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굳기

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1. 개요

굳기는 재료가 변형에 저항하는 정도를 나타내는 물성으로, 긁힘, 압입, 반발의 세 가지 주요 측정 방법이 존재하며, 각 방법 내에서 다양한 척도가 사용된다. 굳기 시험은 금속, 세라믹, 고무 등 재료의 특성에 따라 다르게 적용되며, 압입 굳기 시험이 금속에, 고무에는 변형량을 측정하는 시험이 주로 사용된다. 굳기 측정법에는 브리넬, 비커스, 록웰, 쇼어 경도 등이 있으며, 긁힘 경도, 압입 경도, 반발 경도 등 다양한 유형이 존재한다. 경도는 재료의 미세 구조, 특히 전위와 같은 결함의 존재에 따라 달라지며, 경화 처리와 밀접한 관련이 있다. 굳기 값과 응력-변형률 곡선 사이에는 관련성이 있지만, 굳기 값으로부터 응력-변형률 관계를 추론하는 것은 쉽지 않다.

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굳기
서론
정의재료의 국부적인 영구 변형에 대한 저항을 측정하는 것
관련 속성경직도
인성
탄성
가소성
점탄성
개요
설명경도는 단일 재료의 긁힘, 마모, 절단 또는 영구 변형에 대한 저항을 측정한 것
경도는 재료의 경직도, 가소성, 연성, 변형률, 강도, 인성, 점탄성 및 점성을 나타내는 복잡한 속성
경도 측정
방법압입 경도 시험
긁힘 경도 시험
반발 경도 시험
경도 척도
압입 경도브리넬 경도
비커스 경도
로크웰 경도
마이어 경도
누프 경도
긁힘 경도모스 경도
모스 광물 경도 척도
반발 경도쇼어 경도
응용
사용 분야재료 과학
공학
야금
건설
관련 용어
관련 용어경직도
강도
탄성
가소성
점탄성
주의사항
설명경도와 경성은 다른 개념임
경도는 재료 표면의 영구 변형에 대한 저항을 나타내고, 경성은 재료의 탄성 변형에 대한 저항을 나타냄

2. 경도 측정 방법

경도 측정에는 크게 긁힘, 압입, 반발의 세 가지 유형이 있다. 각 측정 유형에는 고유한 척도가 있으며, 실용적인 목적으로 변환 표를 사용하여 척도 간 변환을 수행한다.[1]

굳기는 정의하는 방법에 따라 다양한 값을 가질 수 있다. 이는 금속, 세라믹, 고무 등 재료의 특성에 따라 미세한 변형을 주는 힘에 대한 반응이 다르기 때문이다. 또한, 굳기 시험을 통해 평가하려는 재료의 성능 항목이 다양하므로, 여러 측정법이 개발되었다.

금속의 경우, 주로 압입 경도 시험법이 사용된다. 이는 일정 하중으로 생긴 압흔(움푹 들어간 자국)의 면적이나 깊이를 통해 변형의 어려움, 즉 굳기를 평가하는 방식이다. 하중, 압자 끝의 형상, 굳기 값 계산 방법은 각각 정의되어 있다.

고무의 경우, 일정 하중을 가했을 때의 변형량을 굳기 값으로 사용하는 측정법이 주로 사용된다.

굳기는 다양한 측정 수단(정의)과 그에 따른 값(굳기 척도)을 가진다. 대표적인 굳기 측정법 사이에는 상관 관계가 존재하지만, 이는 제한된 재료에서 얻어진 것이므로 대략적인 기준으로 사용된다.

