실험 개요
경도는 재료의 국소적 소성변형 저항을 나타내는 척도로, 빠르고 비파괴적이라 산업 품질관리에 보편적으로 쓰인다. 학부에서는 같은 시편에 Rockwell·Vickers·Brinell을 적용해 측정 원리의 차이와 경도 간 환산식, 경도와 인장강도(σUTS ≈ 3.45 × HB)의 관계를 비교한다.
이론 배경
세 경도계 비교
Rockwell: 압입자(원뿔·구) 깊이를 직접 읽음, 빠르고 작은 변형. Vickers: 다이아몬드 사각피라미드 자국의 대각선 평균. Brinell: 큰 강구 압입 자국 직경, 큰 시편.
Vickers 경도식
HV = 1.854 F/d² (kgf, mm). 압입 자국이 작아서 미세조직 단위 측정 가능.
경도–인장강도 상관
강철에서 σUTS [MPa] ≈ 3.45 × HB. 경험식이며 모든 합금에 일반화되지 않음.
실험 장치 및 시약
- — Rockwell 경도계, Vickers 미경도계, Brinell 경도계
- — 표준 경도 블록(보정용)
- — 측정용 시편(연강·황동·알루미늄)
- — 공구 현미경(Vickers 자국 측정)
실험 절차
- 1.표준 블록으로 각 경도계 캘리브레이션.
- 2.시편 표면을 600~1000 grit 사포로 연마.
- 3.Rockwell HRB·HRC 스케일로 5점 측정 후 평균.
- 4.Vickers 1 kgf 하중으로 5점, 자국 대각선 측정.
- 5.Brinell 10/3000 kgf로 측정 후 직경으로 HB 산출.
데이터 처리
재료별 HRB·HV·HB를 표로 정리. 환산표(ASTM E140)와 비교. σUTS ≈ 3.45 HB로 인장강도 추정.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
각 시험의 적용 영역(연질·경질, 시편 크기) 차이를 분명히.
주의
측정점 사이 거리는 자국 직경의 3배 이상.
자주 하는 실수
- — 표면이 거칠어 자국 측정 오차가 커지는 것
- — 동일 위치에 두 번 측정하는 것
- — 환산표를 잘못 골라 다른 합금 표를 적용
자주 묻는 질문
Q. 왜 같은 재료라도 시험기마다 경도값이 다르게 나오나요?
각 시험은 압입자 모양·하중·측정량(깊이 vs 면적)이 다르고, 경도가 압입 거동의 비선형 함수이기 때문입니다. 그래서 환산은 경험적이며 정확한 비교가 필요한 경우 같은 시험으로 측정해야 합니다.
Q. 왜 σUTS ≈ 3.45 HB일까요?
Brinell 경도가 표면의 평균 압축 응력에 해당하고, 인장강도와 단순한 상수배 관계가 강철 합금에서 경험적으로 잘 맞기 때문입니다. 알루미늄·구리 합금에서는 다른 상수가 적용되며 정확한 인장강도 측정에는 인장시험이 필요합니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Callister, W.D., Rethwisch, D.G. — Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley, 2018
- [2]ASTM E140-12b — Standard Hardness Conversion Tables for Metals