소재 경도 평가: 변형 저항 이해하기

소재가 국소적인 영구 변형(들뜸 등)을 견디는 능력은 경도로 특징지어집니다. 절삭, 마모, 관통, 긁힘 등이 소재를 변형시킬 수 있으므로 경도는 소재의 변형 저항을 정의하는 데에도 사용될 수 있습니다.

소재의 국소적 영구 변형 저항은 경도로 측정됩니다. 소성 변형은 영구적 변형의 또 다른 용어입니다. 탄성 변형은 힘이 가해질 때만 형상이 변하는 반면, 소성 변형은 소재가 원래 형상으로 돌아가지 않을 때 발생합니다.

이 글에서는 다음 질문들을 다룹니다.

• 소재의 경도란 무엇인가?
• 경도의 종류는 무엇인가?

소재의 경도란 무엇인가?

경도는 기계적 들뜸이나 마모로 인한 국소적 소성 변형에 대해 소재가 얼마나 저항하는지 판단하는 방법입니다. 경도는 소재에 따라 다릅니다. 예를 들어 티타늄이나 베릴륨 같은 단단한 금속은 나트륨이나 금속 주석 같은 부드러운 금속, 목재, 일반 폴리머보다 더 단단합니다.

강한 분자 간 결합이 거시적 경도를 설명하지만, 힘 하에서 고체 소재의 거동은 복잡하므로 스크래치 경도, 들뜸 경도, 반발 경도는 모두 경도의 다른 측정 지표입니다. 연성, 탄성 강성, 소성, 변형률, 강도, 인성, 점탄성, 점도 등이 모두 경도에 영향을 미치는 요인입니다. 세라믹, 콘크리트, 특정 금속, 초경질 소재 등은 연질 물질과 비교할 수 있는 경질 물질의 예입니다.

일부 소재는 본질적으로 높은 경도를 가집니다. 예를 들어 텅스텐은 매우 단단한 금속으로 공구강의 합금 원소로 사용됩니다. 이는 이 그룹의 강철이 고온에서 절삭할 때도 내마모성을 갖도록 보장합니다. 텅스텐은 초경 합금에 자주 포함되며, 이는 밀링 커터에 일반적으로 사용됩니다. 이 교체 가능한 절삭 공구 비트는 절삭 공구 수명을 크게 연장시킵니다.

반면, 다양한 응용 분야에서 사용하기엔 너무 부드러운 소재도 있습니다. 순금은 매우 부드러워 긁거나 구부리는 데 거의 힘이 들지 않습니다. 경도를 개선하기 위해 은, 구리, 알루미늄 같은 다른 금속을 첨가해야 합니다.

일부 소재의 경우 열처리를 통해 표면 경도를 높이면서 금속의 다른 특성을 보존할 수 있습니다. 이는 기계 축의 수명 연장을 위해 일반적인 공정입니다. 제품 설계 개념을 개발할 때 엔지니어는 경도 비율도 고려해야 합니다. 예를 들어 베어링과 축 끼워맞춤에서 베어링이 더 부드러워야 하는데, 교체가 더 쉽기 때문입니다. 빈번한 움직임으로 한 부품이 마모되는데, 엔지니어가 최종 결정권을 가집니다.

경도의 종류는 무엇인가?

표면의 들뜸 저항을 측정하는 표준 시험으로 소재의 변형 저항성을 테스트합니다. 들뜸의 형태나 종류, 크기, 가해진 하중의 양이 가장 일반적인 경도 시험입니다.

스크래치, 들뜸, 반발은 세 가지 기본 경도 시험 유형입니다. 각 측정 클래스 내에 개별 측정 척도가 존재합니다. 실용적인 목적을 위해 변환표를 사용하여 한 척도에서 다른 척도로 변환합니다. 다음은 다양한 경도 유형입니다.

• 스크래치 경도
• 들뜸 경도
• 반발 경도

스크래치 경도

스크래치 경도는 날카로운 물체의 마찰로 인한 시료의 파단 또는 영구 소성 변형 저항을 의미합니다. 더 단단한 물질로 만든 물체가 더 부드러운 물질로 만든 물체를 긁을 수 있다는 원리입니다.

코팅 시험 시 스크래치 경도는 기판까지 필름을 자르는 데 필요한 힘을 의미합니다. 광물학에서 사용되는 모스 경도계가 가장 일반적인 시험입니다. 스클레로미터(sclerometer)라는 도구로 이 측정을 수행할 수 있습니다.

포켓 경도 시험기도 유사한 시험에 사용되는 도구입니다. 이 장치는 눈금이 있는 척 암이 네 바퀴 달린 마차에 연결되어 있습니다. 날카로운 테두리의 스크래치 도구가 미리 정해진 각도로 시험 표면에 부착됩니다. 사용법은 척 암의 눈금 표시 중 하나에 알려진 질량의 추를 올린 후 도구를 시험 표면 위로 끌어당기는 것입니다. 무게와 눈금 없이도 값비싼 기계 없이 알려진 압력을 가할 수 있습니다.

들뜸 경도

들뜸 경도는 날카로운 물체로부터 꾸준한 압축 하중으로 인한 시료의 소재 변형 저항을 측정합니다. 들뜸 경도 시험은 엔지니어링과 야금학에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 이 시험은 특별히 치수화되고 하중이 가해진 인덴터로 생성된 들뜸의 임계 치수를 결정하는 원리에 기반합니다. 로크웰, 비커스, 쇼어, 브리넬이 가장 일반적인 들뜸 경도 척도입니다.

반발 경도

반발 경도(동적 경도라고도 함)는 고정된 높이에서 소재에 떨어진 다이아몬드 팁 해머의 '튀어오름' 높이를 측정합니다. 이 경도 유형은 탄성과 관련이 있습니다. 스테레오스코프(stereoscope)는 이 측정을 수행하는 장치입니다.

리브 반발 경도 시험과 베넷 경도 척도는 반발 경도를 정량화하는 두 가지 척도입니다.

초음파 접촉 임피던스(UCI) 방식은 진동 막대의 주파수를 측정하여 경도를 평가합니다. 금속 샤프트에 진동 요소와 피라미드 모양의 다이아몬드가 한 쪽 끝에 부착되어 막대를 구성합니다.

요약

소재 경도는 엔지니어링 프로젝트 설계 시 고려해야 할 매우 중요한 요소입니다. 이것이 프로젝트의 신뢰성과 기능성을 결정합니다. 즉, 소재 경도는 엔지니어링 설계의 핵심 요소입니다. 이상으로 소재 경도에 대한 간략한 설명을 마칩니다.

유익한 읽기가 되셨길 바랍니다. 도움이 되셨다면 공유해 주세요. 읽어주셔서 감사합니다!