강의 경도시험(브리넬경도, 비커스경도, 누프경도, 로크웰경도, 쇼어경도), 강의 강도시험 (인장, 압축, 휨, 비틀림)

경도시험과 강도시험은?

 

<기출>

• 금속 23-2-5금속재료의 경도시험 중 브리넬, 비커스, 누프, 로크웰의 표시 방법에 대하여 설명하시오.
• 금속 19-3-3 열처리 품질평가에 적용되는 로크웰경도(Rockwell Hardness)시험과 경도측정에 가장 많이 사용되는 스케일(Scale) B, C에 대하여 설명하시오.
• 금속 13-1-9 KS B 0805에 규정하고 있는 금속재료의 브리넬겨도시험방법에서 사용하는 누르개(압입자)의 재질과 브리넬 경도 표시 기호를 설명하시오
• 16-1-13 브리넬 경도 시험(HB)의 시험 방법 및 계산값 산출 방법에 대하여 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 경도의 정의 

 금속이 얼마나 단단한지에 관련된 척도 
금속의 경도는 기계적 성질 중 대단히 중요하며, 내마멸성을 알 수 있는 자료가 됨 

 

2) 경도 시험 종류 

• 로크웰경도시험 (Rockwell Hardness)
• 비커스경도시험 (Vickers Hardness) 
• 브리넬경도시험 (Brinell Hardness)
• 누프경도시험 (Knoop Hardness) 
• 쇼어경도시험 (Shore Hardness)

 

2. 경도 시험 구분 및 각 특징 

 

1) 브리넬 경도 시험

지름 D(mm)의 강구에 일정한 하중 W를 걸어 시험면에 30초동안 눌러주어 시험편에 생긴 오목 부분의 표면적 A(mm2)로 하중을 나눈 값을 브리넬 경도라 함  HB로 표현 

재료의 인장강도와 피로한도를 통해 대략적인 브리넬 경도를 계산할 수 있음 
ex. 풀림처리한 재료의 브리넬경도 HB = 2.8 x 인장강도 = 5.6 x 피로한도 
     담금질 후 뜨임처리 재료 브리넬경도 HB = 3 x 인장강도 = 6 x 피로한도 

• 강구가 상대적으로 커 표면이 거친 재료의 경도 측정에 용이함 (ex. 주철) 

브리넬 경도 시험

• 압입자 지름 D = 1, 2.5, 5, 10mm
• 시험편 하중 = 1~3000kg 
• 브리넬 경도 표시 기호 : HB S (10/3000) 250
  (좌측부터 브리넬 경도 표시, 압입자 종류(S는 강구, W는 초경합금), 압입자 직경(10mm), 시험하중(3000), 브리넬 경도 측정치)

 

2) 비커스 경도 시험

대단히 단단한 강철이나 정밀가공의 부품, 박판 등의 시험에는 비커스 경도계가 사용됨 
대면각이 136도의 다이아몬드로 만든 사각추의 압자를 시험면에 눌러 주어 시험면에 생긴 피라미드 모양의 오목부분의 대각선을 측정, 오목부분의 표면적으로 하중을 나눈 수치 Hv로 경도를 나타냄 

• 오목부분이 극히 작아 제품의 검사에 적합함 
• 표면경화재료, 도금 또는 용접 부분의 경도 측정이 편리함 

비커스 경도 측정 개략도

• 압입자 : 면각 136도인 다이아몬드 형상 
• 비커스 경도 표시 기호 : 250 HV 10/30 
  (좌측부터 경도 측정치, 경도 기호, 시험하중(10kgf), 체류시간(30초))

 

3) 로크웰 경도 시험 

정해진 압자를 써서 처음에 10kg의 기준 하중을 건 가음, 이어서 시험하중 (B스케일의 경우 100kg, C스케일의 경우 150kg)을 걸어 누르고 다시 10kg의 기준 하중으로 되돌렸을때 전후 2회의 기중하중에 있어서의 오목 부분의 깊이차 t로 경도를 측정 

부드러운 시험편의 경우 지름 1.588mm의 강구가 붙어있는 압자를 사용(로크웰 B스케일) 
단단한 시험편의 경우 꼭지 각도 120도의 다이아몬드 원추계 압자를 사용 (로크웰 C스케일) 

