실험보고서-로크웰 경도 시험기타실험결과

1. 실험의 목적
경도시험의 목적에는 사용 재료의 경도 값을 알고자 하는 경우, 경도 값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우 또는 경도 값으로부터 시험편의 가공 상태나 열처리상태를 비교하고 싶은 경우 등이 있다. 재료의 단순 경도 값을 알고자하는 경우에는 적절한 시험방법을 선택하면 된다. 그러나 경도 값으로부터 강도를 추정하는 경우에는 근본 목적이 강도의 추정이므로 침탄처리 등의 표면 처리된 시험편이나 가공경화가 많이 일어나는 재료에 있어서 가공에 의한 표면경화가 나타난 시험편은 경도 값으로부터 강도를 추정하는데에는 문제가 있다. 경도 값으로부터 시험편의 가공 상태나 열처리상태 등을 알고 싶을 경우에는 그에 따라 적절한 경도 측정 방법을 결정해야 하는데, 우리는 비커스, 로크웰, 브리넬 등의 여러가지 경도시험 방법 중 로크웰 경도시험 방법을 통하여 재료의 하중에 대한 변형 정도를 측정하여 재료의 변형 특성을 이해하도록 한다.

2. 실험의 원리

gf의 세가지가 이용된다. 압자로는 1/16, 1/8, 1/4 또는 1/2인치의 직경을 갖는 강구 압자와, 꼭지각 120°± 30`, 선단부의 곡률 반경 0.2± 0.02mm인 다이아몬드 압자가 사용된다. 따라서 세 종류의 시험하중과 다섯 종류의 압자가 조합되어 모두 15종류의 시험방법이 가능하다. 경도값은 HRC59.5, HRB30 등과 같이 스케일과 함께 표시한다. 이와 같이 여러 가지 종류의 스케일이 사용되고 있는 이유는 한 가지 스케일만으로는 경한 재질로부터 연한 재질까지를 측정하기 어렵기 때문이며 시편의 재질, 경도 등에 따라 적당한 압자와 하중을 조합한 것이 보다 적절하게 경도측정을 할 수 있기 때문이다. 로크웰 경도값은 압입 깊이(mm)를 500배해서 일정한 값에서 뺀 값으로 정의되며, 압입 깊이 2μm이 로크웰 경도 1에 해당한다. 보통 C스케일의 경우에는 HRC 20~70 범위가, B스케일의 경우에는 HRB 30~100의 범위가 많이 사용된다.

3. 실험 준비물
1) 로크웰 경도 시험기

실험에 사용된
ark-600 로크웰 경도기

① 로크웰 경도 시험기는 KS B 5526에 적합하여야 한다.
② 시험기는 그 주요부분의 분해, 재조립 또는 모양을 바꾸었을 때에는 다시 KS B 5526에 의거하여 검사한다.
③ 시험기는 사용빈도에 따라 일정기간마다 검정을 방아야 하며, 수시로 로크웰경도시험용 기준편을 사용하여 측정하여 사용 압입자의 유무를 확인해야 한다.
④ 다이아몬드 압입자는 사용 중 시험편과 접촉하는 부분에 흠이나 결손 등의 이상이 생겼을 경우에는 사용 불가, 강구 입자는 사용 중 영구변화가 일어나 하중을 가하는 방향과 이에 직각인 방향과의 지름의 차이가 0.01mm를 초과하는 경우에는 사용불가.

시험편

2) 시편
㈀ 시료의 시험편 및 그 뒷면은 평면으로 하고, 서로 평행으로 한다.
㈁ 시험면 및 그 뒷면은 매끄럽고, 또한 깨끗하여야 한다.
㈂ 휘어짐 있는 얇은 판 등 뒷면이 평평하지 않은 시료는 스폿 Anvil을 사용하여 시험한다.

<그림 1>
㈃ 시료는 충분한 두께의 것으로서, 오목부가 생김으로 인해 그 뒷면에 변화가 나타나서는 안된다.
㈄ 얇은 판의 T 경도시험인 경우, 시료의 뒷면에 변화가 인지될 때는 다이아몬드 스폿 Anvil을 사용한다.
㈅ 시료의 최소두께는 <그림 1>에 따른다.

스케일 종류에 따른 용도
4. 실험 순서
① 실험 전 시험기의 영점 조절을 한다. (영점 시 표시계는 100이다.)
② 주하중을 150에 조정한다.
③ 시편을 Anvil 위의 바닥 면과 밀착되게 올려놓고 레버를 돌려 압자에 가까이 한다
④ 임의의 재료일 경우에는 C스케일로 먼저 실험한다.
결과값이 아주 작게 나왔을 경우 B스케일로 실험한다.
⑤ 레버를 돌려 표시계의 치수가 시험 기준치 360에 근접하게 조절하고 핸들을 돌려서 360.0~360.5에 맞춘다. (탄성변형이 없는 기준치)
⑥ 시작버튼을 눌러 주하중을 가한다.
⑦ 데이터 값을 기록한다.
⑧ 동일 시편으로 핸들을 풀어서 다른 위치에서 실험을 반복한 후 데이터 값을 기록한다.
⑨ 시험을 10회 실시 하여 얻는 데이터 값의 최대값과 최소값을 제외한 8개의 값의 평균값을 구한다.

