[재료공학기초실험]브리넬 경도 시험(Brinell hardness test)

실험 목적

경도 값으로부터 강도를 추정하는 경우에는 그 근본목적이 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 경도 값으로부터 시편의 가공 상태나 열처리 상태 등을 알고자 하는 경우에는 그에 따라 적절한 경도측정방법이나 순서를 결정해야 한다.

이러한 경우에는 대개 압입자를 바꾸거나 하중을 바꾸어서 2회 이상 경도 값을 측정해야 정확한 데이터를 얻을 수 있다. 브리넬 경도시험은 피 측정물에 압자를 눌러서 이때의 하중과 하중에 의해 발생하는 압입자국을 사용하여 측정하는 방법이다.

경도는 기계부품으로서의 재료가 구비해야만 하는 중요한 성질 중의 하나로서, 이 시험을 통해 간단히 측정할 수 있고, 경도를 사용하여 다른 기계적 성질을 대략적으로 추정하는 것을 목적으로 한다.

실험 이론 및 원리

1. 측정 원리

구형의 압입자를 일정한 하중으로 시편에 압입함으로써 경도 값을 측정하는 방법이다. 이 방법은 압입자의 크기뿐만 아니라 통상 실험 하중도 다른 경도 시험에 비해 크기 때문에 얇은 부품, 특히 표면만의 경도를 알고자 하는 경우에는 적합지 않으며 주물제품 등 비교적 불균일하고 현상이 큰 재료의 경도 측정에 주로 사용된다.

이 실험법은 여타의 압입 경도 실험과 마찬가지로 부하속도와 하중유지 시간에 따라 경도 값이 달라지므로 이를 고려해야 한다. 특히 하중 유지시간의 경우에는 그 변화에 따라 경도 값도 많이 달라지므로 대체로 10~15 2초를 그 표준조건으로 잡고 있다. 또한 시편의 표면의 압입자국을 정확하게 측정하기 위해서는 경도 실험의 전 과정으로서 반드시 표면의 마무리 작업을 거쳐야 한다.

브리넬 경도 실험은 지름이 D㎜인 강구 압자를 재료에 일정한 시험 하중으로 시편에 압연시켜 시험기로서 P㎏으로 눌렀을 때 지름이 D㎜이고, 깊이가 h㎜인 우묵한 자국이 생겼다고 하면 브리넬 경도로 표시된다.

 

2. 계산식

브리넬 경도 강구 또는 초경 합금구의 누르개를 사용하여, 시험면에 구형의 오목부를 만들었을 때의 시험 하중과 오목부의 지름에서 구한 오목부의 표면적으로부터 다음 식으로 산출한다. 오목부의 지름은 시험 하중을 제거한 후 서로 직각을 이루는 2방향에 대하여 측정하고, 원칙으로 0.01㎜까지 읽는다. 다만, 특히 지정된 경우는 0.05㎜까지의 읽음으로 지장이 없다.

브리넬 경도는 오목부의 2방향의 지름 측정치의 평균치를 이용해서 산출한다. 평균치는 KS B 0021(수치의 맺음법)에 따라서 ㎜단위로 소수점 이하 두 자리로 끝맺음한다. 경도치는 그 수가 50을 초과하는 경우에는 한 자리까지, 또 50 이하의 경우는 소수점 이하 한 자리까지로 하고, KS B 0021에 따라 끝맺음한다.

브리넬 경도 측정

HB(브리넬 경도값) P/A = P/πDh = - P : 작용하중 (㎏f) - h : 압입 자국의 최대길이 (㎜) - D : 강구(Steel ball)의 직경 (㎜) - A : 표면적 (㎟) - d : 압입 자국의 직경 (㎜)

3. 특징

① 한번만 찍어내므로 시편의 윗면의 상태에 의하여 측정치에 큰 오차가 없다.

② 측정 시간이 비교적 길다.

③ 커다란 압입 자국을 얻으므로 불균일한 재료의 평균적인 경도 값 측정이 가능하다.

④ 간단한 장치로 현장에서의 경도 측정이 용이하다.(주물 제품 경도 측정이 용이)

⑤ 다른 경도 시험에 비하여 표면 긁힘이나 거칠기에 덜 영향 받는다.

