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기계공학
 

재료 금속재료의 기계적 경도측정 시험법

Pjk 2010.03.30 12:41 조회 수 : 9564

출처:http://www.metalkorea.biz

 

1. 인장시험(Tensile Test)
인장시험은 강의 여러가지 기계적 성질중에서도 탄성과 소성을 평가하는 중요한 시험방법중의 하나이다.
즉, 이 시험은 원재료로부터 <그림1: 표준 인장시험편의 크기>에 표시한 것과 같은 시험편을 만들고 (KS에 의거) 인장시험기에 걸어 시험편을 축방향으로 잡아 당겨 끊어질 때까지의 변형과 여기에 대응하는 힘을 측정하여 응력-변형률 곡선(그림2: 응력_변형률 도표)을 구하는 것이다.
이 그림으로부터 비례한도, 항복점, 인장강도 등을 구할 수 있다. <그림3: 유압식 만능재료 시험기>은 인장시험에 널리 사용되고 있는 유압식 만능 시험기이며 <그림4: 인장 시험 전후의 시편>는 이것을 이용하여 인장시험한후 시험전후의 시편 모양(외양)을 비교해 놓은 것이다.
               
인장시험후 시편은 단면적이 급격히 줄어드는 네킹(nec-king): 목이 생긴다는 뜻) 현상을 볼 수 있으며 결국 이 부분이 파괴(파단)에 이른다. 드문 경우지만 네킹이 두군데 이상에서 발생되는 경우도 있다.
한편, 인장시편이 파괴될 때까지 당겨진 후, 이 늘어난 길이와 줄어든 면적을 측정할 수 있는데 이것이 각각 연신율과 단면 수축율이다. 통상적으로 연신율과 단면수축률은 다음으로 표시된다.

연신율(%)=(표점거리의 증가분×100)/원래표점거리
단면수축율(%)= {(원래단면적-최종단면적)×100}/원래단면적

네킹현상이나 연신율, 단면수축율등은 <그림5: 표점 길이와 연신율의 관계>에서와 같이 표점거리와 관련이 있으므로 특정 표점거리와 관련된 값들을 인용하는 것이 필요하다.
2. 압축시험(Compressive Test)
압축시험은 재료가 압축력을 받을 경우 어느정도 저항력을 나타내는 가를 측정하는 시험이며 압축력에 대한 재료의 저항력을 알아야 하는 경우도 매우 다양하다.
즉 구조물 등의 설계 뿐만이 아니라 기계 및 금속의 가공 등에 서도 압연, 단조 등 많은 공정이 압축력을 받는 상태에서 수행되므로 재료의 압축력에 대한 물성값을 측정하여야 한다.
압축시험도 인장시험과 마찬가지로 하중과 변위곡선을 구하는데 구하는 물성값은 압축강도, 항복점, 탄성계수, 비례한계 등을 구한다.
그러나 인장시험과는 달리 취성재료에서는 큰 문제점이 없으나 연성재료에서는 파괴를 일으키지 않으므로 압축강도를 구하기란 힘들다.
따라서 편의상 어떤 점을 파괴하는 점이라 정의하여 그점에서의 응력을 압축강도로 사용한다.
3. 충격시험(Inpact Test)
구조물이나 기계부품을 고안하는 경우, 고안자는 항상이들 부품이 받게 될 하중의 형태가 무엇일까를 고려해야한다.
즉 하중은 통상적으로 정적하중과 동적하중으로 나뉠수 있다. 앞에서 설명했던 인장시험이나 압축시험의 경우가 정적하중이라 말할 수 있으며 동적하중으로는 충격하중을 대표적으로 꼽을 수 있다.
충격시험의 목적은 재질이 충격하중 아래에서 취성(brittle)으로 인해 파괴하는지 연성(ductile)으로 인해 파괴하는지 즉, 인성(toughness)정도를 확인하고자 하는 것이다.

