정적 하중을 받는 재료의 기계적 특성 살펴보기

1. 압축 테스트

1.1 개요

압축 시험은 정적 축 방향 압력 하에서 재료의 기계적 특성을 결정하는 데 사용되는 방법입니다. 재료의 기계적 특성을 평가하는 기본 기술 중 하나입니다.

이 테스트는 주로 상온에서 1축 압축을 받는 금속의 항복점과 취성 재료의 압축 강도를 측정하는 데 사용됩니다.

압축성은 압축 응력 하에서 변형 및 손상에 저항하는 재료의 능력으로 정의됩니다.

엔지니어링 분야에서는 대형 구조물의 기둥, 크레인 지지대, 철강 압연 공장의 압축 볼트 등 많은 부품이 압축 하중을 받습니다. 따라서 이러한 구성 요소에 사용되는 원자재는 적합성을 확인하기 위해 압축 테스트를 거쳐야 합니다.

1.2 개념

압축 항복 강도: 압축 시험 중 금속 재료가 항복하는 응력으로, 힘의 증가 없이 지속적인 변형이 발생하는 것이 특징입니다.

상단 압축 수율 강도: 항복으로 인해 힘이 떨어지기 전에 시편이 경험하는 가장 높은 압축 응력입니다.

낮은 압축 항복 강도: 순간적인 영향을 제외한 항복 기간 동안 발생하는 최소 압축 응력입니다.

인장 강도: 취성 재료의 경우, 파손될 때까지 압축하는 동안 샘플이 받는 최대 압축 응력입니다.

압축 탄성 계수: 테스트 중 축 방향 압축 응력과 축 방향 변형률 사이에 선형 비례 관계가 있는 범위 내에서 축 방향 압축 응력 대 축 방향 변형률의 비율입니다.

1.3 테스트 장비, 기기 및 샘플

장비 및 도구: 압축 테스트에는 다음 장비와 도구가 필요합니다:

• 재료에 대한 범용 테스트 장비.
• 정확한 측정을 위한 버니어 캘리퍼스.

테스트에 사용되는 압축 시편은 일반적으로 단면이 원형 또는 정사각형인 원통형입니다.

압축 시험 중에 시편의 양쪽 끝과 시험기의 압자 사이의 마찰로 인해 시편의 측면 변형이 제한될 수 있습니다. 시편이 짧을수록 이 제약의 영향이 더 커집니다. 그러나 시편이 너무 길면 쉽게 세로 굽힘과 불안정성을 초래할 수 있습니다.

1.4 압축 테스트의 기계적 분석

연강

저탄소 강철 샘플을 테스트 기계에 장착하고 축 방향 힘 F를 가하면 샘플의 변형이 Δl로 표시됩니다. 이 둘의 관계는 첨부된 그림에 나와 있습니다.

저탄소 강재는 압축 과정에서 탄성 단계, 항복 단계, 강화 단계의 세 단계를 거칩니다. 인장 시험과 달리 저탄소강은 압축 변형으로 인해 파단되지 않고 상하단에서 마찰의 영향으로 '드럼'을 형성합니다.

시편 직경이 동일하면 압축 및 인장 곡선의 탄성 단계가 거의 동일하고 항복점이 비슷합니다.

저탄소강은 플라스틱 소재입니다. 항복 후에는 소성 변형이 급격히 증가하고 시료의 단면적도 증가합니다. 면적이 증가하면 시료가 더 많은 하중을 견딜 수 있으므로 항복 한계만 측정할 수 있고 강도 한계는 측정할 수 없습니다.

C아스트 아이언

주철 샘플을 테스트 기계에 장착하고 축 방향 힘 F를 가하면 샘플의 변형이 Δl로 표시됩니다. 이 둘의 관계는 첨부된 그림에 나와 있습니다.

압축 강도는 회색 주철 은 인장 강도보다 3~4배 더 큽니다. 압축하는 동안 주철은 작은 변형으로 파단되어 축에서 45-55도 각도로 기울어진 단면 법선을 가진 약간 "드럼 모양"의 구조를 형성합니다.

시편 직경이 동일한 경우 주철의 압축 및 인장 곡선은 압축 강도가 인장 강도보다 훨씬 높으며 크게 달라집니다.