 

4. 경도값의 표시

예) 75 HBW 10/500/30

- 75 : 브리넬 경도값

- HB : 브리넬 경도 표시 (Hardness of Brinell)

- W : 볼 재질(텅스텐 카바이드)

- 10 : 지름 압자 (10㎜)

- 500 : 가한 힘(시험 하중)- 500㎏

- 30 : 시험 하중 유지 (30초)

실험 기구 및 장치

1. 실험 장비

1) 브리넬 경도기

전체 사진

장치 개념도

 

2) 브리넬 경도기 (DTB-600)

제품 모델

•회사명 : DeakyungTech •모델명 : DTB-600 •하중유지시간 : 디지털 타이머(설정된 시간을 자동제어) •시험하중 : 500, 750, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000㎏f •최대시험높이 : 175㎜ •기계크기 : 470×600×1140㎜ •중량 : 약 120㎏ •전원 : AC 220V •표준부품 계측현미경 1EA,앤빌 2EA (V.평), 강구압자 2EA(10㎜, 5㎜),예비강구 5EA(10㎜, 5㎜), 비닐카바 1EA, 표준시편 별매, 철재함 1EA

 

브리넬 경도시험에 사용되는 시험기는 KS B 5524(브리넬 경도 시험기)에 적합한 것이어야 하며, 시험기는 그 주요부의 분해. 재조립 또는 모양을 바꾼 경우에는, 다시 KS B 5524 의 정밀도에 적합한가를 확인한다.

전항에 해당되지 않을 경우에도, 사용 빈도에 따라 일정 기간마다 KS B 5524의 적합한가를 확인하며, 필요에 따라 시험기의 총합 오차의 점검을 경도 기준편을 정밀도에 이용해서 시행하는 것이 바람직하다. 특히 오목부의 계측 장치는 바르게 조정되어 있는가를 자주 확인하는 것이 좋다.

누르개는 하중을 가하는 방향과 이것에 직각 방향과의 지름의 차가 0.01㎜을 초과한 경우에는 사용하여서는 안 되며, 특히 경도가 높은 재료의 시험에 사용한 후에는 누르개의 변형에 충분히 주의하여야 한다.

시험기는 충분히 안정되게 고정시켜, 누르개의 부착축을 수직으로 해서 사용 한다. 강구 누르개는 HBS 450을 초과하는 시료에 사용해서는 안 된다. 또한, 초경 합금구 누르개는 HBW 650을 초과하는 시험편에 사용해서는 안 된다. 누르개의 지름과 시험 하중의 크기는 다음 표의 조합이 어느 하나에 따른다.

어느 조합에 따를 것인가는 재료의 종류 및 경도에 따라서 정하며, 오목부의 지름이 될 수 있는 한 0.20~0.60 D의 범위가 되도록 조합하는 것이 적당하다.

 

누르개의 지름 D㎜	시험 하중 F kN(㎏f)	경도 기호	참고 적용재료(브리넬 경도)
10	29.42{3000}	HBS(또는 HBW) (10/3000)	강 주철(140이상) 동 및 동합금(200을 초과하는 것)
5	7.35{750}	HBS (또는 HBW) (5/750)
10	14.71{1500}	HBS (또는 HBW) (10/1500)	-
10	9.807{1000}	HBS (또는 HBW) (10/1000)	주철(140미만), 동 및 동합금(35~200),경금속 및 경금속의합금
10	4.903{500}	HBS (또는 HBW) (10/500)	동 및 동합금(35미만) 경금속 및 경금속의 합금

누르개의 지름과 시험 하중의 조합

 

2. 실험 재료

시험면은 원칙으로 평면으로 하며, 시험편은 충분한 두께의 것으로 하며, 원칙으로 오목부가 생김으로서 그 뒷면에 변화가 나타나지 않아야 한다.

시험편의 두께는 일반으로 오목부의 깊이 h의 8배 이상으로 하며, 오목부의 깊이 h㎜를 구할 때는, 다음 식을 사용하여도 좋다.

또는 h= 0.102F(2)/πD HBS(또는 HBW)

시험 하중 F의 단위가 ㎏f 의 경우에는, 오목부의 깊이는 다음의 식으로 산출한다.

