쪽 끝을 노치부에 고정하고 다른끝의 노치부에서 22㎜ 떨어져 있는 위치에서 노치부와 같은 쪽을 해머로 1회의 충격으로 파단시킨다. 충격값을 파단에 요한 에너지(J) 나타낸다.

《그림 4》아이조드 충격시험의 시험편

(2) 사르피 충격시험

《그림 5》와 같이 중앙에 U또는 V형의 노치가 있는 시험편을 40㎜ 떨어져 있는 2개의 지지대로 지지하고, 노치부의 배면을 해머로 1회 타격하여 파단시킨다. 충격값은 흡수 에너지 U(J)를 노치의 원단면적 A㎠으로 나눈값 (J/㎠)으로 나타낸다.

《그림 5》 샤르피 시험편

《그림 6》 샤르피 시험기

《그림 5》와 같은 노치 시험편을 사용한다. 그 노치의 반대 측면을 《그림 6》과 같이 용량 30㎏․m의 에너지를 가진 해머로 타격하여 파단시키고, 그 때의 흡수 에너지를 구하는 방법을 샤르피 시험(charpy impact test)이라고 한다. 이 방법은 G, Charpy가 1091년에 발표한 시험법이며, 오늘날에도 널리 사용되고 있다. 

해머의 지상각도를 α, 파단후의 진상각을 β, 해머의 중량을 W, 회전중심에서 중심까지의 거리를 R이라고 하면, 흡수 에너지 E는

E=WR(cosβ-cosα)

로 주어진다. JIS에서는 노치부 초기단면적(0.8㎠)에서 E를 제외한 값(㎏․m/㎠)을 샤르피 충격값이라고 표시하는 것으로 하고 있다. 이 때 소수값은 사사오입하여 1자리까지의 수치이다. 또한 E값을 샤르피 흡수 에너지라고 하여 이용하는 경우도 있다.

시험기의 용량은 WR(cosβ-cosα)로 주어진다. 보통은 30㎏․m의 것을 사용하지만, 강인한 강에 대하여는 50㎏․m또는 더욱 소량의 시험기가 사용되는것이 있다. 단 이들의 경우는 결과의 표시 때 사용한 기계의 용량을 명시해야 한다. 즉, 타격속도는 {2gR(1-cosα)}1/2(g)는 중력의 가속도)로 주어지지만, 타격속도가 변화하면 파괴기구가 다르거나, 흡수 에너지에 차이를 만들기 위해서이다. 표준형 시험기의 타격속도는 약 5m/sec이다.

 

(3) 흡수 에너지(Absorbed Energy)의 계산식

U = WR(cosβ-cosα) - U0

W : 해머의 중량, R : 해머의 회전축 중심에서 중심까지 거리

α : 해머를 들어 올리는 각,β : 파단후의 상승각

U0 : 시험기의 베어링 마찰, 공기저항 등에 의한 손실 에너지

샤르피 충격값 : E = (U-U0)/A

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