HRB = 130 - 500t
HRC = 100 - 500t 

로크웰 시험 방법, 네이버

① 기준 하중을 건다 (다이얼게이지 지침을 0으로 맞춤) 

② 시험하중을 건다 (C스케일의 경우 150kg)

③ 하중을 제거하고 기준 하중을 유지한다 (탄성으로 움푹 파여 조금은 원위치로 돌아옴), 이때 다이얼 게이지의 지시를 읽는다 

로크웰 경도, 네이버

• 압입자 : 강구(B스케일) ,원추형 다이아몬드(C스케일)
• 로크웰 경도 표시 기호 : 29HRC (좌측부터 로크웰 경도 측정치, 경도 기호, 스케일 종류) 

 

4) 누프 경도 시험 

두개의 대각이 172도, 130도의 4각 뿔 다이아몬드 압자를 시험편에 압입하여 생긴 능형의 영구 오목부의 크기로부터 시료의 경도를 측정, 주로 비커스 경도계에 압자를 교체해서 시험함 

누프 경도 Hk = 14.2P/L^2

• 가벼운 하중을 사용하는 미소경도시험이라 시편의 크기가 매우 작거나 얇은 경우, 보석 및 카바이드, 유리 등의 취성재료 시험에 적합 
• 압입자국이 작아서 금속의 각 결정입자의 경도를 측정하는데에도 사용됨 

누프 경도 시험

5) 쇼어 경도 시험 

선단에 다이아몬드를 붙인 일정한 하중의 추를 일정한 높이 h0에서 떨어뜨려 그 추가 시험면에 부딪혀 튀어오르는 높이 h를 측정하여 쇼어경도를 정함 

Hs = 10000/65 x h/ho (h : 튀어오르는 높이, ho : 초기 높이) 

• 수치의 확실성이 적으나 소형이라 휴대가 편리함 
• 주로 고무 등의 경도 측정에 이용됨 (금속에는 잘 사용하지 않음) 

쇼어 경도 측정기

• 표기 방법 : 98 shore A 
  (좌측부터 쇼어경도, 경도 기호, 측정 타입) 

쇼어 경도시험 타입에 따른 indentor(바늘)의 모양

 

대략적인 쇼어 경도의 단단함 추이

 

3. 금속의 강도 시험 

 

1) 금속의 강도시험의 종류 및 방법 

① 인장시험(Tension test)

시험하고자 하는 금속재료를 규정된 시험편의 치수로 가공하여 축방향으로 잡아당겨 끊어질때까지의 변형과 이에 대응하는 하중의 관계를 측정하여 금속재료의 변형, 저항에 대한 성질을 구하는 시험법 (응력-변형률 선도를 확보할 수 있으며 재료의 항복점, 탄성한도, 인장강도, 연신율, 단면수축률 등이 구해짐) 

2024.04.05 - [Mechanical Engineering Study/소성가공] - 소성 이론, 응력변형률 선도, 재료의 성질, 슬립, 쌍정, 전위, 비강도

인장시험기

 

② 압축시험 (Compression test)

베어링용 합금, 주철, 콘크리트 등의 압축강도를 구하는 방법 (암슬러형 만능재료시험기 활용) 

만능재료시험기

③ 휨시험 (Bending test) 

항절시험과 판재의 횜시험이 있음 

항절시험은 주철이나 목재의 휨에 대한 강도 (항절 최대하중, 비례한도, 탄성에너지, 세로탄성계수) 등을 구함. 암슬러형 만능재료시험기를 사용함 

판재의 휨시험은 규정된 안쪽 반지름 r을 가진 축이나 형을 써서 규정이 모양으로 꺾어 휘어 판재의 표면에 균열이나 기타의 결함이 생길때까지 휘어서 각도를 확보, 그 연성을 조사함 

만능재료시험기

④ 비틀림시험 (Torsion Test) 

시험편을 시험기에 걸어 비틀림, 비틀림모멘트, 비틀림각을 측정하여 가로탄성계수나 전단응력을 확보 

비틀림시험기