[재료공학기초실험]경도 실험

실험 목적

1. 경도는 기계재료의 중요한 성질중의 하나이고 주로 금속재료의 경도를 측정한다. 

2. 실험을 통하여 ‘로크웰 경도’ 와 ‘비커스 경도’ 측정방법을 익히고 각종 스케일의 경도와 비교하는 것을 목적으로 한다.

실험 이론 및 원리

1. 로크웰 경도 실험 (rockwell hardness test)

로크웰 경도는 압자를 하나 택해, 우선 기준하중으로 가압하고 이어서 시험하중을 가하면 시험편은 압입자의 모양으로 변형을 일으키게 되는데 이 때의 변형은 탄성변형과 소성변형이 동시에 일어난 상태이다. 이 상태에서 시험하중만을 제거하면 처음의 기준하중만 받는 상태로 되어 탄성변형은 회복되고 소성변형만 남게 된다. 

이 때 압입 깊이를 처음 기준하중만 가했을 때의 깊이를 기준으로 측정하면 그 깊이는 시험편의 경도에 대응하는 양을 나타낸다. 즉 기준하중과 시험하중으로 인하여 생긴 압입자국의 깊의 차로서 경도를 결정한다. 시험편이 단단하면 측정깊이는 얕고 연하면 깊게 될 것이다.

위의 그림은 로크웰 경도기에 기준하중을 가하다가 실험하중을 가하고 일정 시간뒤에 실험하중을 제거해서 기준 하중만을 가해 탄성변형부분은 다시 제자리로 돌아가고 소성변형 높이만을 경도로 측정한다.

h=h2-h3

여기서 나온 h를 경도 산출식에 대입하여 계산하면 경도를 계산 할수 있다.

 

2. 비커스 경도 실험(vickers hardness test)

∴ 비커스 경도식 : HV = F/S = 2Fsin(θ/2)/d2 = 1.8544F/d2

HV : 비커스경도, F : 시험 하중 (㎏f), S : 오목부의 표면적 (㎟)

d : 오목부의 대각선의 평균 길이(㎜), θ : 다이어몬드 압자의 대면각(136˚)

 

다이아몬드 피라미드(diamond pyramid)라고 부르는 비커스(Vickers) 경도 시험이 있다. 누름자는 피라미드형의 조그만 다이아몬드로 되어 있다. 작용 하중의 크기는 로크웰이나 브리넬보다 아주 작아 1~1000g 사이 이다. 누름 자국은 현미경으로 관찰하여 측정한 후 경도 지수로 변환시킨다. 정확한 측정을 위해서 시편의 표면 처리(연삭 및 연마)에 주의를 기울여야 한다.

실험 방법

1. 로크웰 경도 실험

⓵ 시험 하중을 선정한다 (600 100 150㎏ 있는데, 본 실험에서는 150㎏ 사용)

⓶ 입자를 선정한다. (C스케일 사용.)

⓷ 엔벌위에 시편을 올려 놓고, 엔벌 상하 핸들을 돌려 시편과 스케일을 접촉 시킨다.

⓸ 게이지를 SET에 맞춘다.

⓹ 게이지의 소침이 적색 점에 오도록 돌린후, SET점에 일치 시킨다.

⓺ 트리거를 뒤로 살짝 밀어주면 서서히 시편에 하중에 가해진다.

 

2. 비커스 경도 실험

⓵ 폴리싱된 시편을 준비한다.

⓶ 시편을 실험기구에 올린후, 레버를돌려 시편을 고정시킨다.

⓷ 실험기구 우측 아래 배율 조절 레버를 돌려 배율을 맞춘다.

⓸ 상하, 좌우 조절눈금을 0으로 맞춘다.

⓹ 컴퓨터 화면에 ‘Indent’라는 버튼을 누른다.(삑 소리날때까지 대기)

⓺ 눈금조절기로 시편이 찍힌곳을 찾는다.

⓻ 찍힌 곳을 찾으면 ‘Real Time Result’를 눌러 데이터를 측정한다.

실험 결과

1. 로크웰 경도 실험

하중 : 150㎏, 스퀘어 : C스퀘어

실험측정 결과 : ⓵ 35HRC ⓶ 35HRC ⓷ 34.5HRC

3개의 평균값 : (35+35+34.5)/3 = 34.83HRC

 

2. 비커스 경도 실험

하중 : 1000g

실험측정 결과

⓵ 544.83HV ⓶ 491.72HV ⓷ 462.04HV ⓸ 368.29HV

⓹ 353.68HV ⓺ 320.37HV ⓻ 376.11HV ⓼ 358.59HV

평균 : 409.5HV, 표준편차 : 79.6

경도값환산 : 409.5HV(비커스) → 약 41.8HRC(로크웰)

토의 사항

1. 실험 고찰

로크웰 경도 실험과 비커스 경도 실험을 통하여 경도 비교를 해보았습니다.

로크웰 경도 실험은 하중 150㎏에 C스퀘어로 실험하였고, 시편은 polishing을 조금 덜 하여서 실험을 하였습니다. polishing을 덜해서 그런지 시편의 실제 측정값은 34.5를 나와야 하는대, 오차가 조금 발생하여 3번의 실험결과 34.83 이 나왔습니다.

비커스 경도 실험은 하중 1000g에 시편은 polishing과 etching까지 한 100%베이나이트로 하였습니다. 실험결과는 총 8회 행하여 평균값은 409.5, 표준편차는 79.6이 나왔습니다. (MiniTab결과) 같은 시편으로 8회 했음에도 불구하고 일정하지 못한 결과값이 나온 이유는 실제 시편을 찍어 현미경을 통해 관찰했을 때, 시편에 기공같은 defect가 상당수 발견되었습니다. 이 defect가 마름모 모양을 제대로 형성하지 못하게 방해하여, 일정한 값이 나오지 못한것 같습니다.