여기에서 <그림6>과 같은 시험법만 소개했으며 이외에도 다수의 방법이 있지만 생략한다.
이 중에서도 (a)와(b)방법이 가장 많이 이용되고 있다.
① 아이조드(Izod)시험기를 사용하는 경우 시편은 수직으로 세워놓는다. (그림6.a)
② 샤피 (Charpy)시험기일 경우에 시편은 앤빌(an-vil)을 가로질러 수평으로 눕히고 노치(notch)부분에 충격하중을 준다. (그림6.b) ③ Hounsfield Balanced Impact시험기에서는 시편은 진자(pendulum)에 매달고 2번째 추와 동일축으로 동시에 놓아 Swing 저면에서 시편이 파괴되도록 한다.
충격의 기하학적 양태 <그림6,c>에서와 같다. 3가지 충격시험기는 모두 정확한 치수를 갖는 노치를 가진 각형(square) 또는 둥근(round)형의 시편을 사용한다.
작동원리도 각 경우 다 비슷하여 추가 고정된 높이로부터 떨어져서 운동에너지(kinetic energy)를 만든다.
이 에너지의 일부가 시편을 파단하는데 흡수되고 추는 다시 시편을 파괴한후 보다 낮은 높이만큼 상승하며 이것이 시편에 의해 흡수된 에너지가 되어 시험기에 나타나는 것이다.
<그림7>은 강의 경우 온도에 따른 흡수에너지의 변화를 나타낸 것이다. 고온에서의 파괴는 연성이며 저온에서는 취성파괴를 일으킨다.취성 파단면은 석탄의 벽개 (cleavage)면을 연상하게 하여 벽개파단( cleav-age fracture)이라 부르기도 한다.
특히 연성에서 취성으로의 전이가 어떤 온도범위 이상에서 일어나게 되면 이 온도를 연성-취성천이 온도라 한다.
<그림 8>및 <그림9>는 각각 연성파단면과 취성파단면을 나타낸 것이다.
4. 경도시험(Hardness Test)
일반적인 경도에 대한 개념은 무르다. 딱딱하다라는 경험에 바탕을 둔 것으로서 가장 일반적인 정의는 ‘압입에 대한 저항’으로 표현되나 정확한 것은 아니다 그 이유는 경도는 재료의 물리적 성질에 직접 연관이 되는 물리상수가 아니라 인위적으로 정한 공업상수이기 때문이다.
경도시험은 재료의 경도값을 알고자 하거나 경도값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우 또는 경도값으로부터 시편의 가공상태나 열처리상태를 비교하고 싶은 경우에 행하기도 한다.
단순하게 재료이 경도값을 알고자 하는 경우에는 별 문제가 없으며 적절한 시험방법을 선택하면 된다.
그러나 경도값으로부터 강도를 추정하는 경우에는 그 근본목적이 강도의 추정이 침탄처리 등의 표면처리된 시편이나 가공경화가 많이 일어나는 재료에 있어서 가공에 의한 표면경화가 나타난 시편은 경도값으로부터 강도를 추정할 수 없는 것이다.
또한 경도값으로부터 시편의 가공상태나 열처리 상태등을 알고자 하는 경우에는 그에 따라 적절한 경도측정방법이나 순서를 결정해야 한다.
이러한 경우에는 대개 압입자를 바꾸거나 하중을 바꾸어서 2회이상 경도값을 측정해야 정확한 데이터를 얻을수 있다.
경도 시험방법은 매우 다양하며 여기에서는 가장 많이 사용되고 있는 몇가지 방법에 대해 특징만을 골라 간략하게 소개하고자 한다.