비커스 경도 시험기


시험법명분류압자 형상경도 산출법해설
마르텐스 경도긁기 경도대면각 90° 피라미드0.01 mm 폭의 긁기 폭의 하중
쇼어 경도(HS)반발 경도선단에 다이아몬드 반구를 부착한 해머해머를 떨어뜨렸을 때의 튕겨져 나오는 높이를 원래 높이로 나누어 산출계측은 간단하며, 대부분의 계측기는 소형 경량으로 휴대 가능
모스 경도긁기 경도10단계의 경도를 가진 다양한 광물기준이 되는 광물로 긁었을 때 흠집이 생기는지 여부절대적인 수치는 측정할 수 없으며, 주로 야외에서 광물의 동정에(광물 및 지질 관련 예비 지식과 함께) 사용


2. 1. 긁힘 경도 (Scratch hardness)

''긁힘 경도''는 날카로운 물체와의 마찰로 인해 시료가 파괴 또는 영구적인 소성 변형에 얼마나 저항하는지를 측정하는 것이다.[1] 더 단단한 재료로 만들어진 물체가 더 무른 재료로 만들어진 물체를 긁는다는 것이 그 원리이다. 코팅을 테스트할 때, 긁힘 경도는 필름을 기판까지 절단하는 데 필요한 힘을 의미한다. 가장 일반적인 테스트는 모스 굳기계이며, 이는 광물학에 사용된다. 이 측정을 수행하는 한 가지 도구는 경도계이다.

이러한 테스트를 수행하는 데 사용되는 또 다른 도구는 '''포켓 경도 시험기'''이다. 이 도구는 눈금이 있는 팔과 4륜 캐리지에 부착되어 있다. 날카로운 가장자리가 있는 긁힘 도구가 테스트 표면에 미리 정해진 각도로 장착된다. 이 도구를 사용하려면 알려진 질량의 추를 눈금이 있는 표시 중 하나에 있는 스케일 암에 추가한 다음 도구를 테스트 표면을 가로질러 긋는다. 무게와 눈금 표시를 사용하면 복잡한 기계 없이도 알려진 압력을 가할 수 있다.[2]

2. 2. 압입 경도 (Indentation hardness)

HR* = 100 - 500 h (HRA, HRD, HRC)압자・하중에 따라 다양한 스케일이 있다.슈퍼피셜 경도꼭지각 120° 원뿔 (선단 0.3 mm) 또는 강구 (φ1.5875 mm)시험 하중을 가한 후, 기준 하중으로 되돌렸을 때의 움푹 들어간 깊이의 차이 h
HR* = 100 - 1000 h록웰보다 낮은 시험 하중Meyer hardness test|마이어 경도영어측정 하중을 압자 투영 면적으로 나눈 것
HM = W /AHv 등의 산출이 압자 접촉 면적으로 나누는 것에 비해 물리적 의미가 높다고 여겨진다.듀로미터 경도꼭지각 35° 원뿔압자의 밀어 넣는 깊이. 822 g으로 밀어 넣는 깊이 0을 100, 밀어 넣는 깊이 2.54 mm로 0수지용 경도계Barcol hardness test|바콜 경도영어꼭지각 26° 원뿔압자의 밀어 넣는 깊이수지용 경도계모노트론 경도0.75 mm 구형 압자압자의 밀어 넣는 깊이 0.0457 mm가 될 때의 하중수지용 경도계


2. 3. 반발 경도 (Rebound hardness)

반발 경도는 동적 경도라고도 하며, 고정된 높이에서 재료에 떨어뜨린 다이아몬드 팁 해머의 "반동" 높이를 측정한다. 이러한 유형의 경도는 탄성과 관련이 있다. 이 측정을 수행하는 데 사용되는 장치는 경도계라고 한다.[3] 반발 경도를 측정하는 두 가지 척도는 리브 반발 경도 시험과 베넷 경도 척도이다.

3. 경도와 기계적 성질

고체 역학에서 고체는 힘의 크기와 재료의 종류에 따라 세 가지 반응을 보인다.



응력-변형률 곡선은 응력과 변형률의 관계를 보여준다.


재료 강도는 재료의 탄성 범위 또는 탄성 및 소성 범위를 측정한 것이다. 압축 강도, 전단 강도, 인장 강도로 정량화된다. 극한 강도는 부품이 견딜 수 있는 최대 하중을 나타낸다.

취성은 재료가 소성 변형 없이 파괴되는 경향을 말한다. 기술적으로는 취성이면서 강할 수 있다. 일상 용어에서는 "취성"은 작은 힘으로 파괴되는 경향을 의미하며, 이는 취성이면서 강성이 부족한 것을 나타낸다. 완벽하게 취성인 재료는 항복 강도와 극한 강도가 같다. 취성의 반대는 연성이다.