 

h= F/πD HBS(또는 HBW)

 

시험면의 다듬질은 오목부 지름의 1%까지 측정할 정도로 매끄러워야 하고, 그 면에는 스케일, 이물질, 유막 등이 없어야 한다. 그리고, 시험면의 다듬질은 경도의 변화가 되도록 적은 방법으로 하여야 한다.

 

시험편과 압흔 확인

브리넬 경도시험 시료

확대경(×20)을 이용한 압흔 확인

실험 방법

1. 실험 과정

1) 시험편을 시험기에 올려놓고 지지대를 계속 올려서 압입자와 시험편이 닿았을 때 힘을 가해서 조금 더 올려주고, 하중을 유지하는 시간과 하중을 확인한다.

2) 스타트 버튼을 누르고, 하중 1000㎏f를 유지한 후, 하중이 0㎏f까지 돌아갈 때까지 기다린다.

3) 압입자국이 나면 20배율 확대경으로 압입자국의 지름을 측정한다.

4) 대물결 눈금을 정 위치로 놓고 압입부의 지름을 읽는다.

5) 이때의 압입부의 직경은 0.01㎜까지 읽는 것을 원칙으로 하나 별도의 지정이 있을 때에는 왼쪽 그림과 같이 직경 0.05㎜까지 읽을 수 있다.

6) 측정방향은 직교하는 두 방향에 대하여 3회 반복 시험하여 평균값을 취하며 측정된 압입부의 직경에 따라 환산표를 참조하여 환산 경도 값을 측정하거나 관계지식에 표시한 공식에 따라 계산 경도 값을 산출하며 산출된 경도 값은 그 수치가 50이하일 때에는 소수점 이하 한 자리까지, 50을 초과할 때에는 한 자리까지 구하고 다음 자리의 수치를 반올림한다.

실험 결과

1. 결과 data

	1차 시험	2차 시험	평균
압입부의 직경(d)	4.5㎜	4.5㎜	4.5㎜
브리넬 경도값(HB)	HB59.513	HB59.513	HB59.513

1) P(작용하중) = 1000㎏f

2) D(강구(Steel ball)의 직경) = 10㎜

 

토의 사항

1. 실험 고찰

두 번의 실험에서 압입부의 직경이 4.5㎜로 동일한 값을 얻을 수 있었다. 여러번의 실험을 통해서가 아닌, 두 번의 실험으로 얻은 결과값이기 때문에 신뢰도는 떨어지지만 값의 차이가 없으므로 브리넬 경도값의 평균을 쉽게 구할 수 있었다.

시편의 재질	브리넬 경도(HB)	P/D2
강	-	30
주철	140, 140	10, 30
동 및 동합금	35, 35-200, 200	5, 10, 15, 30
경 합금	35-80, 80	5, 10

위의 표는 브리넬 경도값과 P/D2에 대한 시편의 재질을 나타낸 표로서, 여기서 P는 시험하중(㎏f)이고, D는 압자의 직경(㎜)이다. 실험을 통해 구한 브리넬 경도값이 HB59.513이며, P가 1000㎏f이고 D가 10㎜이므로 P/D2값은 100이 나오게 된다. 따라서, 시험편의 재질은 동 및 동합금 또는 경합금임을 위의 표를 통해 알 수 있다.

 

2. 결론

브리넬 경도계는 압입자의 크기뿐만 아니라 통상 시험 하중도 다른 경도 시험법에 비해 크기 때문에 얇은 부품, 특히 표면만의 경도를 알고자 하는 경우에는 적합지 않으며 주물제품 등 비교적 불균일하고 현상이 큰 재료의 경도 측정에 주로 사용되는 경도계이다.

브리넬 경도계로 측정을 한 결과 HB59.513이라는 값이 얻을 수 있었는데, 이를 통해 위에서 시편의 재질을 동 및 동합금 또는 경합금으로 유추할 수 있었다. 하지만, 재료의 정확한 재질을 모르기 때문에 이론값을 얻을 수 없어서, 비교를 할 수 없다는 것이 아쉬웠다.

 

참고 문헌

1. 공업재료가공학 3판, 피어슨에듀케이션코리아 P.51~53

2. 재료시험, 도서출판청호, P.139~151

3. 재료강도시험법, 두양사, P59~75