[재료공학기초실험]세라믹의 경도와 인성의 측정 1부

실험 목적

1. 다이아몬드제 피라미드 형상의 입자를 사용하는 DVK-2S Hardness Tester 를 사용하여 재료의 경도를 측정한다.

2. 세라믹 재료에서 균열전파에 대한 저항을 나타내는 물성인 파괴인성을 DVK-2S Hardness Tester를 이용하여 IF법으로 나타낸다.

 

실험 이론 및 원리

1. 경도

경도란 일반적으로 물체의 굳고 무른 정도를 말한다. 이것을 수량으로 나타내기는 곤란하므로 보통 굳기시험기에 의한 측정값을 사용하는데, 굳기시험기의 종류에 따라 각종의 굳기가 정의된다. 일정한 하중 아래서 가압침에 의해 생기는 깊이, 하중을 움푹하게 패인 면적으로 나눈 값으로 나타내는 굳기로 정의 될 수 있으며, 특히 패인 깊이 등은 시험 재료의 항복강도 뿐만 아니라 가공경화의 정도에도 좌우된다. 하중을 차례로 변동시켜 하중 0 에 외삽한 굳기를 사용하면 물리적 의의도 비교적 명확하고 항복강도와 비교할 수 있는 값이 된다고 가정한다. 

광물 등의 경우에는 활석, 석고, 방해석, 형석, 인회석, 정장석, 수정, 황옥, 강옥, 다이아몬드 등과 같은 10가지 광물로 차례로 긁어 상처가 생기면 그 광물보다 굳기가 낮은 것으로 정하는 모스굳기가 사용된다. 입자살, 전자기파의 경우에는 물질에 대한 투과력의 정도를 나타내는 것으로서, 우주선의 굳은 성분, 무른 성분 또는 굳은 X선, 무른 X선 등의 분류가 이루어진다. 그리고 굳기라는 용어는 고체의 변형하기 힘든 정도를 나타내는 뜻으로도 쓰이는데 이 때는 영어로 rigidity라고 나타낸다. 재료의 굳고 무른 정도를 시험하는 장치를 굳기시험기(hardness-testing machine)라고 한다.

또한, 경도는 단단한 물체의 침입에 대한 저항성으로 정의된다. 경도는 압입식, 긁기식,반발식 등 여러 가지의 방법으로 측정이 가능하다. 이번에 실험한 것은 압입식으로 다이아몬드제 피라미드 형상을 사용하여 압입한 뒤 그 압입 흔적의 깊이나 면적으로 경도를 측정하는 방법이다. 비커스 경도 시험기에 대해서 알아보면 비커스 경도시험기는 대면각 136°인 피라미드형 다이아몬드 압자를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(들어간 부분)을 만들고 하중을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적으로 하중을 나눈 값으로 나타내는 경도를 비커스 경도이다. 

비커스경도는 하중을 p㎏ 피트의 대각선의 길이를 d㎜ 라 하면 비커스경도 Hv=1.854 P/d2이 된다.피트가 닮은꼴이 되므로 하중의 크기에 관계없이 면에서 직접경도를 측정할 수가 있다. 또 하중 1㎏ 이하에서 사용할 수 있는 시험기를 특히 MICRO HARDNESS TESTER라고 하며 피트가 아주 작으므로 시험면의 경도분포를 구하거나 금속 조직의 작은 부분의 경도를 측정할 때에도 사용된다.

 

2. 경도 시험의 종류

1) 브리넬 굳기 시험기

지름 5㎜ 또는 10㎜인 강철구가 500㎏∼3t 하중으로 시료를 눌러서 생긴 홈의 지름을 측정한다. 하중의 홈과 면적의 비를 브리넬굳기라고 한다.

D:강구의 지름(㎜), d:압입자국의 지름(㎜), p:하중(㎏)

2) 비커스 굳기 시험기

대면각 136˚인 정사각뿔 다이아몬드를 1∼50㎏하중으로 눌러서 홈의 대 각선을 측정한다. 발판·표면층·미소부분 등에는 최저 1∼25g의 작은 하중을 쓸 때도 있고, 무 른 재료에는 맞모서리각이 130˚와 172˚30′인 사각뿔 다이아몬드도 쓰인다.

P:하중(㎏), a:압자의 대면각(136°), d:압입흔적의 대각선길이(㎜)

3) 로크웰 굳기 시험기

끝을 반지름 0.2㎜인 구면으로 둥글게 한 꼭지각 120˚다이아몬드를 사용 하는 C굳기와, 지름 1/16∼1/2 inch의 강철구를 사용하는 B굳기가 있다. 10㎏의 기준 하중을 가하고, 다음에 150·100·60㎏의 시험 하중을 가했을 때의 홈의 깊이의 증가를 측정한다. C굳 기는 강철 등에, B굳기는 무른 금속이나 플라스틱에 쓰인다.

