경도 시험 — 브리넬·비커스·로크웰·쇼어 경도와 예제 풀이 | 기계공작법 2.3
2.3 경도 시험
같은 경도라는 이름을 써도 시험마다 누르는 도구와 읽는 값이 다릅니다. 브리넬·비커스·로크웰·쇼어를 측정 원리로 구분합니다.
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01네 시험은 무엇을 재는가
경도는 국부적인 변형에 대한 저항을 평가하는 값입니다. 브리넬·비커스·로크웰은 압입 방식, 금속용 쇼어 시험은 반발 방식입니다.
| 시험 | 접촉체 | 읽는 값 |
|---|---|---|
| 브리넬 HB | 구형 압입자 | 압흔 지름으로 구한 곡면 표면적 |
| 비커스 HV | 대면각 136° 다이아몬드 사각뿔 | 압흔의 두 대각선 평균 |
| 로크웰 HR | 스케일에 따른 구 또는 원뿔 | 기준 하중에서의 잔류 압입 깊이 차 |
| 쇼어 HS | 다이아몬드 팁 해머 | 낙하 후 반발 높이 |
02브리넬 — 투영 면적이 아닌 곡면 표면적
구의 지름 D, 압흔 지름 d, 하중 P로 경도를 계산합니다. 다음 식은 P를 kgf, D와 d를 mm로 넣는 교재의 계산 형식입니다.
하중을 N으로 넣을 때는 kgf 기준으로 환산하는 계수 약 0.102를 적용해야 합니다. 큰 압흔으로 조직의 평균적인 성질을 보기 좋지만, 얇은 판과 얇은 표면층에는 적합하지 않습니다.
교재 예제 2.2: D = 5 mm, P = 750 kgf, d = 3 mm이면 √(25 − 9) = 4입니다. 따라서 HB = 1,500 / (5π) ≈ 95.5입니다.
03비커스 — 대각선을 읽는 시험
(P: kgf, d: 두 압흔 대각선의 평균, mm)
닮은꼴 사각뿔 압흔을 사용해 넓은 경도 범위를 하나의 방식으로 측정합니다. 작은 하중을 이용하면 얇은 경화층과 작은 부위도 평가할 수 있습니다. 다만 실제 측정에는 표면 마무리와 시험 하중의 영향이 있으므로 시험 조건을 함께 기록합니다.
04로크웰 — 면적이 아니라 깊이
기준 하중을 가하고 총 시험 하중까지 증가시킨 뒤 다시 기준 하중으로 돌아와 남는 깊이 차를 읽습니다. 압흔을 현미경으로 측정하지 않아 빠르게 검사할 수 있습니다.
| 스케일 | 압입자 | 하중과 대표 대상 |
|---|---|---|
| HRB | 지름 약 1.588 mm 구 | 총 하중 100 kgf, 비교적 무른 금속 |
| HRC | 꼭지각 120° 다이아몬드 원뿔 | 총 하중 150 kgf, 담금질강 등 |
두 방식 모두 기준 하중은 10 kgf입니다. 숫자만 비교하지 말고 HRB·HRC 같은 스케일을 반드시 함께 읽습니다.
05쇼어와 시험법 선택
금속용 쇼어 시험은 정해진 높이에서 떨어뜨린 해머의 반발 높이를 이용합니다. 압흔이 작아 대형 부재나 완성면의 현장 측정에 쓰지만, 표면 상태와 시험기 자세, 시험편의 질량·지지 상태에 영향을 받습니다.
경도 환산표는 서로 다른 원리로 얻은 값을 근사적으로 연결한 것입니다. 재료와 시험 조건을 무시해 경도 수치를 바꾸지 말고, 요구된 시험법으로 측정하는 것을 기본으로 합니다.
이 절의 핵심 정리
- 브리넬은 곡면 표면적, 비커스는 압흔 대각선으로 계산합니다.
- 로크웰은 깊이를 읽고 스케일 기호를 함께 표시합니다.
- 쇼어는 압입이 아닌 반발 높이를 이용합니다.
- 시험편의 두께·조직·표면 상태에 맞는 시험법을 고릅니다.
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