[재료공학기초실험]마이크로 비커스 경도 시험 방법 - Vickers hardness test method

시험 목적

1. 경도는 시편에 하중을 가했을 때 이에 대한 저항을 말하며 오목한 자국의 영구적 깊이를 측정한다. 다시 말해 같은 무게로 하중을 가했을 때 자국의 크기가 작을수록 경도가 높다고 할 수 있다.

2. 따라서 이 시험은 외부의 힘에 의해 재료의 변형이 얼마나 일어나는 가를 알기 위함이며, 집중하중을 가했을 때 얼마만큼 변형이 일어나는지 알고 그것에 따라 재료의 단단함을 평가하는 것이다.

3. 재료의 단단한 정도의 특성과 재료의 변형 특성을 정확히 알고 그것에 맞추어 재료를 사용하기 위함이다.

4. 본 시험은 비커스 경도 시험으로 로크웰 경도 시험과는 또 다른 방법으로 시편의 경도를 정의한다.

시험 이론 및 원리

1. 비커스 경도 시험

비커스경도는 압입자를 그림 3과 같이 꼭지각 136°인 사각뿔(피라미드형) 다이아몬드를 사용하며 하중은 표 1과 같이 임의로 변화시킬 수 있다. 따라서 대단히 단단한 재료나 연한 재료도 측정이 가능하고 얇은 재료나 침탄 질화 층같이 엷은 부분의 경도를 정확하게 측정할 수 있다. 또한 압입부의 흔적이 적으므로 연마 또는 경화된 재료 경도 시험에도 적당하다.

 

그림 1 자동형 비커스 경도기

그림 2 수동형 비커스 경도기

그림 3 비커스 압입 자국

위와 같은 시험기를 이용하여 시험편에 그림 3과 같은 꼭지각 136°인 사각뿔(피라미드)형태의 다이아몬드 압입자를 시험편에 표 1 시험하중(재료에 적합한 시험하중 선정)으로 압입하고 시험하중의 제거 후에 남아 있는 표면 압입 자국의 대각선 길이를 측정하여 비커스 경도(HV)를 다음 식으로 구한다.

HV = 0.1891F/d2(N/㎟)

여기서 HV : 커스 경도 (N/㎟) 이 수치에는 통상 단위를 붙이지 않는다.

F: 하중, d: 다이아몬드 압입자국의 대각선 길이(d1과 d2)의 산술 평균(㎜)

 

2. 경도 표시 방법 및 계산 방법

1) 경도 표시 방법

640 HV 30

① ② ③

①: 경도값, ②: HV 기호, ③:작용하중(㎏f)

2) 경도 계산 방법

HV = 2Fsin{(136°/2)/d2}

HV = 1.854(F/d2)(㎏f 단위일 경우)

시험하중(N) = 다이아몬드 압입자국의 대각선 길이(과)의 산술 평균(㎜) = 다이아몬드 압입자의 대면각(136°) = 비커스 경도(통상 단위를 붙이지 않는다.)

일반적으로 시험은 10℃에서 35℃의 주변 온도에서 수행되며 제한된 조건하의 시험은 (23±5)℃에서 수행되어야 한다. 시험 하중은 다음 표 와 같이 여러 가지 종류가 있으며, 따라서 대단히 단단한 재료나 연한 재료도 측정이 가능하고 얇은 재료나 침탄 질화층같이 엷은 부분의 경도를 정확하게 측정할 수 있다.

 

시험 재료

1. 시편(시험편)

1) 시험편 준비는 예를 들어 열간 가공 또는 냉간 가공으로 인한 표면 변화를 최소화하는 방법으로 수행되어야 한다. 비커스 마이크로 경도 압입 자국은 얇은 깊이를 갖기 때문에 준비 작업 중에 특별한 예방조치가 이루어지는 것이 필요하다. 재료에 적합한 연마/전기 연마를 사용하는 것이 바람직하다.

2) 시험편 또는 층의 두께는 압입 자국의 대각선 길이에 적어도 1.5배이어야 한다. 시험 후에 시험편 뒷면에 변형이 있어서는 안 된다.

3) 작은 단면 또는 고르지 않은 형상의 시험편에 대해서는 보조 지지 장치를 필요로 할 수 있다.

4) 시편이 고르게 하기위해 사포나 글라인더로 평평하게 최대한 다듬질 한다.

시험 방법

1. 시험 과정

1) 일반적으로 시험은 10℃에서 35℃의 주변 온도에서 수행된다. 제한된 조건하의 시 험은 (23±5)℃에서 수행되어야 한다.

2) 시험 하중은 표 1에 따라야 한다.

경도 시험		저하중 경도 시험		마이크로 경도 시험
경도 기호	시험 하중 공칭값 (N)	경도 기호	시험 하중 공칭값 (N)	경도 기호	시험 하중 공칭값 (N)
HV 5	49.03	HV 0.2	1.961	HV 0.01	0.098 07
HV 10	98.07	HV 0.3	2.942	HV 0.015	0.147 1
HV 20	196.1	HV 0.5	4.903	HV 0.02	0.196 1
HV 30	294.2	HV 1	9.807	HV 0.025	0.245 2
HV 50	490.3	HV 2	19.61	HV 0.05	0.490 3
HV 100	980.7	HV 3	29.42	HV 0.1	0.980 7

표 1 시험하중 조건표

3) 하중은 10㎏f에 맞춘다.(시험 하중은 공칭값은 98.07)

4) 압입체를 정하고 시편을 올려놓는다.

5) Load time = 10sec로 맞춘다.

6) 버튼을 눌러 압입을 시행해 실험기를 작동한다.

7) 10초라는 시간이 흘러 실험이 끝나면 모니터로 압입체를 관찰한다.

8) 모니터에서 먼저 왼쪽선과 오른쪽선 그리고 압입체를 양쪽 수평이 되게 한 후 왼쪽부터 압입체의 왼쪽 점에 맞추고, 그 후에 오른쪽 선을 압입체 오른쪽 점에 닿도록 조절한다.

9) 조절이 끝나면 길이를 측정하여 값을 얻는다.

시험 결과

1. 결과 data

시험횟수	시험하중(N)	다이아몬드압입자국의 대각선 길이(㎜)		d	결과		시험방법
		d1	d2
1	98.07	0.164	0.156	0.16	724.42	707 HV 10	KS B 0811 : 2003
2	98.07	0.162	0.169	0.1655	677.07
3	98.07	0.167	0.154	0.1605	719.91

토의 사항

1. 시험 고찰

본 험에서 오차가 뚜렷이 나타났다. 오차의 원인을 생각해보면 가장먼저 시편이 생각났다. 이번 시편도 역시 로크웰 경도기 시험에서와 같이 사포를 600 방 800 방 1200방으로 넘어가면서 윗면과 아랫면을 평평하게 해주었지만 손으로 하는 거라 100% 평형을 맞추지 못한 것 같다. 또한 이번 비커스 시험은 저번 로크웰 경도 시험과 달리 값이 딱 나오는 게 아니고 사람이 직접 압입체에 길이를 측정 하기위해 손으로 거리측정기를 움직이며 측정한 것이어서 오차가 발생한 것 같다. 오차의 범위를 줄이기 위해선 시험 횟수를 조금 더 했으면 좋았는데 3번 밖에 못해 아쉬웠다. 하지만 로크웰 경도시험과 비교 해보면 압입체가 다이아몬드이기 때문에 어떤 단단한 재료도 시험할 수 있을 것 같았고, 아주 작은 시료나 얇은 재료도 측정할 수 있을 것이다.