4) 쇼어 굳기 시험기

끝이 거의 구면인 다이아몬드를 붙인 망치를 시료에 낙하시켜서 튀어오르는 높이를 측정하는 것인데, 취급이 간단하고 오목하게 파이는 일이 거의 없는 것이 특징이다. 그 밖에 고무 등에 대하여 일정한 하중으로 바늘을 눌러 박히는 깊이를 측정하는 것과 다이아몬 드 바늘로 시료를 긁어 굳기를 측정하는 굳기시험기 등이 있다.

5) Knoop 경도 시험

Vickers 경도시험과 원리는 같으나 압자의 형태가 다이아몬드형으로 대각 선의 비가 7.11: 1이다. 압입하중을 장축 대각선의 길이로 표시한 압흔의 표면적으로 나누어 계산한다. 압흔의 깊이는 압흔 대각선의 길이의 1/30으로 얕아 미소경도,탄성체의 경도에 이용 한다.

P:하중(㎏), Ap:투영면적(㎜), L:긴 대각선의 길이(㎜)

 

3. 인성

재료가 지닌 점성의 강도를 나타내는 말로써 다른 힘에 의해서 파괴하기 어려운 성질을 말한다. 점성이 강하고 충격에 잘 견디는 성질. 재료에 힘을 가하면 처음에는 탄성적으로 변형되고, 그 뒤에 소성화 외력을 제거해도 원래의 상태로 돌아가지 않는 성질)되어 마침내는 파괴된다. 이 사이에 소비된 에너지가 클수록 인성이 크다고 한다. 인성은 세기와 소성변형도(ductility)의 곱으로 표시된다. 인성이 큰 재료로 만들어진 구조물은 파괴하기 어렵다. 일반적으로 강한 재료는 연성이 낮다.

또한, 점성이 강하고 충격에 잘 견디는 성질. 재료에 힘을 가하면 처음에는 탄성적으로 변형되고, 그 뒤에 소성화(塑性化;외력을 제거해도 원래의 상태로 돌아가지 않는 성질)되어 마침내는 파괴된다. 이 사이에 소비된 에너지가 클수록 인성이 크다고 한다. 인성은 세기와 소성변형도(延性, ductility)의 곱으로 표시된다. 인성이 큰 재료로 만들어진 구조물은 파괴하기 어렵다. 일반적으로 강한 재료는 연성이 낮다.

 

4. 인성 시험의 종류

1) 선균열 도입 방법 (single edge precracked beam method, SEPB법)

파인세라믹스의 파괴인성값(KIC) 측정방법으로 선균열 도입 방법 (이하 SEPB법)은 이미 KS L1600으로 표준화 되어 있다. 이 방법은 6개의 과정으로 이루어지는데 소정의 크 기를 갖는 시험편에 선균열도입치구를 사용하여 예리한 pop-in 균열을 도입하고 이것을 꺾 임파괴 한 후 파단면에서 선균열 길이를 측정하여 파괴인성을 구하는 방법이다.

2) IF법 (Indentation Fracture Method)

파괴인성은 파괴에 대한 저항을 나타내는 물성으로 세라믹 재료에 DVK-2 Hardness Tester 압자를 어느 이상의 하중으로 압력하면 재료 표면과 수직한 방향으로 radial crack이 생성되는데 이 crack 의 길이를 측정하여 인성을 결정하는 방법이다.

KIC = η(E/H)0.5PC-1.5

η : 보정상수(0.022), E:시편 탄성계수, H:시편의 경도, P:하중(N), C:crack의 길이

KIC(파괴인성)는 세라믹 재료의 표면에 어느 이상의 하중(P)을 압입 했을시 재료 표면에 생기는 radical crack의 길이(C)와 Zhao식을 사용한 보정상수 η(0.022), 시편의 탄성 계수시편의 경도, 하중 crack의 길이로 나타난 파괴인성(KIC)의 관계식으로 낸다.

3) 노치 빔 방법 (notched beam method)

4) 이중 외팔보 방법 (double cantilever beam method)

5) 이중 비틀림 방법 (double torsion method) 과 같은 방법들이 있다.

이 중에서 본 실험에 이용했던 것은 IF방법이었다. 파괴인성에 대한 계산을 할 때 IF법의 공식에 맞게 계산을 하였다.

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