[재료공학실험]비커스경도계를 이용한 경도 및 파괴인성 측정

실험 목적

설계에 있어서 사용 환경예 따른 여러 요인이 작용하고 있겠으나, 일반적인 추세는 보다 저렴한 재료의 사용이 요구되어지고 있으며, 재료의 경량화 또한 요구되어지고 있다.

새로운 재료의 개발에 있어서 여러 가지 실험방법을 통해 재료를 평가해야 하는데 본 실험에서는 비커스 경도시험기를 통해 경도 및 파괴인성을 측정하는 실험을 통해 비커스 경도시험기의 사용방법 및 기본원리에 대해서 이해하도록 한다.

실험 이론 및 원리

1. 경도(hardness)

금속의 단단한 정도를 나타내는 값입니다. 측정법에 따라 다양하며, 측정방법으로는 강구나 다이아몬드 입자를 시험편에 눌러서 생긴 깊이로 나타내는 방법이나 긁는 방법이 있습니다. 경도는 이들의 방법에 의한 재료의 변형저항을 나타내는 것으로 말할 수 있습니다. 주요한 경도시험에는 브리넬 경도, 비커스 경도, 로크웰 경도, 쇼어 경도, 긁기 경도 등이 있고 각각의 시험방법은 표준화되어 있습니다.

 

2. 강도(strength)

재료에 하중이 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 합니다. 인장강도·압축강도·굽힘강도·비틀림강도 등이 있습니다. 인장강도는 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정하며, 압축강도는 짧은 기둥모양의 시료에 축방향으로 압축하중을 가하여 측정합니다. 비틀림강도는 둥근 기둥모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산에 의해 구합니다. 파단에 이르지 않는 경우라도 응력, 변형, 시간의 관계를 적당히 규정하는 일도 있습니다. 예를 들면, 크리프 강도, 피로 강도 등입니다.

경도는 금속의 단단한 정도이며 강도는 금속의 파괴되기까지의 변형저항입니다.

 

3. 136°

비커스 경도시험의 압입조건의 최적화를 위하여 Steel Ball이 아닌 Diamond Pyramid 압입자를 사용합니다. 이를 사용하면 압입깊이가 다르더라도 압입자국은 항상 상사형이고 경도는 압입자의 대면각에 의존하기 때문입니다. 

비커스경도는 브리넬경도와 일치시키기 위하여 압입자국의 지름‘d'와 Steel Ball지름 ’D'의 비를 0.375(=d/D)로 하였습니다. 이때 해당하는 자국의 접선 사이의 각은 다음 과정으로 구합니다.

∠ACB = θ = 대면각

∠AOH = ∠BOH, Oc=일정, OA=OB=D/2

∴ ΔOAC ≡ ΔOBC

ΔOBH에서 OB=D/2, BH=d/2

∠BOH = 90-θ/2

sin(90-θ/2) = (d/2)/(D/2) = d/D = 0.37 ≒ 136°

 

4. Steel Ball과 Diamond Pyramid 압입자국의 차이

Steel Ball과 Diamond Pyramid는 압입자국의 생성에서도 차이가 있습니다.

Steel Ball의 경우에는 압입자에서 안쪽으로 끌어들이려는 힘이 발생합니다. 따라서 접촉표면을 잡아당기려는 힘이 발생하여 접촉표면이 아닌 그 주변에서 파괴가 일어나게 됩니다. 쉽게 설명하자면 부드러운 표면[ex)침대, 손바닥 등등]을 손가락으로 누르면 누르는 부분의 주변을 따라 움푹 들어가는 것을 볼 수 있는데 이것과 비슷한 모양으로 파괴가 일어나게 됩니다.

Steel Ball

Diamond Pyramid의 경우에는 압입자에서 바깥쪽으로 밀어내려는 힘이 발생합니다. 따라서 접촉면을 직접적으로 밀어내어 그 부분에서 파괴가 일어나게 됩니다. 압입자의 모식도는 다음과 같습니다.

Diamond Pyramid

 

5. 인성(toughness)

재료의 파괴에 대한 질긴 정도를 인성이라고 합니다. 파괴까지에 가해진 단위 체적당의 에너지로 표시됩니다. 즉 단순히 파괴에 요하는 응력이 클 뿐이 아니라 파괴에 이르는 변형량(비틀림)이 크고, 흡수 에너지가 큰 것이 인성이 강합니다. 단일 재료에서는 응력과 비틀림이 함께 큰 것은 적고, 상이한 특성이 있는 2개의 재료를 조합한 복합 재료가 인성이 강합니다. 인성이 크기 위해서는 극한강도와 연성이 크지 않으면 안 됩니다. 인성의 측정에는 노치를 가공한 충격시험편을 사용하는 경우가 많습니다.

