본문내용
1. 기계적특성
1.1. 재료시험의 정의와 목적
재료시험은 재료의 기계적, 물리적, 화학적 성질을 시험하여 재료의 성질을 알아내고자 하는 것이다. 훌륭한 기계를 설계 제작함에 있어서 설계가 잘 되었다 하더라도 재료의 선정과 선택이 잘못되면 소기의 성과를 얻을 수 없다. 따라서 재료에 관하여 그 성질을 알기 위하여 재료시험을 통하여 여러 가지 data를 구하여 기초자료로 할 필요가 있다. 재료시험의 목적은 재료가 사용목적 및 사용조건에 적합한가를 시험하고 안전한 하중의 한계와 재료의 변형능력 등을 검토하는데 있다. 각종 설계에 필요한 data를 구하고 실용적 목적에 적합한 재료를 결정하기 위하여 행한다. 또한 재료의 기계적 성질과 물리적 또는 화학적 성질의 관계 또는 기계적 성질의 변화로 인하여 다른 여러 가지 성질사이의 관계를 알기 위함이다. 이와 같이 재료시험은 재료의 성질을 이해하고 기계설계에 활용하며 제품의 품질관리의 기준으로도 이용된다.
1.2. 재료시험의 분류
재료시험은 보통 작용하는 하중상태 및 조건에 따라 정적시험(靜的試驗: static test)과 동적시험(動的試驗:dynamic test)으로 분류된다.
정적시험(靜的試驗: static test)은 정적하중을 가하여 시험하는 것으로서 시간에 따라 하중의 크기, 방향이 불변한 경우이다. 인장, 압축, 전단, 굽힘, 비틀림 등의 시험 및 압입 경도시험이 여기에 해당되며 비교적 단시간에 시험목적을 달성할 수 있다. 크리이프 시험은 시험을 수행하는데 장시간이 필요하다.
동적시험(動的試驗: dynamic test)은 재료에 동적하중을 가하면서 시험하는 것으로 비교적 실제 상태와 근사한 조건의 시험을 수행한다. 충격시험, 피로시험, 반발 경도시험이 여기에 속한다.
특수재료시험에는 연성시험, 마모시험, 스프링시험, 부식피로시험, 용접성 시험 등이 있다.
파괴시험(Destructive Test)은 시편을 파괴하던가 혹은 변형을 주어 시험하므로 검사한 다음 다시 실용화 할 수 없는 방법이다. 비파괴시험(Non-Destructive Test)은 시편을 검사한 다음 다시 실용할 수 있으므로 각 종 주물 또는 구조물, 단조물, 용접물, 기계부품 및 항공기부품 등을 파괴하지 않고 완성된 부품의 성질을 검사하는 방법이다. 자력결함검사법, X-선 검사법, 형광침투검사법, 초음파검사법, γ-선 검사법 등이 이에 속한다.
이와 같이 재료시험은 다양한 방법으로 분류되며, 이는 시험목적과 조건에 따라 적절한 시험방법을 선택할 수 있게 한다. 시험의 목적과 방법에 대한 충분한 이해가 필요하다.
1.3. 경도의 정의
경도는 일반적인 개념으로 재료가 얼마나 무르냐 단단하냐를 나타내는 것이다. 재료에 어떤 경한 표준물체를 압입했을 때 재료에 나타나는 변형에 대한 저항력의 크기로 경도값이 표시된다. 경도의 정의를 물리적으로 엄격히 표현하기는 매우 어려운데, 그 이유는 녹는점, 빛의 속도, 전기저항 등의 물리상수와 달리 재료의 여러 가지 성질이 복합적으로 작용하여 나타나는 것이기 때문이다. 그러나 경도측정은 간편하고 손쉬우며 재료의 다른 기계적 성질, 특히 강도 등과 밀접한 관련이 있어 오래전부터 공업계에서 널리 사용되어 왔다. 이러한 이유로 경도를 포함한 공업상수 값에는 정확한 물리적 정의가 없으며 시험방법도 여러 가지가 있다. 그럼에도 불구하고 보편적인 의미를 갖는 공업상수 값을 구체적으로 측정하기 위하여 많은 시험방법이 개발되었는데, 이는 공업상수 값이 재료나 제품의 특성을 비교하는 수단으로써 실용상 매우 중요하기 때문이다.