(1) 브리넬 경도 시험 방법
구형의 압입자를 일정한 하중으로 시편에 압입하므로써 경도값을 측정하는 방법이다. 이 방법은 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 사용된다. <그림10>은 브리넬경도 시험기이다.
이 시험법은 여타의 압입 경도시험과 마찬기지로 부하속도(그림11)와 하중유지시간(그림12)에 따라 경도값이 달라지게 되므로 이를 고려해야 한다.
특히 하중 유지시간의 경우에는 그 변화에 따라 경도값도 많이 달라지므로 대체로 10~15초를 그 표준조건으로 잡고 있다. 또한 시편 표면의 압입자국을 정확하게 측정하기 위해서는 경도시험의 전과정으로서 반드시 마무리 작업을 거쳐야 한다.
브리넬 경도시험(BRNELL HARDNESS TESTER)은 지름이 D mm인 강구(鋼球) 압자를 재료에 일정한 시험하중으로 시편에 압연시켜 시험기로서 P kg으로 눌렀을 때 지름이D mm이고, 깊이가 h mm인 우묵한 자국이 생겼다고 하면, 브리넬 경도 HB는 HB=P/πDh로 표시된다.
               

(2) 로크웰 경도 시험방법
경도측정에 널리 쓰이는 또다른 방법은 로크웰 경도계를 이용하는 것이다.
이 방법은 브리넬 경도계와 몇가지 다른점이 있으며 주로 두 단계로 그 측정이 이루어진다. 첫 단계에서 압입자에 미리 10㎏의 초하중(primary load)을 걸어주어 시편에 접촉시켜 표면상에 존재할지도 모를 결함에 의한 영향을 없앤다.
두번째 단계에서 압입자에 주하중(major load)을 더 걸어주어 압입자국이 더 깊어지게 한다. 그 후 주하중을 제거하고 초하중과 주하중에 의한 압입자국 길이의 차이로써 경도를 평가한다.
압입 깊이의 차이가 자동적으로 다이알 게이지에 나타나 금속의 경도를 표시한다. 로크웰 경도 측정에서 하중은 추에 의해서 부가되며 다이알 게에지로부터 직접 경도값을 읽을수 있다.
여러 하중 조건에 따라 각기 다른 종류의 압입자가 사용되므로 넓은 범위의 경도갑이 정확하게 측정된다. 이 시험법은 브리넬 경도 시험법보다 압입자국을 적게 내며 따라서 더얇은 시편을 측정할 수 있다.
그러나 그만큼 시편의 표면은 브리넬의 경우보다 더 평평해야 정확한 값을 갖는다. <그림13>은 전형적인 로크웰 경도계이다.

(3) 비커스 경도 시험 방법
비커스경도(Vickers hardness)는 대면각(對面角)이 136 °인 다이아몬드의 사각뿔을 눌러서 생긴 자국의 표면적으로 경도를 나타낸다. 누르는 하중을 P kg, 표면적을 S mm2라고 하면, 비커스경도는 HV>=P /S 로 표시된다.
쇼어경도(Shore hardness)는 선단에 다이아몬드를 끼운 추를 떨어뜨려 충돌해서 튀어 오른 높이로 굳기를 나타내는 방법인데, 취급이 비교적 간단하고 오목하게 팬 일이 거의 없는 특징이 있다.
대면각(對面角) 136°인 피라미드형 다이아몬드 압자(壓子)를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit:들어간 부분)를 만들고, 하중(荷重)을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적(表面積)으로 하중을 나눈 값으로 나타내는 경도를 비커스경도(Vickers hardness)이다.(그림 15 a.b)
비커스경도(Vickers hardness)는 하중을 Pkg, 피트의 대각선의 길이를 dmm라 하면, 비커스굳기 H v는 H v=1.854 P/d2이 된다.
피트가 닮은꼴이 되므로 하중의 크기에 관계없이 굳기의 수치가 일정해지는 것이 특징이다.
피트가 아주 작으므로 시험면의 경도분포를 구하거나 금속조직의 작은 부분의 굳기를 구할 때에도 사용된다.

