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첨단신소재구조분석 경도 시험

첨단신소재물성분석 실험 보고서[경도실험]학번:이름:실험일자:1. 실험 목적- 주어진 시편을 브리넬, 로크웰, 비커스 경도기를 이용하여 각각의 경도를 구하고, 경도 측정 원리를 이해하여 시험기들의 사용 방법을 숙지함을 위함이다.2. 이론적 배경(1)경도의 정의-일반적인 경도에 관한 개념은 무르던가 단단하다는 경험에 바탕을 둔 것이고 경도의 정의는 어떤 경한 표준물체를 시편에 압입했을 때 시편에 나타나는 변형에 대한 저항력이다. 이 변형에 대한 저항력의 크기로 경도치를 표시한다. 여기서 경도값을 압입자(표준물체)로 압입할 때 생기는 변형에 대한 저항력의 크기로 보면 된다.경도는 녹는점, 빛의 속도, 전기저항 등의 물리적인 표준상수와 달리 재료의 여러 가지 성질의 복합적인 작용 결과로 나타나기 때문에 어느 한 가지의 물리적 성질에 근거를 둔 표준상수값을 정할 수 없다. 따라서 경도를 포함한 공업상수값에는 어떤 정확한 물리적 정의가 없으며, 시험 방법에도 여러 가지가 있다. 그럼에도 불구하고 경도 시험은 측정이 간편하고 손쉬우며 재료의 다른 기계적인 성질, 예를 들어 강도 등과 매우 밀접한 관계가 있어 오래 전부터 공업계에서 널리 쓰여 왔다. 또한 공없상수 값이 재료나 제품의 특성을 비교하는 수단으로서 실용상 매우 중요하기 때문에 공업상수 값을 구체적으로 측정하기 위한 많은 시험 방법이 고안되었다.(2)경도 측정의 원리-압입경도란 압입자에 일정하중을 가하여 시편에 일정시간 동안 누른 뒤, 이 EO 생긴 압입 깊이나 압입 자국의 크기를 숫자로 표시한 것이다. 경도값이란 하중을 가하면서 탄성변형 영역에서 나타나는 탄성변형에 대한 저항값 + 소성변형에서 나타나는 가공경화(변형경화)에 대한 저항값이다. 여기서 시험하중과 압자가 다른 경우에는 냉간 변형량이 달라지며 그리하여 경도값도 달라지게 되어 다른 하중과 다른 압자에 의해 얻어진 경도값 사이에는 간단한 수학적인 상관관계가 존재하지 않는다.(3)경도시험의 목적-경도시험은 목적에 따라 방법이 달라지는데, 단순히 재료의 경도값시험 방법에 따라 얻어지는 경도 값이 재료의 어떠한 성질을 표시하고 있는가에 주의를 할 필요가 있다.(5)경도시험의 일반적인 순서1. 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.(6)경도시험의 종류-소성변형 저항에 중점을 둔 압입경도값 시험에는 브리넬경도시험, 로크웰경도시험, 비커스경도시험, 미소경도시험이 있고 반발 저항에 중점을 둔 반발경도값 시험에는 쇼어경도시험, 에코팁경도시험이 있고 긋기에 대한 저항에 중점을 둔 긋기경도값 시험에는 모스경도시험, 마르텐스경도시험이 있다.(7)브리넬경도시험-브리넬경도시험은 1900년 스웨덴의 J.A.Brinell이 steel ball을 시험편에 압입할 때 압입 저항력의 크기로 경도를 측정하는 방법을 제안한 시험이다. 이 시험은 각종 공업재료의 브리넬경도값 측정,경도와 강도와의 관계 이해, 가공상태 및 열처리 상태의 재료특성 평가에 목적이 있다. 