경도 충격 실험

목차

▲ 실험 방법

▲ 실험 결과 및 분석

▲ 고 찰

▲ 참고

▲ 부 록

경도 시험

▲ 실험 방법

▲ 실험 결과

▲ 고 찰

▲ 참 고

본문내용

압입자가 시편으로 파고드는 정도가 바로 재료의 소성변형에 대한 저항능력의 척도인 것이다. 경도시험은 기본적으로 비파괴적이고 시편을 특별히 준비하지 않아도 가능하므로 품질보장을 위한 비교적 저렴한 시험방법이고 재료의 상태를 나타내는 필수적인 척도이다. 경도시험의 또 다른 이점은 인장강도, 마모저항성, 피로저항성 등 많은 특성들이 경도 측정치로부터 예측될 수 있다는 점이다.
- 브리넬 경도시험
브리넬 시험기를 이용하여 간단하게 알루미늄과 황동의 브리넬 경도를 측정하는 실험을 하였다. 브리넬 경도는 지름 D의 강철 볼을 시험편에 압입하였을 때 압입된 표면적의 단위면적당 응력으로 표시되고 표기법으로 HB(직경/하중/시간)으로 예를 들면 HB(10/1500)식으로 시간은 생략하고 사용된다. 경도는 절대적인 값이 아니라 상대적인 개념으로 수치적으로 계산하면 단위가 나오지만 일반적으로 단위를 쓰지 않고 있다.
이번 실험에서 사용한 브리넬 시험기는 시험하중 1500kgf를 가하는 시험기였는데 모든 기기 조작을 수동으로 하기에 다음과 같은 유의사항을 인식하고 시험에 응해야 한다. 압력 밸브를 확실히 잠근 후 유압펌프를 이용하여 하중을 가할 때 빠르게 펌프를 작동시키면 안 된다. 빠르게 작동시키다 보면 중추걸이가 들썩거려서 시험편에 균일한 하중을 가할 수 없게 된다. 처음에 시험편을 스핀들을 이용해서 압자에 접촉시킬 때 스핀들을 너무 많이 회전시켰을 경우 다시 반대로 스핀들을 회전시켜 시험편을 압자로부터 떨어트리는 경우가 없어야 한다. 그럴 경우 시험편에 압입흔적이 없는 곳을 찾아 다시 설치해야 한다. 기준하중에 차이가 나기 때문에 정확한 실험이 될 수 없기 때문이다.
그리고 일정한 하중(1500kgf)을 가한 후 유압을 제거 할 때 압력밸브를 너무 많이 열어버리면 중추걸이가 쿵 소리를 내며 떨어진다. 이런 경우에 브리넬 시험기에 충격을 가할 뿐 아니라 시험하중보다 더 큰 하중이 실리기에 실험적 오차는 더 커질 수 밖에 없다. 압력밸브를 약간만 열어서 유압이 서서히 제거되면서 중추걸이가 서서히 떨어지게 해야 하고난 다음에 완전히 밸브를 열어 압력을 가하는 유체를 제거해야 하는 점도 잊어서는 안됐다.
측정 시 우리는 간이 현미경을 사용하였다. 작은 눈금 한 개당 0.1mm이고 밝은 곳에서 미동나사를 돌리면서 초점을 맞추게 되는데 실험 여건상 정확한 치수는 기대하기가 어려웠다는 점이 매우 아쉬웠다.
브리넬 경도측정값과 실제 재료의 경도 오차 원인은 실험기구 작동 상 실험자의 오작이 가장 크다고 볼 수 있다. 특히 압력 밸브를 미세하게 여는데 익숙치 않아 대부분 1500kgf보다 높은 하중 하에 경도를 얻었을 것이다. 그리고 시편이 충분치 않아 사용하던 것을 그대로 사용하였기 때문에 압입되지 않은 부분을 찾아 놓기 때문에 중심이 대체적으로 잘 맞질 않았다. 결국 압입자가 위치한 스핀들과 정밀하게 수직을 이루지 못하여서 정확한 원형의 형태가 나오질 않았고 기하학적으로 구하는 식에서 결국 그 측정 오차로 인해 정확성을 떨어뜨리게 되었다. 뿐만 아니라 오래 된 시편위의 이물질 등이 Damping의 역할을 했을 가능성도 무시할 수 없고 균일한 재질로 시편이 이루어져 있지 않다는 점도 실험 오차로 들 수 있겠다.
일반적으로 경도계라 하면 대부분 압입식의 경도계가 대부분이다. 직접 해보지는 않았더라도 반발과 긋기를 통한 경도계를 직접 볼 수 있었으면 하는 아쉬움이 남는다. 또 알루미늄과 황동과의 경도차가 있는 것을 실험결과로 도출하였는데 두 재료간의 충격을 주어 정말 그러한지에 대한 검토도 했었음 한다.
- 로크웰 경도시험
브리넬 경도계와는 다르게 로크웰 경도계는 거의 모든 것이 자동으로 이루어진다는 가장 큰 장점이 있어 실험자의 기구 오작으로 인한 큰 오차를 발생시키지 않는다.
로크웰 경도는 일정규격의 압자를 사용하여 먼저 기준하중을 가한다음 시험하중을 가한 뒤 다시 기준하중으로 되돌렸을 때 전후 2회의 하중으로 생긴 압자 침입깊이의 차에서 구해지는 값으로 표시한다.
로크웰 경도(Rockwell Hardness)는 지름이 1.588㎜인 강구를 누르는 방법과 꼭지각이 120°,선단의 반지름 0.2㎜인 원뿔형 다이아몬드를 누르는 방법의 2가지가 있다. 전자를 로크웰 경도치 B스케일(HRB), 후자를 로크웰 경도치 C스케일(HRC)이라고 한다. B스케일과 C스케일의 기준하중은 10kgf로 같다. 시험하중은 B스케일인 경우 100kgf이고, C스케일인 경우 150kgf이다.
실험오차를 분석해 보면 브리넬 경도계와는 다르게 자동적으로 데이터를 처리하기에 기껏해야 측정오차가 전부라 해도 과언이 아니다. 압입자국은 서로간의 중심거리가 4d 이상 또는 시편의 변두리로부터 2d 이상간격을 유지하여야 하는데 시험편에 너무 많은 압입 자국으로 인해서 가공 경화된 부분을 측정하였을 수 있고 대부분이 불량의 시편에 따른 것이다.
참고로 브리넬 경도와 로크웰 경도 혹은 다른 경도 기준치와 서로 그 수치를 비교하는 사람이 있는데 각각의 경도기준에 맞는 환산공식을 사용하여 비교해야 하는 점을 잊어서는 안 된다.
▲ 참 고
- 비커스 경도계
대면각(對面角) 136°인 피라미드형 다이아몬드 압자를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit:들어간 부분)를 만들고, 하중을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적으로 하중을 나눈 값으로 나타내는 굳기를 말한다.
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. 하중의 크기를 아주 작게 하면 제품의 면에서 직접 굳기를 측정할 수가 있다. 또 하중 1kg 이하에서 사용할 수 있는 시험기를 특히 미소경도시험기라고 한다. 피트가 아주 작으므로 시험면의 굳기분포를 구하거나 금속조직의 작은 부분의 굳기를 구할 때에도 사용된다.
- 미소 경도계
Knoop 미소 경도 : 경도계는 Micro-Vickers경도계와 병용할 수 있다.
경도 표시법 : Hk = P = 14.2P A L2
특징 : 측정 감도가 높고, 표면적, 박판 등의 경도 측정에 좋다.

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