이 경도시험기는 브리넬경도 시험법으로는 측정 불가능한 초경합금과 같이 매우 단단한 재료의 정밀한 경도를 측정할 수 있으며 움푹 패인 곳이 항상 상사형이 되므로 재료가 균일하기만 하다면 시험하중에 관계없이 경도 측정치가 동일한 수치가 되는 상사의 법칙이 성립된다.
따라서 이 방법은 다른 하중을 사용하여 측정한 값을 서로 그대로 비교할 수 있다는 장점이 있다. 또한 작은 하중을 이용하여 작게 움푹 패인 곳을 만들어 경도를 측정하는 것이 가능하므로 미소(micro)경도시험기로서 사용되고있다. <그림 15,c>
미소경도시험기로 만든 움푹패인 곳을 현미경으로 본 것이며, 시허하중은 대체로 25ｇｆ~1㎏ｆ정도이다. 얇은 판, 얇은층, 가는 선, 보석, 금속조직 등의 측정에 편리하다.
하중의 크기를 아주 작게 하면 제품의 면에서 직접 굳기를 측정할 수가 있으며 하중 1kg 이하에서 사용할 수 있는 시험기를 특히 미소경도시험기라고 한다.
수십 g 이하의 작은 하중(荷重)을 사용하는 경도시험기로서 경도는 하중을 바꾸면 다른 수치가 나오지만, 정사각뿔 모양의 다이아몬드 압자(壓子)를 갖춘 비커스 경도시험기는 하중이 작든 크든 거의 같은 결과가 얻어지므로 많이 사용된다.

