금속의 기계적 성질과 조직관찰 (경도시험)

1. 실험 목적

시편의 경도측정법 중 하나인 로크웰 경도기를 숙지하고 금속재료(철, 알루미늄, 구리)의 경도를 측정하여 시편에 따른 경도의 차이점을 이해한다. 

2. 이론 및 원리

일반적으로 경도는 변형에 대한 저항을 나타내며 금속의 경우에는 국부 소성변형에 대한 재료의 저항성을 나타내는 저항의 척도이다. 경도는 상대적인 값으로 변형저항의 상태, 변형량, 저항측정 및 부하방법에 따라 종류가 다르나 주로 긋기, 반발, 압입경도의 3가지 형태로 분류한다. 

 

이중 압입경도를 일반적으로 활용하는데 압입자를 사용하여 깨끗한 시료 표면을 누를 때 생기는 압흔의 변형 저항에 대한 측도를 나타낸다. 이 변형저항은 압입자에 의해 생기는 소성 변형의 크기 및 분포, 마찰, 탄성, 점성 등에 영향을 받는다. 

 

압입자의 형태는 구형, 원추형, 피라미드형, 쐐기형등 구분되는데 재료의 강도가 매우 큰 경화강, WC, 공업용 다이아몬드 등이 활용된다. 압입자는 시험편에 수직 이어야 하며 변형이 되면 안된다. 또한 충격을 동반해서는 안되며 시험편의 두께는 압흔깊이의 10배 이상, 측정 부위는 가장자리로 부터 직경의 2.5배 이상 떨어져야 한다. 압흔과 압흔 사이 거리는 4배 이상을 유지 해야만 한다. 

 

1) 로크웰 경도 (Rockwell hardness)

: 압입자에 미리 10kg의 초기하중을 걸어주어 시편에 접촉시켜 표면상에 존재할지도 모를 결함에 의한 영향을 없앤다. 압입자에 주하중을 더 걸어주어 압입자국이 더 깊어지게 한 후 하중을 제거하고 초기하중과 주하중에 의한 압입자국 길이의 차이로써 경도를 평가한다. 자동적으로 다이얼 게이지에 경도값이 표기된다. C스케일은 120도의 원뿔 및 선단 반지름은 0.2mm의 다이아몬드 입자를 사용하여 실험한다.

직경10mm 경화강, WC ball 압입자를 사용하여 주어진 조건에서 하중을  재료 표면에부과하고, 압흔을 현미경으로 측정하여 다음 식에 의거 경도 값 환산하여 사용하게 된다.

HB=F/A=F/(πDh)=F/[(πd/2){D-(D2-d2)1/2}]

F: 하중(kgf), D:압입자지름(mm), d:압흔지름(mm), h: 압흔의깊이, A:압흔의표면적 (mm2) , HB: kgf/mm2

 

3. 실험 방법

1) 시편 준비: 시편의 형상 및 크기는 규격화 되어있으며 KS, JIS, ASTM에서 지정한 여러 규격이 존재한다. 이번 실험에서는 철, 알루미늄, 구리 시편을 준비한다.

2) 경도 측정: 로크웰 경도기를 이용하여 시편의 경도를 측정한다. (주 하중:150kg, 누름자:원뿔 다이아몬드, 스케일:C)

경도기의 전원을 켠 후 받침대 위에 시편을 올린다. 핸들을 조종하여 시편이 압입자에 닿도록 한다. 핸들을 조금 더 돌려 작은 바늘은 Set(빨간 점)을 가리키게 하고, 긴 바늘은 핸들 아래의 레버로 게이지판을 조종하여 Set에 위치할 수 있도록 한다. 이후 빨간 버튼을 눌러 시험을 진행한다.

 

각 시편의 반복적인 경도 측정 시 압흔 위치는 압흔 위치의 중심으로부터 시편 가장자리까지의 간격이 3개의 누름 위치가 들어갈 정도의 여유를 가져야하며, 각 압흔들의 위치 간격이 너무 가깝게 위치하지 않아야 된다. 각 시편 당 6회의 경도를 측정하여 평균을 구한다. 조금더 정확한 값을 위하여 6번의 실험중 가장 큰 값과 작은 값을 제거하고 나머지 4개에 대해서 평균을 내어 결론을 낸다. 

 

4. 결과 및 결론

시료의 로크웰강도 시험결과를 B스케일(1.588mm 구)로 나타냈을 때 결과이다. 6번의 실험중 가장 큰 값과 작은 값을 제거하고 나머지 4개에 대해서 평균을 내어 다시 이를 비교하면 대략적으로 Fe는 70.9HRB, Cu 44.3HRB, Al 43.6HRB의 값이 산출된다.