2. 굽힘 테스트

2.1. 개요

아래 자료의 속성 굽힘 하중 를 굽힘 속성이라고 합니다.

굽힘 테스트는 굽힘 하중을 받았을 때 재료의 성능을 평가하기 위해 수행됩니다.

취성 재료로 만들어진 공구, 빔, 차축 등과 같은 많은 기계 부품은 굽힘 하중을 받고 작동합니다. 이 테스트는 주로 주철과 같이 부서지기 쉽고 플라스틱 강도가 낮은 재료의 굽힘 강도를 측정하는 데 사용됩니다, 고탄소강와 공구강을 표시하고 가소성 지수의 편향을 나타냅니다.

굽힘 테스트는 소재의 표면 품질을 검증하는 데에도 활용할 수 있습니다.

이 테스트는 일반적으로 실온에서 수행되므로 저온 굽힘 테스트라고 합니다.

2.2 개념

처짐: 굽힘 변형 중 축에 수직인 방향으로 단면의 중심이 선형적으로 변위된 값입니다.

굽힘 응력: 굽힘 응력: 굽힘 중에 발생하는 응력입니다.

굽힘 변형률: 굽힘 중 샘플 스팬 중심 외부 표면의 단위 길이가 약간 변경되는 현상입니다.

벤딩 탄성 계수: 둘 사이에 선형 비례 관계가 있는 범위 내에서 굽힘 응력 대 변형률의 비율입니다.

굽힘 강도: 굽힘 강도: 지정된 굽힘 값 이전 또는 지정된 굽힘 값에서 도달한 최대 굽힘 응력입니다.

2.3 굽힘 테스트 원리

굽힘 시험에서는 특정 모양과 크기의 시편을 특정 경간 길이(L)의 지지대 위에 놓고 집중 하중을 가하여 시편에 굽힘 응력과 변형을 일으킵니다.

두 가지가 있습니다. 굽힘 유형 테스트: 3점 굽힘 및 4점 굽힘. 3점 굽힘은 가장 널리 사용되는 방법입니다.

2.4 굽힘 샘플 및 테스트 장치

굽힘 테스트 시편의 단면 모양은 원형, 정사각형, 직사각형 또는 다각형일 수 있지만 관련 제품 표준 또는 기술 계약에 명시된 사양을 준수해야 합니다.

실온에서 시편은 톱질, 밀링, 대패질 또는 기타 가공 방법을 통해 준비할 수 있습니다. 테스트할 시료의 일부에 움푹 들어간 곳이나 상처가 없어야 합니다.

시료의 가장자리는 파일링으로 매끄럽게 다듬어야 하며 반경은 시료 두께의 1/10보다 크지 않아야 합니다.

굽힘 테스트는 일반적으로 범용 재료 테스트 기계 또는 프레스 브레이크 기계.

테스트에 사용되는 일반적인 벤딩 다이에는 롤러형, V형 몰드형, 바이스형, 플레이트형 등이 있습니다.

2.5 굽힘 테스트의 기계적 분석

굽힘 곡선은 굽힘 테스트에서 얻은 굽힘 하중과 시편의 굽힘 처짐 사이의 관계를 그래픽으로 표현한 것입니다.

시편을 굽히는 동안 인장면 표면의 최대 정규 응력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다: σ= M/W, 여기서 σ는 다음과 같습니다:

M은 최대 굽힘 모멘트이며 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

• 3점 굽힘에서 M=FLs/4, 여기서 F는 하중, L은 스팬 길이, s는 시편의 중성축에서 외부 표면까지의 거리입니다.
• 4점 굽힘에서 M=Fa/2, 여기서 a는 두 지지대 사이의 거리입니다.

W는 굽힘 단면 계수이며 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

• 직경 d의 원형 시편의 경우, W=π d3/32입니다.
• 너비 b, 높이 h의 직사각형 표본의 경우, W=bh2/6입니다.

2.6 성능 지수

굽힘 강도: 굽힘 시 시편이 파단되기 전에 견딜 수 있는 최대 응력으로, σbb 기호로 표시되는 탄성 굽힘 응력 공식을 사용하여 계산합니다: σbb = Mb/W(여기서 Mb는 파단 지점에서의 굽힘 모멘트).