(4) 기타 경도 측정법
로크웰이나 브리넬 그밖의 경도계에 올려 놓지 못하는 크고 불규칙한 모양이 시편의 경도를 측정하고자 하는 경우 쇼어 경도계와 같은 반발경도계를 이용하여 경도를 측정할 수 있다.
최근에는 반발경도계가 인기를 많이 잃었지만 적절히 사용한다면 매우 유용한 방법이다. 단, 반발경도계를 성공적으로 쓸수 있는가의 여부는 사용자의 기술에 크게 의존하는데 그 이유는 계기가 수직으로 놓여져 추가 튀어 오를 때 관 내벽과의 마찰이 없어 튀어오른 높이가 올바른 값이 되어야 하기 때문이다.
이 방법은 새편의 크기와 모양에 관계없이 실용적으로 시험할 수 있고 시편표면을 손상 시키지 않는다는 장점이 있다. 지금까지 간단히 기술된 경도시험법들을 실제 작업현장이나 연구실 등에서 주로 사용되는 방법들이다. 경도계로부터 얻은 대부분의 값들은 해당되는 정밀도로 다른 경도값으로 환산할 수 있다. (표1 경도환산표 및 그림16참조)
또한 경도값은 항복강도값과도 연관성이 있다. <그림17>에 그것을 나타내었다 이것은 100%맞는 것은 아니지만 상당히 비례적으로 변화되며 항복강도 역시 연신율이나 단면감소율 등의연성과 반비례적으로 변하므로 경도는 이들특성을 예측하는 변수로도 작용될 수 있다.
경도가 가계가공작업에서 매우 중요한 변수로 작용된다. 브리넬 경도가 높을 수록 절삭성이 나쁘다. 절삭성이 나쁜 반면에 내마모성에서는 우수한 특성을 나타낸다.
  • 브리넬경도 250 : 절삭성이 좋다
  • 브리넬경도 300 : 절삭성이 나쁘지 않다
  • 브리넬경도 350 : 절삭성이 좀 나쁘다
  • 브리넬경도 400 : 절삭성이 나쁘다
  • 브리넬경도 400이상 : 절삭성이 매우 나쁘다
    이런 연관성이 유용한 이유는 경도 시험장치가 인장시험장치에 비해 쉽게 구할 수 있고 크기도 작아 운반이 쉬기 때문이다.
    경도시험은 기계가공한 시편을 요구하지도 않으며 실제 시험도 인장시험보다 빠르며 저렴하다. 많은 경우에 경시험은 비파괴적으로 가능하나 인장시험의 경우는 시편제작을 위하여 부품의 전부 또는 일부를 파괴하여야 한다.
    따라서 경도시험은 강의 인장성질을 빠르고 경제적으로 평가하게 하며 완성 부품의 경우는 비파괴적으로 인장성질을 평가하는 유일한 방법이다.
    • 5. 피로시험(Fatigue Test)
    피로(fatigue)는 반복하중(cyclic load)시 균열이 부품을 통해 점진적으로 진행하는 것을 말한다. 이때 반복응력의 한부분은 시편에 대해 인장응력으로 나타난다.
    균열이 진행함에 따라 단면이 감소하여 결국 균열이 없는 재질이 적용하중을 견디기에 충분하지 못하게 되어 파단에 이르게 된다.
    어떤 와이어(wire)를 절단하려 하는데 절단기가 없다면 와이어를 단순히 앞뒤로 구부렸다 폈다하는 행위로 파단에 이르게 할 수 있다. 이것은 <그림18>에서의 경우를 들어 설명할 수 있다.
    즉, 아래부분 표며에 인장응력이 걸리고 윗부분은 압축 응력이 걸리게 된다. 봉이 180°회전하면 이 조건이 반대로 되어서 인장을 받던 부분이 압축을 받고 압축을 받던 부분이 인장을 받게 되어 봉이 1회 저하게 되면 표면부는 한때 인장을 받게 된다.
    만일 표면부에 조그만 노치(균열 또는 결함)가 있고, 표면부가 인장을 받게 되면<그림19>와 같이 노치부에 응력이 집중된다.
    노치부에 집중된 응력은 노치에서 멀리 떨어진 부분이 받는 응력의 몇백 되어 실제적으로 노치부에서는 인장응력을 능가하게 된다.
    따라서 매회 봉이 회전하고 각 부분에 인장이 걸릴 때마다 응력이 집중되어 국부적인 파괴가 일어나고 처음에는 작았던 균열이 점전적으로 성장, 전파한다. 균열이 전파는 유효 단면적이 상당히 줄어 들때까지 계속된다.
    그러면 나머지 부분이 심한 과부하상태가 되어 봉이 급격히 부러지게 된다. 강의 내피로성을 평가하기 위해서 시편을 회전시킨다.
    점차 하중을 적게 걸어주어 회전회수에 관계없이 파쇠가 일어나지 않는 하중을 찾아낸다. (실용적인 회전회수 한계는 보통 백만단위이다).
    이렇게 하여 얻어진 여러 응력값과 그에 해당하여 파괴가 일어나는 회전수를 도시하면 <그림20>과 같은 곡선이 된다.
    이 도표를 S-N도표(응력-회전수)라 한다. 이 도표를 보면 어떤 한계응력 A에서는 회전수와 관계없이 파괴가 일어나지 않음을 알 수 있다.
    이 한계응력을 피로한도(fatigue limit, endurance limit)라 하며 회전수에 관계없이 즉, 응력의 반복에 관계없이 파괴가 일어나지 않고 견딜수 있는 최대응력을 나타낸다.
