[재료기초실험]탄소함량에 따른 미세조직, 경도, 인장강도

광학현미경

1. 광학현미경

사물에 빛을 비추어 사물을 통과한 빛이 대물렌즈에 확대된 실상을 맺은 후 접안렌즈를 통해 재 확대하여 사물을 관찰할 수 있게 해주는 장치를 의미한다. 이 현미경은 전자현미경보다 확대배율, 분해능에서는 성능이 뒤쳐지지만 생물을 건조하지 않고, 살아있는 채로 관찰할 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 현미경이라 하면 광학현미경을 의미하는 경우가 많으며, 그 외의 현미경으로는 자외선현미경, 적외선현미경, 형광현미경 등이 있다.

2. 미세조직 

저탄소강x100                                               저탄소강x200

중탄소강x100                                          중탄소강x200 

펄라이트 : 시편의 검은 부분, 페라이트 : 시편의 흰 부분

 

광학현미경으로 저탄소강, 중탄소강을 보면 저탄소강은 중탄소강에 비해 페라이트가 많고 중탄소강은 저탄소강에 비해 펄라이트가 많다.

경도 - 비커스, 로크웰

1. 비커스 경도기

공업재료 등의 경도를 나타내는 기준의 하나. 대면각 136˚인 피라밋형 다이아몬드 압자(자국)를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit)를 만들고, 하중을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적으로 하중을 나눈 값으로 나타낸다. 하중을 P㎏, 피트의 대각선의 길이를 d㎜라 하면, 비커즈 경도 Hυ는 Hυ = 1.854 P/d2이 된다. 피트가 닮은꼴이 되므로 하중의 크기에 관계없이 경도의 수치가 일정해지는 것이 특징이다. 하중의 크기를 아주 작게 하면 제품의 면에서 직접 경도를 측정할 수가 있다. 또 하중 1㎏ 이하에서 사용할 수 있는 시험기를 특히 미소경도 시험기라고 한다. 피트가 아주 작으므로 시험면의 경도분포를 구하거나 조직의 작은 부분의 경도를 구할 때에도 사용된다.

저탄소강

중탄소강

2. 로크웰 경도기

지정된 형상의 강구슬 또는 다이아몬드 원추 압자를 이용하여 최초에 기준하중을 가하고, 다음으로 시험하중까지 하중을 증가시킨 후, 최초의 기준하중으로 되돌아온다. 이 전후 2회의 기준하중 시에서 움푹 패인 깊이의 차로 정의되는 경도를 말한다. B경도와 C경도가 규정되어 있으며, 경도기호는 HR을 사용하고, 스케일(육안)기호, 경도의 순으로 표시한다.

비커스 경도기는 디지털 방식이고 오차범위가 작은 반면 로크웰 경도기는 아날로그 방식이고 오차범위가 크다.

인장 강도

1. 그래프

2. 0.2offset 항복강도

구리나 알루미늄과 같은 몇몇 FCC 금속에서는 항복점이 분명하게 정해지지 않다. 따라서 이러한 재료에서는 실용적인 항복강도의 정의를 0.2%의 소성변형이 생긴 때의 응력값으로 규정한다. 이 값을 0.2% offset 항복강도라고 한다. 즉 곡선의 모양을 가지는 Strain- stress 그래프에서 초기의 직선부에 평행한 선을 그어 변형도축상의 0.002되는 덤을 통과하게 하고 이때 직선과 곡선의 교점이 0.2% offset 항복강도이다.

 

3. 최대인장강도(UTS)

인장 하중에 의해서 시료편이 끊어질 때까지의 최대응력이다. 재료의 세기를 나타내는 힘으로, 재료가 절단되도록 끌어당겼을 때 견뎌내는 최대 하중을 재료의 단면적으로 나눈 값을 말한다.

 

4. 연신율(Elongation)

인장 시험에 있어서 파단 후의 시험편을 맞대고, 표점 사이의 변형량을 구해서 이것을 %로 나타낸 것이다. 또, 시험편이 국부적인 수축을 일으키지 않고, 일률적으로 늘어 날 때까지의 연신을 균일 연신율이라고 한다. Elongation=ΔL/L0×100이고 L0=25㎜, Lf(저탄소)=35, Lf(중탄소)=28 일때 저탄소의 연신율은 40%, 중탄소의 연신율은 12%으로 중탄소강의 연신율이 저탄소의 연신율보다 낮게 나온다.

 

중탄소강의 항복강도와 최대인장강도(UTS)는 저탄소강보다 더 높게 나온 반면 연신율(Elongation)은 더 낮게 나왔다.

 

참고 사항

Elongation=ΔL/L0×100

L0=25㎜, Lf(저탄소)=35, Lf(중탄소)=28

σe: Engineering stress e: Engineering strain

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 탄소함량에 따라 저탄소강, 중탄소강으로 나누어서 미세조직, 경도, 인장강도를 측정하여 비교하는 실험이다.

 

광학현미경으로 관찰하기위해 탄소강들을 폴리싱과 애칭을 하였다. 폴리싱을 통해 금속의 면을 최대한 미세하게 만들었다. 관찰이 용이하게 하기위해 애칭을 하였는데 이번 실험에서는 5%의 질산과 95%에탄올이 함유된 나이탈 애칭액을 사용하였다.

 

광학현미경으로 미세조직을 관찰 및 비교한 결과 저탄소강은 중탄소강보다 페라이트가 많고 중탄소강은 저탄소강보다 펄라이트가 많은걸 관찰할 수 있다. 이것을 통해 탄소의 함유량이 많을수록 펄라이트가 많다는 것을 알 수 있다.

 

경도를 비교한 결과 중탄소강이 저탄소강보다 경도가 크게 측정되었다. 이를 통해 탄소함유량이 많을수록 경도 값이 크다는걸 알 수 있다.

 

인장강도를 비교해보면 대체적으로 중탄소강이 저탄소강의 인장강도보다 크게 측정되었으나 연신율(Elongation)에서는 저탄소강이 중탄소강보다 크게 측정되었다. 따라서 탄소의 함유량이 많을수록 인장강도가 크고 연신율(Elongation)은 작은 것을 알 수 있다.