회색 주철 는 인장 강도에 비해 굽힘 저항이 높습니다.

골절 처짐: 파단 처짐을 측정하기 위해 시편을 굽힘 테스트 장치에 대칭으로 놓고 시편의 중간 지점에 처짐계를 설치합니다. 상수 굽힘 힘 을 시편이 파단될 때까지 가하고, 파단 순간에 스팬의 중간 지점에서 처짐을 측정합니다.

3. 전단 테스트

3.1 개요

전단 테스트는 전단을 평가하기 위해 수행됩니다. 재료의 강도. 전단 실패 시 시편이 전위를 경험하는 최대 힘을 결정하는 것이 포함됩니다.

전단력은 볼트, 핀, 리벳 등과 같은 다양한 엔지니어링 구조물에서 흔히 볼 수 있습니다.

샘플의 양면에 작용하는 하중의 결과 힘은 그림과 같이 크기가 같고 방향이 반대인 한 쌍의 힘과 선형 작용선으로 구성됩니다.

3.2 전단 시험의 분류

일반적으로 단일 전단 테스트, 이중 전단 테스트, 펀칭 테스트, 슬릿 전단 테스트 및 복합 재료의 다섯 가지 범주로 나뉩니다. 강판 전단 테스트.

3.3 샘플 및 테스트 장치

전단 시편 결정하기: 전단 시험편은 전단 시험 방법과 해당 고정구에 따라 선택됩니다.

원통형 샘플: 샘플의 직경과 길이는 고정구에 따라 선택되며, 일반적인 직경은 5, 10 또는 15mm입니다.

펀칭 플레이트 샘플: 얇은 판으로 원통형 샘플을 만들 수 없는 경우 펀칭 전단 샘플을 사용할 수 있습니다. 플레이트 샘플의 두께는 일반적으로 5mm 미만이어야 합니다.

실제 부품의 전단 샘플: 리벳이나 볼트와 같은 실제 부품을 전단 시료로 사용할 수도 있습니다.

테스트 설정:

3.4 전단 특성 결정

실온 전단 시험은 10℃~35℃의 온도 범위에서 수행해야 합니다.

다양한 샘플의 경우 적합한 장치를 선택합니다. 설치하는 동안 테스트 장비의 압자의 중심선과 정렬되어야 하며 중심에서 벗어나지 않아야 합니다. 전단 시험 속도는 15mm/min 이상이어야 하며, 고온 전단 시험 속도는 5mm/min 이상이어야 합니다.

고온 전단 시험의 경우, 온도 상승 시간은 1시간 이상, 보온 시간은 15~30분 이상이어야 합니다.

3.5 전단 테스트 데이터 처리

시편을 절단한 후 전단 시험 중 최대 시험력(F)을 기록합니다.

다음 공식을 사용하여 전단 강도(τb)를 MPa 단위로 계산합니다:

단일 전단 강도: τb=F/S₀ (S₀ - 샘플의 원래 단면적, mm²)

전단 강도가 두 배입니다: τb=F/2S₀=2F/(πd²)(S₀ - 샘플의 원래 단면적, mm²)

전단 강도가 두 배입니다: τb=F/(πd₀t)(d₀ - 펀칭 직경, mm²t - 샘플 두께, mm)

4. 비틀림 테스트

4.1 일반

비틀림 테스트는 비틀림 힘 또는 토크에 대한 재료의 저항을 평가하는 데 사용되는 방법입니다. 이는 재료의 기계적 특성을 테스트하는 기본적인 방법입니다.

이 테스트는 샘플에 토크 T를 가하고 토크 T와 해당 비틀림 각도 φ를 모두 측정한 후 비틀림 곡선을 그리는 방식으로 진행됩니다. 샘플은 일반적으로 파단될 때까지 비틀어지며, 비틀림 기계적 특성은 다음과 같습니다. 금속 소재 는 결과 데이터에서 결정됩니다.

기계, 석유, 야금 등 다양한 산업에서 샤프트, 스프링 등 기계 부품에 비틀림 하중이 가해지는 경우가 많습니다.

C특징

비틀림 응력의 높은 유연성 계수는 장력 하에서 재료의 취성을 측정하는 데 유용합니다. 예를 들어, 담금질 및 저온 강화 공구강의 가소성 연구에 적용할 수 있습니다.