1.4. 경도측정의 원리
압입경도시험은 압자를 일정하중으로 시편에 일정시간 동안 누른 뒤에 압입 깊이나 압입 자국의 크기를 숫자로 표시함으로써 이루어진다. 압입자에 하중을 가하여 눌렀을 때 압입에 대한 저항이 재료로부터 나오는 것으로 생각되기 쉬우나 엄밀히 말해서 압입 된 곳은 냉간 변형되면서 밀려 없어져 버리며 그림과 같이 주위에서는 부서지지는 않으나 변형이 일어난 부분이 생기고 이 부분과 탄성변형역이 시험하중을 떠받치는 것이며, 이때의 압입 저항의 값을 경도값으로 나타내는 것이다. 다시 말해서 압입이 진행하매 따라 저항 값이 증가하여 결국 경도값도 계속 바뀌게 된다. 따라서 경도는 금속이 그 전에 어느만큼 변형 되었는가에 의해서도 영향을 받으며 또한 그 영향을 받는 정도도 금속의 종류에 따라 다르다. 금속은 탄성변형영역을 벗어나면 가공경화(work hardening) 또는 변형경화(strain hardening)현상을 나타낸다. 따라서 경도값은 탄성변형영역에서 나타나는 탄성변형에 대한 저항값과 하중을 압자에 가하면서 누를 때 소성변형에서 나타나는 가공경화(work hardening)에 의한 저항값의 합에 의한 것이다.
1.5. 경도시험의 목적
경도시험은 재료의 기계적 성질을 평가하고 검토하는 데에 목적이 있다. 경도시험을 통해 설계에 필요한 데이터를 구하고 실용적 목적에 적합한 재료를 결정할 수 있다. 또한 기초적인 기계적 성질을 조사하고 이에 따른 여러 가지 현상을 설명하고 고찰할 수 있다. 그리고 기계적 시험을 통해 특정한 반응, 변이 및 변태 등을 촉진시켜 물리적 또는 화학적 성질을 관측하기 쉽게 할 수 있다. 마지막으로 재료의 기계적 성질과 물리적 또는 화학적 성질의 관계, 또는 기계적 성질의 변화로 인한 다른 여러 가지 성질 사이의 관계를 알기 위함이다. 즉, 경도시험은 재료의 기계적 성질을 평가하고 재료 선정의 기준으로 사용하며, 재료의 특성을 이해하고 기계 설계에 이용하는 데에 그 목적이 있다.
1.6. 경도시험 주의점
경도시험을 최대로 활용하기 위해서는 경도시험의 방법에 따른 원리, 장단점 그리고 시험방법의 한계 등을 정확히 알아야 한다. 각각의 경도시험 방법에 대한 인식이 정확하지 않을 때는 그 결과가 전혀 다르게 나타날 수도 있기 때문이다. 예를 들면 가벼운 강구를 일정한 하중으로 시편에 가압했을 때 눌린 깊이를 경도의 눈금으로 한다면 강철이 고무보다 변형이 적으므로 상식대로 강철이 고무보다 단단하다는 결과를 나타낸다. 그러나 하중을 제거한 뒤에 영구변형에 의해 나타나는 눌린 자국의 크기를 경도의 눈금으로 하면 눌린 자국이 남지 않은 고무가 더 단단하다는 결론이 나게 된다. 따라서 경도시험 방법에 따라 얻어지는 경도 값이 재료의 어떠한 성질을 표시하고 있는가에 주의를 할 필요가 있다. 경도시험을 수행할 때 일반적인 순서에 따른 주의 점은 다음과 같다. 첫째, 경도시험의 목적을 분명히 한다. 둘째, 알맞은 시험방법을 선택한다. 셋째, 측정값의 오차범위를 확실히 한다. 넷째, 시험기의 작동상황과 정밀도를 파악한다. 다섯째, 시편을 준비한다. 여섯째, 시편의 어느 부분의 경도를 측정할 것인지를 결정한다. 일곱째, 경도측정 횟수를 결정한다. 여덟째, 시편을 시험기에 놓는다. 아홉째, 시험을 실시한다. 열째, 경도값을 읽고 적거나 계산한다. 열한째, 측정결과에 후속조치를 한다.
1.7. 경도시험의 일반적인 순서
① 경도시험의 목적을 분명히 한다.
② 알맞은 시험방법을 선택한다.
③ 측정값의 오차범위를 확실히 한다.
④ 시험기의 작동상황과 정밀도를 파악한다.
⑤ 시편을 준비한다.
⑥ 시편의 어느 부분의 경도를 측정할 것인지를 결정한다.
⑦ 경도측정 횟수를 결정한다.
⑧ 시편을 시험기에 놓는다.
⑨ 시험을 실시한다.
⑩ 경도값을 읽고 적거나 계산한다.
⑪ 측정결과에 후속조치를 한다.
경도시험의 일반적인 순서를 수행하면 시험목적을 달성할 수 있고, 정밀한 측정값을 얻을 수 있으며, 시편과 시험기를 효과적으로 활용할 수 있다. 또한 측정결과를 체계적으로 정리하여 후속 조치를 취할 수 있다. 이와 같은 순서를 거치면 경도시험을 효과적이고 정확하게 수행할 수 있다.