브리넬경도값은 다음 식으로 표시된다.H _{B} = {P} over {A} = {P} over {pi Dh} = {2P} over {pi D(D- sqrt {D ^{2} -d ^{2} )}}P : 작용하중(kgf)D : 강구(steel ball)의 직경(mm)d : 강구에 의한 압입자국의 직경(mm)h : 강구에 의한 압입자국의 최대 깊이(mm)A : 강구에 의해서 생긴 압입자국의 표면적(mm _{}^{2} )-압입자와 압입하중의 선정에서 압입자 재료의 선택은 재료의 경도에 따라 선택한다. 동일재료에 대해서 항상 일정한 경도를 얻으려면 압흔직경 d와 압입자직경 D의 비(d/D)가 0.25~0.5가 되도록 압입하중 P를 선택한다.이는 k(=P/D{}^{2})값어야 하고 평면도는 압입자국의 직경을 0.01mm까지 쉽게 측정할 정도로 되어 있어야 한다. 시편의 두계는 압입자국의 깊이의 약 10배 이상으로 하고 시험편의 폭은 압입자국의 직경(d)의 약 5배 이상이어야 한다. 하중작용시간에서 강철에 대해서는 15~20초, 연한금속은 30초 정도로 한다.일반적으로 하중작용시간이 길면 하중이 다소 증가한다. 자국의 지름과 깊이와의 관계에서 융기형은 냉간 가공된 재료, 참값보다 크게 나타나는 것이고 침각형은 어닐링 처리된 금속, 참값보다 적게 나타나는 것이다. 그리고 평면형이 있다.-브리넬경도시험의 특징에는 시편 윗면의 상태에 의하여 측정치에 큰 오차가 나타나지 않으며 측정시간이 비교적 길다.또한 커다란 압입자국을 얻을 수 있으므로 불균일한 재료의 평균적인 경도값을 측정할 수 있고 간단한 장치로 현장에서도 경도를 측정할 수 있다는 이점이 있기 때문에 주물제품의 경도측정에 많이 이용된다.용도로는 주물과 같이 재료의 자체의 불균일성이 커서 넓은 부위의 압입자국이 필요한 재료의 경도를 조사할 때 주로 사용된다. 시편이 작은 것, 특히 얇은 재료나 침탄강, 질화강 등의 표면경도를 측정하기에는 부적당하다. 브리넬 경도시험은 다른 경도시험에 비하여 표면의 긁힘이나 거칠기에 덜 영향을 받는다.(8)로크웰경도시험-로크웰경도시험은 1919년 미국의 S.P.Rockwell에 의하여 고안되고 Wilson에 의해 실용화되었다. 브리넬 경도시험은 현장에서의 실용성은 있으나 정밀도 및 측정시간에 문제가 있고, 쇼어경도시험은 숙련이나 정밀도의 관점에 문제가 있으므로 정밀도가 높고 단시간 측정에 편리한 로크웰경도시험이 좋은 반응을 받을 수 있었따. 위 시험의 목적은 각종 공업재료의 로크웰 경도값 측정, 경도와 강도와의 관계 이해, 가공상태, 열처리 및 표면처리 상태에 따른 재료특성 평가에 있다. 로크웰 경도 시험의 측정원리는 압입자에 기준하중(초하중;W=10kgf)으로 시험편의 표면에 압입하고 여기에 다시 시험하중(주하중;W=10kgf+14-kgf=150kgf의 초하중(기준하중)상태에서 시작하므로 시험편의 표면상태를 어느 정도 무시할 수 있고 측정면이 반드시 평면이어야 할 필요가 없고, 경우에 따라서는 환봉시험편이라도 측정이 가능하다. 경도치는 눈금판에서 읽을 수 있으므로 조작이 용이하고 다수의 시험을 할 경우 유리하다. 압입자국이 비교적 작다. 우측 사진은 로크웰경도시험기의 사진이다.(9)비커스경도시험-비커스경도시험은 1925년 R.L.Smith와 G.E.Sandland가 처음으로 제안한 것을 영국의 비커스 암스트롱에서 시험기를 상품화하였다. 브리넬 경도시험의 단점을 보완하였으며 위 시험의 목적은 각종 공업재료의 비커스경도값 측정, 경도와 강도와의 관계 이해, 가공상태, 열처리 및 표면처리 상태에 따른 재료특성 평가가 있다. 