비틀림 시험에서 실린더의 소성 변형은 전체 길이에 걸쳐 일정하며, 시험편의 단면과 게이지 길이는 정적 장력 동안 넥킹 현상 없이 일정하게 유지됩니다.

비틀림 시험은 재료의 정상 파단 모드와 절단 파단 모드를 구별하는 데 효과적입니다. 플라스틱 재료의 경우 파단 표면은 시편의 축에 수직이며 소용돌이 패턴으로 소성 변형 흔적이 있는 평평한 표면을 나타냅니다.

비틀림 테스트는 시편의 단면에 응력과 변형률의 분포를 드러내기 때문에 금속 표면 결함에 민감합니다. 따라서 열처리된 공작물의 표면 품질과 다양한 표면 강화 공정의 효과를 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

비틀림 테스트에서 시편은 높은 전단 응력을 받기 때문에 탄성 후유증, 탄성 히스테리시스, 내부 마찰과 같은 비동시 초기 소성 변형을 연구하는 데 유용한 도구가 됩니다.

4.2 비틀림 테스트 적용

비틀림 시험은 소성 및 취성 재료의 전단 변형 및 파괴와 관련된 모든 기계적 물성 지수를 측정하는 데 활용할 수 있습니다. 다른 기계적 물성 테스트 방법과 비교할 수 없는 장점이 있습니다.

비틀림 골절 형태

(a-절단 골절, b-정상 골절, c-층상 골절)

플라스틱 재료의 파단 표면은 그림 a와 같이 시험편의 축에 수직이며 소용돌이치는 소성 변형 흔적이 있는 평평한 모양을 갖습니다. 이러한 유형의 파단은 전단 응력에 의해 발생합니다.

반면, 취성 재료의 파단 표면은 그림 b와 같이 시험편의 축에 대해 약 45도 기울어져 있으며 나선형 모양을 하고 있습니다.

재료의 축 방향 절삭 저항이 횡 방향 절삭 저항보다 약한 경우 그림 c와 같이 비틀림 파단 중에 층 또는 우드칩 파단이 발생할 수 있습니다.

파단 표면의 특성을 조사하여 파단의 원인을 파악하고 재료의 비틀림 강도와 인장(압축) 강도의 상대적 강도를 평가할 수 있습니다.

4.3 비틀림 테스트의 원리

테스트 중에 토크가 증가함에 따라 테스트 피스의 게이지 길이 양쪽 끝 부분이 서로에 대해 지속적으로 회전하여 비틀림 각도가 증가합니다.

테스트 머신의 드로잉 장치를 사용하여 Mn-φ 곡선(비틀림 다이어그램이라고도 함)을 생성할 수 있습니다.

소재의 고유한 특성에 따라 비틀림 곡선은 저탄소강과 주철의 두 가지 대표적인 유형으로 분류할 수 있습니다.

비틀림 다이어그램은 인장 시험에서 얻은 응력-변형률 곡선과 비교할 수 있는데, 이는 비틀림 동안 시편의 모양이 변하지 않고 전체적으로 변형이 일정하기 때문입니다.

소성 변형 단계에 도달하더라도 변형이 증가함에 따라 토크가 계속 증가하여 결국 시편이 파손될 때까지 토크가 계속 증가합니다.

연강의 비틀림 곡선

탄력적 단계 OA

지점 D에서 시험편의 약한 부분(재료가 일정하지 않거나 결함이 있는 곳)에서 곡선에 도달하면 변형이 크게 증가하고 유효 단면이 급격히 감소하며 네킹이 발생합니다.

그 결과, 시편의 축 방향 변형은 주로 목 부분에 집중되고 시편은 결국 그 지점에서 파손됩니다.

적용된 토크가 탄성 범위 내에 유지되면 변형은 탄성을 가지며 Mn-φ 곡선은 직선으로 나타납니다.

가장자리의 전단 응력이 전단 항복 한계에 도달하면 해당 토크인 Mp에 도달합니다.

단면의 응력은 고르게 분포되어 있으며 표면에서 가장 높은 전단 응력(즉, τ 최대 = Mn/Wn)이 발견됩니다.