인성은 파괴되기 전에 흡수할 수 있는 최대 에너지의 양으로, 가해지는 의 양과는 다르다. 인성은 취성 재료에서 작아지는 경향이 있다.

경도는 입자 크기가 감소함에 따라 증가한다. (홀-페치 관계) 그러나 임계 입자 크기 이하에서는 경도가 입자 크기가 감소함에 따라 감소한다. (역 홀-페치 효과)

재료의 변형에 대한 경도는 미세 내구성 또는 작은 규모의 전단 탄성 계수에 의존하며, 부피 탄성 계수 또는 영률과 같은 강성 특성과는 다르다. 강성은 종종 경도와 혼동된다. 예를 들어, 오스뮴은 다이아몬드보다 강성이 크지만, 더 단단하지 않고 쉽게 부서진다.

굳기는 정의하는 방법에 따라 다양한 값을 가질 수 있다. 금속, 세라믹, 고무 등 재료 특성에 따라 미세한 변형을 주는 힘에 대한 거동이 다르기 때문에, 실용적인 목적으로 여러 측정법이 개발되었다.

금속에서는 압입 굳기 시험법이 많이 사용된다. 이는 일정 하중으로 생기는 압흔의 면적 또는 깊이로 굳기를 평가한다.

고무에서는 일정 하중을 가했을 때의 변형량을 굳기 값으로 하는 측정법이 많이 사용된다.

굳기에는 다양한 측정 수단과 척도가 있다. 대표적인 측정법 사이에는 대응 관계가 있지만, 제한된 재료에서 상관 관계를 얻은 것으로 대략적인 기준이다.

  • 탄성 계수 (세로 탄성 계수)
  • 강성률
  • 강도
  • 인장 강도 - 인장 응력
  • 압축 강도 - 압축 응력
  • 전단 강도 - 전단 응력
  • 변형률

4. 경화 처리

홀-페치 강화, 가공 경화, 고용체 강화, 석출 경화, 마르텐사이트 변태와 같은 경화 공정들이 있다.

5. 경도와 미세 구조

금속의 경도를 이해하려면 금속의 미세 구조, 즉 원자 수준에서 원자의 구조와 배열을 이해하는 것이 중요합니다. 대부분의 금속 특성은 재료의 미세 구조에 의해 결정됩니다.[7] 금속 원자는 원자 수준에서 결정 격자라는 질서 정연한 3차원 배열을 이룹니다. 그러나 실제 금속은 여러 개의 입자를 포함하며, 각 입자는 불규칙성을 포함하고 있습니다.

재료의 경도에 영향을 미치는 미세 구조의 입자 수준 불규칙성에는 점 결함과 선 결함이 있습니다. 점 결함은 격자 위치 하나에서 발생하는 불규칙성으로, 공석 결함(원자 누락), 치환 결함(다른 원자 존재), 간극 결함(원자 사이에 추가 원자 존재)이 있습니다. 선 결함은 원자 평면의 불규칙성으로, 전위가 대표적입니다. 엣지 전위는 원자 반 평면이 끼어든 형태이고, 나사 전위는 두 원자 평면이 어긋나 나선형 배열을 이룬 형태입니다.[8]

전위는 원자 평면이 미끄러져 플라스틱 변형(영구 변형)을 일으키는 메커니즘을 제공합니다.[7] 전위의 움직임은 재료의 경도를 감소시킵니다.

전위와 간극 원자의 상호작용은 원자 평면의 움직임을 억제하여 재료를 더 단단하게 만듭니다. 전위가 서로 교차하거나 간극 원자와 만나면 닻 지점이 생성되어 원자 평면이 미끄러지는 것을 막습니다.[10]

간극 원자 수와 전위 밀도를 조절하면 금속 경도를 제어할 수 있습니다. 전위 밀도가 증가하면 더 많은 교차가 발생하여 닻 지점이 늘어나고, 간극 원자가 많을수록 전위 움직임을 방해하는 고정 지점이 많아져 재료는 더 단단해집니다.

