경도 시험 — 브리넬·비커스·로크웰·쇼어 경도와 예제 풀이 | 기계공작법 2.3
기계공작법Chapter 02 기계 재료의 성질과 시험 › Section 03
2.3 경도 시험
표면만 눌러 알아내는 값이다. 네 가지 시험이 무엇을 누르고 무엇을 재는지, 어디에 알맞고 어디에서 막히는지를 갈라 본다.
영상 목차 · 원하는 부분부터 보기 (약 11분)
01경도는 표면의 성질교재 23p
- 경도 — 재료가 국부적인 소성 변형에 저항하는 정도.
- 왜 널리 쓰는가 — 시험편을 못 쓰게 만들지 않고 표면에 작은 압흔만 남기고도 잴 수 있으며 시험이 간단함. 현장에서 열처리가 제대로 되었는지 확인할 때 가장 널리 씀.
- 강에서는 경도와 인장 강도가 대체로 비례에 가까워, 경도만 재고 강도를 어림하는 일도 흔함.
- 재는 방식으로 세 가지
- 압입 경도 — 압입자를 눌러 생긴 압흔의 크기로 (브리넬 · 비커스 · 로크웰)
- 반발 경도 — 해머를 떨어뜨려 튀어 오르는 높이로 (쇼어)
- 긁힘 경도 — 표면을 긁어 흠집이 나는지로 (모스 경도)
- 기계 재료에서는 앞의 두 가지를 씀.
02브리넬 경도 HB교재 24p
- 지름 D인 강구 또는 초경합금 구를 하중 P로 눌러 생긴 압흔의 지름 d를 재고, 하중을 압흔의 표면적으로 나눔.
- ★ 압흔의 투영 면적이 아니라 곡면의 표면적을 씀. 여기서 자주 틀림.
- 단위 주의 — 식은 하중 P를 kgf, D와 d를 mm로 넣었을 때의 수치식임. 하중을 N으로 나타내려면 HB ≒ 0.102 P / A 로 고쳐 씀.
- 알맞은 곳 — 압흔이 크므로 조직이 고르지 않은 주철이나 큰 단조품처럼 평균값을 얻고 싶을 때.
- 한계 — 얇은 판이나 표면 처리층에는 쓸 수 없고, 압흔 자국이 남으므로 완성면에도 쓰기 어려움. 강구를 쓰면 대략 HB 450을 넘는 재료에서 강구 자체가 변형되므로 초경합금 구로 바꿈.
교재 예제 2.2
- 지름 5 mm 강구를 하중 750 kgf로 눌러 지름 3.0 mm 압흔을 얻음. (π = 3.14)
- 브리넬 경도는 하중을 압흔의 곡면 표면적으로 나눈 값임.
- 25 − 9 = 16이라 제곱근이 4로 떨어짐. 투영 면적 πd²/4 를 쓰면 값이 달라짐.
03비커스 경도 HV교재 25p
- 마주 보는 면이 이루는 각이 136°인 다이아몬드 사각뿔을 눌러, 압흔의 대각선 길이를 재고 하중을 압흔 표면적으로 나눔.
- 가장 큰 특징 — 압입자가 닮은꼴 사각뿔이므로 하중을 바꾸어도 압흔 모양이 닮은꼴로 유지됨. 그래서 하중이 달라져도 같은 경도 값이 나옴. 브리넬 · 로크웰과 크게 다른 점임.
- 무른 재료부터 담금질한 강까지 하나의 척도로 잴 수 있음.
- 마이크로 비커스 — 하중을 1 kgf 이하로 낮춘 것. 얇은 침탄층이나 도금층, 경화층 깊이를 재는 데 씀.
04로크웰 경도 HRB · HRC교재 25p
- ★ 압흔의 크기가 아니라 압입 깊이로 측정.
- 절차 — 기준 하중(10 kgf)으로 표면의 요철을 없앤 뒤, 시험 하중을 걸었다가 다시 기준 하중으로 되돌렸을 때 남은 깊이의 차 h를 읽음.
- 압흔을 현미경으로 잴 필요가 없어 측정이 빨라 검사 공정에 널리 씀.
| 스케일 | 압입자 · 시험 하중 | 식 | 쓰는 곳 |
|---|---|---|---|
| B | 지름 1.588 mm(1/16 in) 강구 · 100 kgf | HRB = 130 − 500 h | 무른 재료 · 비철 금속 |
| C | 꼭지각 120° 다이아몬드 원뿔 · 150 kgf | HRC = 100 − 500 h | 담금질한 강 |
HRB 90 과 HRC 90 은 전혀 다른 값
- 두 스케일은 서로 다른 척도이므로 그대로 견줄 수 없음.
- 시험 결과를 적을 때 스케일 기호를 반드시 함께 적어야 하는 까닭임.
05쇼어 경도 HS교재 25p
- 일정한 높이 h₁에서 다이아몬드를 끼운 해머를 떨어뜨려 튀어 오른 높이 h₂를 재는 반발 경도.
- 단단할수록 충돌할 때 잃는 에너지가 적어 높이 튀어 오름. HS = (10000 / 65) × (h₂ / h₁).
- 알맞은 곳 — 압흔이 거의 남지 않으므로 이미 완성된 제품이나, 큰 롤처럼 시험기에 물릴 수 없는 대형 부재를 현장에서 잴 때.
- 한계 — 시험기를 수직으로 세워야 하고 시험면이 매끄러워야 함. 얇거나 탄성이 큰 재료에서는 시험편이 함께 진동해 값이 흔들림.
06네 가지 시험의 비교교재 25p~26p
| 구분 | 브리넬 HB | 비커스 HV | 로크웰 HRC | 쇼어 HS |
|---|---|---|---|---|
| 접촉체 | 강구 · 초경 구 | 다이아몬드 사각뿔 136° | 다이아몬드 원뿔 120° | 다이아몬드 해머 |
| 측정량 | 압흔 표면적 | 압흔 대각선 | 압입 깊이 | 반발 높이 |
나머지 원리 · 알맞은 곳 · 한계 는 교재 25p~26p 에 표로 정리해 두었습니다.
- 환산은 어림에 지나지 않음 — 경도 값 사이에 대략적인 환산표가 있으나 서로 다른 원리로 잰 값임. 규격이 요구하는 시험법으로 직접 재는 것이 원칙.
이 절의 핵심 정리
- 경도는 국부적인 소성 변형에 저항하는 정도 — 표면의 성질
- 브리넬은 곡면 표면적, 비커스는 대각선, 로크웰은 압입 깊이, 쇼어는 반발 높이
- 비커스는 하중을 바꾸어도 같은 값이 나온다 — 닮은꼴 압입자
- HRB 90 과 HRC 90 은 다른 값. 스케일 기호를 반드시 함께 적는다
- 경도 값 환산은 어림일 뿐 — 규격이 요구하는 시험법으로 직접 잰다
강의 자료2.3 경도 시험
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