수율 단계 AB

탄성 한계를 초과하면 시편은 표면에서 시작하여 원의 중앙으로 퍼지면서 점진적으로 굴곡이 시작됩니다.

결과적으로 Mn-φ 곡선이 구부러지기 시작하고 단면의 소성 영역이 원의 중심을 향해 확장되며 단면의 응력이 비선형적이 됩니다.

전체 시편이 항복하면 Mn-φ 곡선에 항복 고원이 나타납니다.

활성 포인터로 표시된 최소 항복 토크는 이 시점에서 Ms.

적용된 토크가 탄성 한계 내에 유지되면 변형은 탄성을 가지며 Mn-φ 곡선은 직선을 유지합니다.

가장자리의 전단 응력이 전단 항복 한계에 도달하면 해당 토크는 M입니다._p.

단면의 응력은 선형적으로 분포하며 표면의 전단 응력이 가장 큽니다. 즉, τ _최대= M_n/ W_n

항복강도 τ_s=(3/4)(Ms/Wn)

BC 단계 강화

항복 단계를 초과하면 φ 곡선이 다시 상승하기 시작하여 재료가 변형에 저항하는 능력을 회복했음을 나타냅니다. 즉, 재료를 계속 변형시키는 데 필요한 토크가 계속 증가해야 합니다.

저탄소강은 장기간의 강화 단계를 거치지만 골절이 발생하기 전에 넥킹이 발생하지 않습니다.

비틀림 강도 제한 τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

주철의 비틀림 곡선

주철에 일정량의 하중이 가해지면 Mn-φ 곡선은 파괴점에 도달할 때까지 직선을 벗어나게 됩니다. 이는 주철의 소성 변형이 장력에 비해 비틀림 중에 더 두드러진다는 것을 나타냅니다.

τb라고 하는 강도 제한은 주철의 파단 지점에서의 최대 전단 응력으로 정의됩니다.

  τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

4.4. 비틀림 테스트용 시편

현재 표준에 따르면 샘플은 원통형과 관형의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

직경이 10mm, 게이지 거리가 각각 50mm와 10mm, 평행 길이가 70mm와 120mm인 원통형 샘플을 사용하는 것이 좋습니다.

다른 직경의 시편을 사용하는 경우 평행 길이는 게이지 길이에 직경의 두 배를 더한 길이와 같아야 합니다.

관형 시편의 평행 길이는 게이지 길이에 외경의 두 배를 더한 길이와 같아야 합니다.

4.5 비틀림 테스트용 기기 및 장비

비틀림 테스트 기계

다양한 유형의 기계식 또는 전자식 비틀림 테스트 기계가 허용됩니다.

테스트 장비의 토크 표시 상대 오차는 ±1%를 초과해서는 안 되며, 이는 계측 부서에서 정기적으로 확인해야 합니다.

테스트하는 동안 테스트 장비의 두 척 중 하나는 샘플에 추가적인 축 방향 힘을 가하지 않고 축을 따라 자유롭게 움직일 수 있어야 하며, 두 척은 동축 상태를 유지해야 합니다.

테스트 기계는 충격이나 진동 없이 시료에 지속적으로 토크를 가할 수 있어야 하며, 30초 동안 일정한 토크를 유지할 수 있어야 합니다.

비틀림 측정기

비틀림 각도 측정에는 미러형, 다이얼형, 전자형 등 다양한 유형의 비틀림 측정기가 허용됩니다.

전자식 비틀림 측정기를 사용하는 것이 좋습니다.

1-샘플, 2-고정 클램프 블록, 3-세트 너트, 4-회전 클램프 블록, 5-게이지 길이 눈금자, 6-디지털 다이얼 표시기

4.6 관련 기계적 특성

테스트 조건: 테스트는 10~35℃의 실온에서 수행해야 합니다.

비틀림 속도: 양보 전에는 분당 3°~30° 범위여야 하며, 양보 후에는 분당 720°를 초과하지 않아야 합니다.

속도 변경은 아무런 영향을 미치지 않아야 합니다.

(1) 전단 계수 결정

그래픽 방법:

토크 각도 곡선은 자동 기록 방법을 사용하여 기록해야 합니다.

토크 증분과 각도 증분은 커브의 탄성 선형 세그먼트에서 읽어야 합니다.