비커스경도시험의 측정원리에서 비커스 경도 (Hv)는 대면각이 136{}^{o}의 다이아몬드로 시편을 압입하였을 때 작용하중 (P)을 압입된 자국의 표면적(A)으로 나눈 값이다.H _{v} = {P} over {A} = {P} over {{d ^{2}} over {2sin {theta } over {2}}} = {2Psin {theta } over {2}} over {d ^{2}} = {2Psin68 ^{CIRC }} over {d ^{2}} = {1.8544P} over {d ^{2}}Hv : Vivkers Hardness Number(kg/mm ^{2} )d : 압입자국의 대각선의 길이 [diagonal of indentation(mm)]P : 작용하중 [applied load(kgf)]theta : diamond pyramid의 대면각 [angle between opposite face(136 ^{CIRC } )#-비커스경도시험기의 구조는 암스트롱형에서 시험하중은 지렛대와 하중용 추에 의해 가해진다. 지렛대의 작동은 캠과 오일댐퍼에 의해 규제된다. 즉 페달을 밟으면 그림과 같이 시험개시의 상태가 되며, 이때 핸들을 누르면 캠의 회전을 구속하고 있던 걸쇠가 빠지면서 캠이 시계방향으로 실시하지 않으면 안 된다. 시험편의 두께는 최소한 입입자국 대각선 길이의 1.5배 이상이 되어야 한다. 시험 부위를 선정할 때 시험위치가 지정되어 있지 않은 경우에는 평균 경도를 측정하고 불균일한 재료의 경우 부위별로 측정한다.-비커스경도시험조건에서 부하속도, 하중유지시간 등이 경도값에 영향을 주므로 이들 조건을 일정하게 해야 일관성있는 경도값을 얻을 수 있다. 시험편의 재질, 경도, 시험기 종류 등이 영향을 미치기 때문에 일괄적인 최적조건은 정해질 수 없다. 일반적으로 시험조건이 변해도 경도측정값이 거의 변화하지 않는 시간 이상의 조건에서 경도시험이 실시되어야 한다고 볼 수 있지만 너무 시간이 오래 걸리므로 적절히 조절하여 시행한다. KS B 0811의 비커스 경도시험방법에는 Hv700의 시험편을 30kgf 시험하중으로 시험하는 경우 부하시간을 5~10초, 하중유지시간을 10~15초로 하도록 규정하고 있다. 아래 사진은 비커스경도 시험기의 구조이다.-비커스경도시험의 특징은 압입자가 diamond 이므로 아주 단단한 재료도 측정이 가능하고 자국이 정사각형->원형으로 보이는 자국에 비해서 실험면상에서 경계가 명확하게 보인다. 자국이 항상 상사형이므로 하중을 1~50kgf까지 변경해도 경도값이 거의 일정하다. 자국이 작으므로 경우에 따라서는 직선제품에 대해서도 측정할 수 있따. 하중을 광범위학 ㅔ변경해도 경도의 수치에는 거의 영향이 없으므로 아주 얇은 금속판, 침탄층, 질화층에도 적용되고 따라서 두께의 차이가 심한 시편의 경우에도 하중을 적당히 선정해서 시험하면 동일 규준하의 경도측정이 되고 이들의 수치는 그대로 비교될 수 있다. diamond pyramid선단의 둥글기는 1/1000mm 이하이므로 다른 치수가 정확하게 다듬질되어 있으면 선단의 영향을 고려할 필요가 없다.3. 실험 방법3-1. 시편 준비 및 시편 정보1. s25C 3개 , s45C 3개의 시편을 준비한다2. 시편을 #100~#2000까지 연마한다(일정방향으로 연마하고 다음으로 넘어갈 때는 연마방

공학/기술| 2025.11.02| 13페이지| 2,500원| 조회(94)

경도실험, 금오공대, 첨단신소재물성분석

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