 

6. 강도(strength)

재료에 하중이 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 합니다. 인장강도·압축강도·굽힘강도·비틀림강도 등이 있습니다. 인장강도는 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정하며, 압축강도는 짧은 기둥모양의 시료에 축방향으로 압축하중을 가하여 측정합니다. 비틀림강도는 둥근 기둥모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산에 의해 구합니다. 파단에 이르지 않는 경우라도 응력, 변형, 시간의 관계를 적당히 규정하는 일도 있습니다. 예를 들면, 크리프 강도, 피로 강도 등입니다.

인성은 재료의 질긴 정도이며 강도는 재료가 파괴되기까지의 변형저항입니다.

 

7. 슬라이드글라스

광학현미경 관찰할 때 사용되는 기구로, 시료를 올려 놓기 위한 직사각형 모양의 투명한 판유리입니다. 간단히 슬라이드라고도 합니다. 임상검사나 의학·생물학 연구에는 생물시료를 고정시키고 파라핀 등에 묻혀서 얇은 절편으로 만든 것을 붙이거나, 검액 등의 시료를 직접 올려놓고 현미경으로 검사하는 데에 사용합니다. 보통 이들 시료는 커버글라스로 덮습니다. 사한 경도 값(붕규산 글레스): 410HV (kgf/㎟)

 

실험 결과

1. 결과 분석

기계로 측정된 HV=399.9HV (kgf/㎟)

HV = P/A = 작용하중/압입된 자국의 표면적

A= 표면적= 4×(St/2) = 4×(S/2)2cosec(θ/2)

HV = 2Psin(θ/2)/d2 = 1.8544P/d2(㎏f/㎟) = 1.8544×㎏f/(68.1×10-3)2 = 399.86HV(㎏f/㎟)

 

d= 압입된 피라미드 자국의 대각선 길이, θ= Diamond Pyramid의 대면각

P= 작용하중, HV= 비커스 경도

 

압력으로 변환	조사값	측정값	계산값
압력 = (**값)×{9.81m/s2/(1m/1000㎜)2}	4100 MPa	3923 MPa	3922 MPa

 

오차	측정값	계산값
(조사값-**값)/조사값×100	2.463%	2.473%

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 비커스경도계를 이용하여 슬라이드글라스의 경도를 측정해 보는 것이었습니다. 실험에 앞서 기본 이론을 습득해야 했습니다. 경도, 강도, 인성의 차이점, Diamond Pyramid의 대면각이 136°인 이유, 압입자의 모양에 따른 압입자국모양의 차이 등을 조사하고 이해하였습니다.

 

조사한 바에 의하면 실험에 사용한 슬라이드글라스(붕규산글라스)의 HV값은 410 이었습니다.

총 7번의 실험을 하였습니다.

 

실험 결과 측정된 HV값은 399.9였습니다. HV값의 단위는 ㎏f/㎟입니다. 하중을 단면적으로 나누어주기 때문입 니다. 압입자국은 사진처럼 다이아몬드모양으로 나왔습니다. 대각선의 길이는 68.1㎛입니다. 이 값으로 HV값을 계산해 보았더니 값이 399.86이 나왔습니다. 측정값과 거의 비슷한 값이 나왔습니다. 측정값과 계산값을 각각 실제값(조사값)과 비교하여 오차를 계산해 보니 오차가 각각 2.463%와 2.473%가 나왔습니다. 3가지 값들을 압력단위(N/m²)으로 환산도 해 보았습니다. 환산된 값은 위의 표에 정리되어 있습니다.

 

오차의 원인으로는 여러 가지가 있습니다. 첫 번째로 길이측정이 사람마다 다를 수 있습니다. 두 번째로 사용된 슬라이드글라스의 경도값이 항상 일치하지 않습니다. 이는 만들어지는 과정에서 충분히 변할 수 있는데 슬라이드글라스가 만들어지는 온도, 습도, 시간, 배합비율 등 여러 가지 요인이 있기 때문입니다. 

세 번째로 실험반복으로 인하여 실험에 사용 되는 압입자에 손상이 있을 수 있습니다. 기계재료공학을 들으면서 경도시험에 관한 내용을 발표한 적이 있습니다. 그땐 어렵고 힘들게만 느껴졌던 경도시험이 이렇게 직접 해보니 이해하는데 많은 도움이 되었습니다. 기회가 된다면 다른 경도시험들도 같이 시행하여 그 값들을 비교해 보면서 어느 방법이 더 효과적인지 알아보고 싶습니다.