6. 경도값과 응력-변형률 곡선

경도 값과 재료가 나타내는 응력-변형률 곡선 사이에는 주의해야 할 관계가 있다. 응력-변형률 곡선은 일반적으로 인장 시험을 통해 얻어지며, 재료(대부분 금속)의 전체 소성 거동을 나타낸다. 실제로 (진) [https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/mechanical_testing_metals/von_mises.php 폰 미세스 소성 변형률]이 (진) 폰 미세스 응력에 의존하지만, 이는 인장 시험의 직접적인 결과인 공칭 응력 – 공칭 변형률 곡선(네킹 이전 영역)에서 쉽게 얻을 수 있다. 이 관계는 재료가 거의 모든 하중 상황에 어떻게 반응할지 설명하는 데 사용될 수 있으며, 종종 유한 요소법(FEM)을 사용한다. 이는 압입 시험의 결과(주어진 크기와 모양의 압입자, 그리고 주어진 가해 하중)에도 적용된다.

그러나 경도 값은 응력-변형률 관계에 의존하지만, 응력-변형률 관계를 경도값을 통해 추론하는 것은 간단하지 않으며, 일반적인 경도 시험 중에는 어떤 엄격한 방식으로도 시도되지 않는다. (사실, 압입 시험의 반복적인 FEM 모델링을 포함하는 압입 소성 측정법 기술은 압입을 통해 응력-변형률 곡선을 얻을 수 있지만, 이는 일반적인 경도 시험의 범위를 벗어난다.) 경도 값은 소성 변형에 대한 저항성을 나타내는 반정량적 지표일 뿐이다. 경도는 대부분의 시험 유형에 대해 유사한 방식으로 정의되지만(보통 하중을 접촉 면적으로 나눈 값) 특정 재료에 대해 얻은 값은 시험 유형에 따라 다르며, 동일한 시험이라도 가해지는 하중에 따라 다르다. 응력-변형률 곡선의 특징, 특히 항복 강도와 인장 강도(UTS)를 특정 유형의 경도 값에서 얻을 수 있도록 해주는 간단한 분석 표현식을 식별하려는 시도가 때때로 이루어진다.[11][12][13][14][15] 그러나 이들은 모두 경험적 상관 관계에 기반하며, 종종 특정 유형의 합금에 특화되어 있다. 이러한 제한조차도, 얻은 값은 종종 매우 신뢰할 수 없다. 근본적인 문제는 다양한 조합의 항복 강도와 가공 경화 특성을 가진 금속이 동일한 경도 값을 나타낼 수 있다는 것이다. 어떤 정량적인 목적으로든 경도 값을 사용하는 것은, 기껏해야, 상당한 주의를 기울여야 한다.

참조

[1] 논문 Scratch testing of metals and polymers: Experiments and numerics 2009
[2] 웹사이트 Hoffman Scratch Hardness Tester https://www.byk.com/[...]
[3] 웹사이트 A guide to rebound hardness and scleroscope test http://www.articlest[...] 2006-12-10
[4] 웹사이트 Novotest http://novotest.biz/[...] 2015-10-23
[5] 논문 Diamonds are not forever http://physicsworld.[...] 2005-08-25
[6] 논문 High Pressure Behavior of Silicon Clathrates: A New Class of Low Compressibility Materials 1999-05-19
[7] 서적 Physical metallurgy Cambridge University Press 1978
[8] 서적 Introduction to materials science course manual University of Wisconsin-Madison 2009
[9] 논문 Prediction of Glass Hardness Using Temperature-Dependent Constraint Theory
[10] 서적 The physical metallurgy of steels Hemisphere Pub. Corp., New York: McGraw-Hill 1981
[11] 논문 Improved relationship between Vickers hardness and yield stress for cold formed materials 2001
[12] 논문 The relationship between hardness and yield stress in irradiated austenitic and ferritic steels 2005
[13] 논문 Strength-hardness statistical correlation in API X65 steel 2011
[14] 논문 On the relationship between Vickers hardness and yield stress in Al-Zn-Mg-Cu Alloys 2015
[15] 논문 Correlation between the Ultimate Tensile Strength and the Brinell Hardness of Ferrous and Nonferrous Structural Materials 2021



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