1.8. 경도시험의 종류
1.8.1. 압입경도시험
압입경도시험은 소성변형 저항에 중점을 둔 경도시험 방법이다. 압입자에 일정하중을 가하여 시편에 일정시간 동안 누른 뒤에 압입깊이나 압입자국의 크기를 숫자로 표시한 것이다. 압입자에 하중을 가하여 눌렀을 때 압입에 대한 저항은 재료로부터 나오는 것으로 생각되기 쉬우나, 실제로는 압입 된 곳이 냉간 변형되면서 밀려 없어져 버리며 압입자 주위에서는 부서지지는 않으나 변형이 일어난 부분이 존재하고 이 부분과 탄성변형역이 시험하중을 떠받치는 것이다. 따라서 경도는 금속이 그 전에 어느만큼 변형되었는가에 의해서도 영향을 받으며, 그 영향을 받는 정도도 금속의 종류에 따라 다르다. 금속은 탄성변형영역을 벗어나면 가공경화(work hardening) 또는 변형경화(strain hardening)현상을 나타낸다. 따라서 경도값은 탄성변형영역에서 나타나는 탄성변형에 대한 저항값과 하중을 압자에 가하면서 누를 때 소성변형에서 나타나는 가공경화(work hardening)에 의한 저항값의 합에 의한 것이다. 경도는 재료의 여러 가지 성질의 복합적인 작용 결과로 나타나므로 어느 한 가지의 물리적 성질에 근거를 둔 표준상수 값을 정할 수 없기 때문에 그러한 이유로 경도를 포함한 공업상수 값에는 어떤 정확한 물리적 정의가 없으며 그 시험 방법에도 여러 가지가 있게 되는 것이다. 그러나 보편적인 의미를 갖는 공업상수 값을 구체적으로 측정하기 위하여 많은 시험 방법이 고안된 이유는 공업상수 값이 재료나 제품의 특성을 비교하는 수단으로서 실용상 매우 중요하기 때문이다.
1.8.2. 브리넬경도시험
브리넬경도시험은 1900년 스웨덴의 J.A. Brinell이 제안한 것으로, steel ball을 시험편에 압입할 때 압입저항력의 대소로 경도를 측정하는 방법이다. 브리넬경도시험의 목적은 각종 공업재료의 브리넬경도값 측정, 경도와 강도와의 관계 이해, 가공상태 및 열처리 상태의 재료특성 평가 등이다. KS B 0805, ASTM E10 등의 관련 규격이 있으며, 측정원리는 H_B = P / A = P / (π Dh) = 2P / (π D(D- √(D^2-d^2)))로, P는 작용하중(kgf), D는 강구(steel ball)의 직경(mm), d는 강구에 의한 압입자국의 직경(mm), h는 강구에 의한 압입자국의 최대 깊이(mm), A는 강구에 의해서 생긴 압입 자국의 표면적(mm^2)이다. 브리넬경도시험에서는 시험기의 정밀도 확인, 시편의 크기와 표면 상태 등을 유의해야 하며, 자국의 지름과 깊이와의 관계, 볼(ball)의 변형 등이 경도값에 영향을 미친다. 브리넬경도시험은 주물과 같이 자체의 불균일성이 크거나 시편이 작은 경우, 또는 침탄강이나 질화강 등의 표면경도 측정에 유용하며, 표면의 긁힘이나 거칠기에 덜 영향을 받는다는 장점이 있다.
1.8.3. 로크웰경도시험
로크웰경도시험은 1919년 미국의 S.P. Rockwell에 의하여 고안되고 고안되고 Wilson社에 의해 실용화되었다. 브리넬 경도시험은 현장에서의 실용성은 있으으나 정밀도 및 측정시간에 문제가 있고, 쇼어경도시험은 숙련이나 정밀도의 관점에 문제가 있으므로 정밀도가 높고 단시간 측정에 편리한 로크웰경도시험이 좋은 반응을 받을 수 있었다.
로크웰경도시험의 시험목적은 각종 공업재료의 로크웰경도값을 측정하고, 각종 공업재료의 경도와 강도와의 관계를 이해하며, 각종 금속재료의 가공상태, 열처리 및 표면처리 상태에 따른 재료특성을 평가하는 것이다. 관련규격으로는 KS B 0806 로크웰경도시험방법, KS B 5526 로크웰경도시험기, ASTM E 18 Standard Test Method for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials, KS B 5528 재료시험용 하중검정기, KS A 0021 수치의 맺음법이 있다.
로크웰경도시험의 측정원리는 압입자에 기준하중(초하중;W=10kgf)으로 시험편의 표면에 압입한...
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