재료의 경도

경도는 국부 소성변형에 대한 재료의 저항성을 나타내는 또 하나의 중요한 기계적 성질이다. 예전의 경도 시험은 자연 광석에 대하여, 한 재료가 다른 재료에 흠을 낼 수 있는 가능성을 알아보기 위한 것이었다. 연한 석회를 1로 하고 다이아몬드를 10으로 한 모스 스케일이라는 임의의 정성적 경도 식별법이 고안되었다. 정량적 경도 시험법은 하중 및 속도를 조절할 수 있는 조건에서 시험할 재료를 조그만 누름자로 표면을 누르는 방법으로 몇 년을 두고 개발되었다. 눌린 자국의 깊이 또는 크기를 경도 지수와 관련지어 누름 자국이 크고 깊을수록 경도 지수는 더 작아진다. 그러나 측정한 경도값은 절대적이 아니라 상대적 의미를 가지므로 측정 방법이 서로 다를 경우에는 주의해야 한다.

로크웰 시험법은 간단하고 특별한 기술이 필요하지 않으므로 가장 널리 쓰이는 경도 시험법이다. 이 시험법에는 여러 가지의 누름자와 하중을 조합함으로써 사실상 가장 단단한 것에서부터 가장 연한 것까지 모든 금속과 합금을 시험할 수 있는 스케일이 있다. 누름자로는 지름이 1.588, 3.175, 6.350, 12.70mm인 경화 강구와 아주 단단한 재료의 시험을 위한 원추형 다이아몬드 누름자가 있다. 초기에 가한 미세 하중과 그 후에 가한 주 하중으로부터 생긴 침투 깊이의 차이로 경도 지수를 결정하며, 초기 미세 하중을 작용시킴으로써 시험의 정확도를 높이었다. 주 하중과 미세 하중의 양에 따라 로크웰과 가상 로크웰의 두 가지 형태가 있다. 로크웰의 경우에는 미세 하중이 10kg이며, 주 하중은 60, 100, 150kg이다. 각각의 스케일은 알파벳으로 표시된다. 반면, 가상 로크웰의 미세 하중은 3kg, 주 하중은 15, 30, 45kg이다. 이 스케일은 각각 누름자의 종류에 따라 N, T, W, X, Y로 표시하고, 그 뒤에 하중에 따라 15, 30, 45 등으로 표시한다. 가상 시험은 주로 얇은 시편에 대해 행한다.

로크웰과 가상 로크웰 경도를 나타낼 때는 경도 지수와 스케일의 상징을 모두 표시해야 한다. 스케일은 표시인 HR 뒤에 적절한 스케일 표식을 붙여서 나타낸다. 어떤 스케일이든지 경도를 130까지 측정할 수 있으며, 어떤 하나의 스케일로 100 이상이거나 20 이하의 값을 나타내면 측정값이 정확하지 못하다는 것을 의미한다. 스케일은 서로 중복해 경도를 측정할 수 있으므로, 이러한 경우에는 더 강하거나 더 약한 스케일을 사용하여 다시 측정하는 것이 좋다.

시편이 너무 얇거나 너무 시편 가장자리에서 측정했거나, 또는 누름 위치를 너무 가까이했을 경우에는 부정확한 결과가 나오므로, 시편의 두께는 적어도 누름 깊이의 10배가 되어야 한다. 누름 위치의 중심으로부터 시편 가장자리까지의 간격은 적어도 3개의 누름자가 들어설 정도의 여유를 가져야 한다. 다음번에 측정할 누름 위치의 중심까지의 거리도 마찬가지이다. 또한 시편 위에 다른 시편을 올려놓고 시험하는 것은 좋지 않다. 정확한 시험을 위해서는 부드럽고 평평한 표면 위에 누름자가 위치하도록 한다. 현재 사용하는 로크웰 시험기는 자동화되어 있으므로 사용하기가 매우 간단하며, 몇 초 안에 시험 결과를 직접 확인할 수 있다. 또한 하중 시간을 조절할 수 있으므로, 경도 데이터를 해석하는 데 이러한 하중 시간도 하나의 변수로 고려해야 한다.

브리넬 경도 시험에서는 로크웰 경도 시험과 마찬가지로 시현의 표면을 구형 누름자로 누른다. 경화강으로 만든 누름자의 지름은 10mm이다. 표준 하중은 500kg과 3000kg의 범위 내에 있으며, 500kg씩 증가한다. 시험 중에 하중은 정해진 시간 동안 일정하게 유지되며, 단단한 재료일수록 더 큰 하중이 요구된다. 브리넬 경도 지수 HB는 누름 자국의 지름과 하중량의 함수이다. 저배율의 현미경으로 접안렌즈에 새겨진 눈금을 이용하여 누름 자국의 지름을 측정하며, 측정한 지름을 도표를 이용하여 적절하게 대응되는 HB 지수로 변환시킨다. 이때는 단지 하나의 스케일만을 사용해야 한다.

반자동 브리넬 경도 측정장치도 있다. 이 방식은 누름 자국 위에 카메라를 위치시킬 수 있는, 디지털카메라를 장착한 광학 주사 시스템을 적용하고 있다. 카메라로부터 입력된 데이터는 누름 자국을 분석하는 컴퓨터로 전송되어 누름 크기를 결정하고 브리넬 경도 번호를 계산한다. 이 방식은 수동 측정 방식에 비해 최종 표면처리에 대한 요구조건이 더욱 까다롭다. 최소 시편 두께 및 시편 위치에 관한 요건은 로크웰 경도 시험의 경우와 같다. 부드럽고 평평한 면 위에 누름자가 위치하도록 해야 정확한 경도값을 측정할 수 있다.

다른 경도 시험으로는 누프 경도 시험과 다이아몬드 피라미드라고 부르는 비커스 경도 시험이 있다. 누름자는 피라미드형의 조그만 다이아몬드로 되어 있다. 작용 하중의 크기는 로크웰이나 브리넬보다 아주 작아 1~1000g 사이이다. 누름 자국은 현미경으로 관찰하여 측정한 후 경도 지수로 변환시킨다. 정확한 측정을 위해서 시편의 표면 처리에 주의를 기울여야 한다. 누프 경도 지수는 HK로, 비커스 경도 지수는 HV로 나타내는데 경도 스케일은 서로 같다. 이 두 방법은 작은 작용 하중을 사용한다. 누름 크기가 작으므로 미세경도 시험이라고 하며, 조그만 선정 부위의 경도를 측정하는 데 쓰인다. 누프는 세라믹과 같은 취성 재료의 경도를 측정하는 데 사용된다.

현대식 미세경도 시험기는 누름 장치에 컴퓨터와 소프트웨어를 장착한 영상분석기를 결합해 자동화하고 있다. 소프트웨어는 누름 자국 위치, 누름 자국 간격, 경도값 계산 및 데이터의 그래프 처리와 같은 중요한 시스템 기능을 통제한다. 오늘 언급하지는 않았지만 자주 사용되는 경도 시험법으로는 초음파 미세경도기, 동적 경도 시험기, 소성 재료와 탄성 중합체 재료 시험에 사용하는 듀로미터 및 흠집 경도 시험기 등이 있다.