5. 시험시 유의사항
① 시편은 지지대 위에 밀착되어야 하고, 하중은 시험면과 수직이 되도록 가하여야 한다.
② 시편의 두께는 압입 깊이의 10배 이상이어야 하며, 경도 측정위치는 이미 존재하는 압입 자국의 중심으로부터 4d(d는 압입 작구의 직경) 이상, 시편 가장자리로 부터는 2d 이상 떨어져 있는 것이 좋다.
③ 로크웰 경도값은 압입에 소요되는 시간이 길수록 즉, 압입 속도가 느릴수록 경도가 높아지며, 하중 유지시간이 길면 낮아진다. 따라서 측정 조건을 일정하게 규정할 필요가 있다.
④ 한편 하중 유지 시간은 30초 정도가 충분하나 B(원토면)나 C(원추면)스케일의 경우에는 10초 정도 유지한 후 시험하중을 제거하여도 무방하다.
ASTM(American Sosiety Testing Materials) 규격에서는 하중 부하에 소요되는 시간을 부하용 핸들의 회전시간으로 결정하고 있으나 구조가 다른 시험기의 경우 회전 시간이 겉보기로는 같을지라도 실제 부하에 소요되는 시간 차이가 있을 수 있다.

6. 결과 및 고찰
1) 측정값

실험차수
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
측정값
26.0
26.9
25.7
24.9
26.6
25.0
26.1
25.5
26.5
25.3

◈ 측정값의 평균값 =
=

2) 결과 분석
① 환산값

비커스 경도Hv
브리넬 경도 HB
로크웰 경도
쇼어 경도Hs
표준 볼
텅스텐카바이트볼
HRAA스케일 하중60㎏f Barle압자
HRBB스케일 하중100㎏f 1/16″볼
로크웰C스케일H R C(하중150㎏f)
302
286
286
65.3
(105.5)
30
42
294
279
279
64.7
(104.5)
29
41
286
271
271
64.3
(104.0)
28
41
279
264
264
63.8
(103.0)
27
40
272
258
258
63.3
(102.5)
26
38
266
253
253
62.8
(101.5)
25
38
260
247
247
62.4
(101.0)
24
37
254
243
243
62.0
100.0
23
36
248
237
237
61.5
99.0
22
35
243
231
231
61.0
98.5
21
35
238
226
226
60.5
97.8
20
34
[경도시험기 로크웰, 브리넬, 비커스, 쇼어 경도 환산표]

위 표에서 선형보간으로 측정값을 비커스 경도로 환산하면

∴ HRC 25.8 = Hv 270.4이다.

② 시편

재 료 명
구 분
경도(HRC)
금형적용
KP1A
F/H강
9~18
상,하 원판
KP4A
KP4MA
–
25~32
28~34
상,하 원판 및 코어핀 SLIDE CORE, BLOCK
HMS-1
NAK55
NAK80
PX5
F/H강
37~45
40
40
상,하 원판
(케비티일체형)
상하원판 및 코어핀
SLIDE CORE, 경사밀핀
ASSAB718
ASSAB718(S)
RAMAX
F/H강
31~35
–
STAVAX
Max58
상, 하 코아류
SM20C
SM45C
SM55C

6<
12~28
21~30
받침류
상, 하 고정판 다리
상, 하 고정판 지지판

시편의 표면상태, 비중, 연소 시 불꽃 색등 다른 시험들의 결과값을 알 수 없으므로 시편이 무엇인지 정확하게 알 순 없으나 HRC 경도값이 25.6이므로 25~32의 HRC값을 가지는 KP4A로 예측 할 수 있다.
?
6. 고찰
10번의 실험을 하면서 오차로 인해 매번 다른 값이 측정되었다. 경도 측정위치는 이미 존재하는 압입 자국의 중심으로부터 4d(d는 압입 작구의 직경) 이상, 시편 가장자리로 부터는 2d 이상 떨어져 실험을 해야 앞에서 실시한 실험에 의해 시편의 내부에 남아있는 잔류응력의 영향을 덜 받지만 하나의 시편을 이용하여 여러 번의 측정을 함으로 인해, 측정 위치를 제대로 고려하지 못하였기 때문에 많은 오차가 발생했던것 같다. 또한, 압입자를 반복 사용 하였으므로, 압입자의 마모도 측정값에 영향을 끼쳤을 것이며, 시편의 표면의 이물질로 인한 오차가 있었을 것이다.
새 압입자를 사용하고, 시편의 표면을 세척을 한 뒤 실험을 한다면 좀 더 정확한 측정값을 얻어낼 수 있을 것 같다.

<<첨부-강도와 경도의 차이>>
이론상으로는 경도는 흔히 굳기라고 말하면서 단단하고 무른 정도를 나타낸 다고 하며 강도는 재료의 부하가 걸린 경우 재료가 파괴되기까지의 변형 저항을 그 재료의 강도라고 한다. 이와 같은 이론상의 개념으로는 이해가 어려우나 다음과 같은 예로서 쉽게 이해 할 수 있었다.
여러 가지 예가 있지만 바로 실험해 볼 수 있는 손톱과 유리를 예로 들어 보면 손톱으로 유리를 긁어 봐야 긁히지가 않지만 유리로 손톱을 긁게 되면 자국이 남게 된다. 다른 실험으로 망치로 손톱을 가볍게 치면 변화가 없지만 유리는 가볍게 쳐도 깨지고 만다. 처음에 실험자도 어떤 의미 인지 몰랐으나 경도, 강도 개념을 보면 유리로 손톱을 긁어 긁히는 정도, 즉 굳기는 유리가 더 좋으나 망치로 유리를 쳤을 때, 즉 재료에 부하가 걸렸을 때 유리가 깨어지는 반면 손톱은 깨지지 않으므로 강도는 손톱이 더 좋다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 예는 손톱과 유리 말고도 나무와 유리, 유리와 고무, 유리와 칼, 등에서도 나타나는 현상이다. 하지만 강도가 크다고 경도가 작다고는 할 수 없다.