    피로한도는 인장강도로 부터도 얻어질 수 있는데 인장강도 350MPa에서 550 Mpa사이의 강인 경우 피로한도는 인장강도의 약 절반의 해당된다. 물론 부품에 노치 등이 있는 경우라면 이와같은 관계는 달라지게 된다.
    한편, 피로시험은 통상적으로 다음과 같이 나눌 수 있으며 2종류 이상의 피로시험을 조합한 경우도 있다.
    ① 구부림 피로시험
    ② 뒤틀림 피로시험
    ③ 충격 피로시험
    ④ 인장압축 피로시험
    <그림21>은 디젤 엔진 크랭크 샤프트에 발생된 구부림 피로 파손 예를 보여주는 것이다.
    6. 마모시험
    마모시험으로 측정하는 사항은 주로 마모량, 마찰계수, 마찰온도 등이다. 시험벙법에는 건식법과 윤활제를 사용하는 습식법이 있다.
    <그림22>는 금속이 서로 습동할 때의 주요 마모시험법을 보여준다. A는 회전하는 원반위에 핀 모양의 시험편을 눌러대는 방식이며, B는 왕복운동을 하는 평면사에핀모양 시험편을 눌러대는 방식이다.
    또 C는 회전하는 원통면에 핀 모양시험편을 눌러대는 방식이며, D는 회전하는 원통면에 고정시험편의 평면부를 눌러대는 방식이다.
    E는 회전하는 원통의 통허리를 서로 눌러대는 암스라 식이다. 2개 원통의 회전수를 다르게 하므로서 원하는 미끄러짐(보통 10%) 를 주어 구름마모와 미끄러짐마모를 동시에 발생시키는 것이다.
    <그림23>은 실린더 라이너나 피스톤 링 선반의 왕복대와 같은 왕복운동 부분의 마모를 평가하는데 사용하는 왕복운동 시험기이다.
    왕복운동시험기는 크랭크기구를 이용해 왕복운동을 시키는 것으로 회전의 경우 보다 무리가 많고 또 마찰력의 방향도 바뀌기 때문에 작은 시험편에는 적합하지 않다.
    7. 크리프 시험(Creep Test)
    상온에서 사용하는 기계재료의 설계에는 그 재료의 시험편에 대해 상온의 인장시험 및 기타의 기계적 성질을 기초로 하는 것이 보통이다. 그러나 강재를 높은 온도에서 사용할 경우 일정하중을 장시간 걸고 있으면, 극히 짧은 2~3분간의 하중으로 부하되었을 때의 강도에 비해 훨씬 작은 응력이라도 큰 변형을 일으켜 파단할 때가 있다.
    이렇게 재료에 작은 하중을 걸어서 곧바로 변형을 일으키지는 않으나 시간이 경과함에 따라 변형이 생기는 현상을 재료의 크리프라고 하고 온도가 상승함에 따라 이 성질은 재료의 재질을 평가하는데 매우 중요한 인자가 된다.
    예를 들면 개스 터빈 날개는 고온 및 길이를 증가시키게 되는 원심력에 견뎌야 한다. 크리프에 의해 어떤 미세한 한계 이상으로 길이가 길어지면 그것이 터빈의 안쪽 케이싱(Casing)과 부딧히게 된다.
    앞에서 설명한 내용을 요약하면 물질의 크리프 거동을 평가하는 데에는 하중뿐만 아니라 온도 및 시간의 영향을 고려해 주어야 한다. 그러므로 크리프 시험은 통상시편에 인장응력을 가하고 정확히 조절된 온도로 열을 가한다.
    변형을 어떤 시간간격마다 아주 정확히 측정하여 그래프를 그리면<그림 24> 와 같이 된다.
    높은 응력이 가해지는 경우 3가지 영역으로 구분된다.
    ⅰ) 1단계 : 시간의 경과에 따라 신율이 감소한다.
    ⅱ) 2단계 : 신율이 일정하다. 이 단계에서 곡선의 기울기를 선형 크리프율로 나타낸다.
    ⅲ) 3단계 : 크리프가 가속되어 파괴에 이른다.
    저응력하에서는 두번째 곡선에서와 같이 100,000시간의 시험중 단지 1단계 및 2단계만 나타난다.
    설계의 관점에서는 크리프 변형율이 1단계를 포함하는지 아닌지, 또는 단지 곡선의 선형영역에 기준을 두었는지를 아는 것이 중요하다.
    크리프 시험에는 일정시간 후의 크리프변형 또는 정상 크리프 속도를 구하는 경우와 시험편이 파단될 때까지 시험을 하여 응력-파단시간 곡선을 구하는 크리프 파단시험(Creep Rupture Test)방법이 있다.
    (그림25)는 일정하게 하중을 거는 방식의 크리프 시험기이다. 위에서 언급한 시헙법들은 재료시험의 중요한 부분들이다.
    훨씬 더 많은 시험법들이 특정목적을 위해 고안되어 있지만 여기서는 생략한다.
    결국 금속 재료의 기계적 성질을 평가하는 것에는 여러가지 방법이 있으며 이들을 잘 활용함으로서 그들 재료가 가진 특성들을 보다 여러 방면에서 유용하게 쓸 쑤 있을 것이다.

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