단계별 로드 방법:

탄성 직선 섹션의 범위 내에서 샘플은 최소 5개의 동일한 토크로 하중을 가해야 합니다.

각 단계의 토크와 해당 비틀림 각도를 기록해야 합니다. 각 단계의 평균 비틀림 각도 증분을 계산하고 그래픽 방식의 공식을 사용하여 전단 계수(G)를 계산해야 합니다.

(2) 지정된 비비례 비틀림 강도의 결정

토크-비틀림 각도 곡선은 자동 기록 방법을 사용하여 기록됩니다.

곡선상의 탄성 직선 세그먼트의 교차 비틀림 각도 축이 점 O까지 연장되고, OC 세그먼트가 차단되고, 탄성 직선 세그먼트에서 점 C를 통해 점 A까지 평행선 CA가 그려집니다. 점 A에 해당하는 토크는 Tp입니다.

지정된 비비례 비틀림 강도: τ_b=T_p/W

(3) 항복 강도 상한 및 하한 결정

측정은 다이어그램 방식 또는 포인터 방식을 사용하여 수행해야 합니다.

테스트 중에는 자동 기록 방법을 사용하여 비틀림 곡선을 기록하거나 테스트 기계의 토크 다이얼 포인터를 직접 관찰합니다.

상한 항복 토크는 첫 번째 강하 이전의 최대 토크로 정의되며, 하한 항복 토크는 초기 순간 효과를 제외한 항복 단계의 최소 토크로 정의됩니다.

상한 항복 강도: τ_eH=T_eH/W

낮은 항복 강도: τ_eL=T_eL/W

(4) 비틀림 강도 결정

샘플이 부러질 때까지 지속적으로 토크를 가합니다.

기록된 비틀림 곡선 또는 시험기의 토크 다이얼에서 시료가 비틀어지기 전 최대 토크를 기록한 다음 적절한 공식을 사용하여 비틀림 강도를 계산합니다.

비틀림 강도는 다음과 같이 계산됩니다:

τm = Tm / W

Where:

• τm = 비틀림 강도
• Tm = 최대 토크
• W = 단면 계수

4.7 샘플의 파단 분석

이는 골절이 전단 응력의 결과임을 보여줍니다.

연성 골절의 특징인 복잡한 소성 변형의 증거가 단면에서 관찰될 수 있으며, 이는 연성 골절의 특징입니다.

골절 지점의 강도 제한을 τ라고 합니다._b.

골절은 최대 인장 응력에 의해 발생한다는 것을 나타냅니다.

그러나 최대 인장 응력은 최대 전단 응력이 강도 한계에 도달하기 전에 파괴되므로 주철은 전단 강도에 비해 인장 강도가 약하다는 것을 알 수 있습니다.

순수 비틀림 동안 원형 시편의 표면은 순수 전단 응력을 경험하고 두 가지 주요 응력인 σ1과 σ3이 막대 축에 대해 ± 45º 각도로 나선형 표면에 적용되며 최대 전단 응력 τ의 절대값과 동일합니다._최대.

따라서 시료의 파단 각도를 통해 재료가 인장 또는 전단 응력을 받고 있는지 여부와 재료 자체의 인장 및 전단 저항 강도를 알 수 있습니다.

원형 시편의 표면은 순수 비틀림 중 순수 전단 응력 상태입니다.

5. 경도 테스트

5.1 일반

경도는 소성 변형, 함몰, 스크래치 등 국부적인 변형에 견디는 고체 재료의 능력을 의미하며, 이러한 작용에 대한 재료의 저항력을 나타냅니다.

경도는 단순한 물리적 특성이 아니라 탄성, 가소성, 강도, 인성 등 재료의 기계적 특성을 종합적으로 나타내는 지표입니다.

예를 들어 스크래치 경도 테스트는 금속의 균열에 대한 저항성을 측정하고 압입 경도 테스트는 변형에 대한 저항성을 평가합니다.

경도 데이터와 인장 강도와 같은 기타 기계적 특성 사이에는 다음과 같은 상관 관계가 있습니다. 경도 및 인장 강도 는 장력 중에 발생하는 소성 변형과 관련이 있습니다.

5.2 경도 테스트 방법 및 분류

경도 테스트는 가장 일반적으로 사용되는 기계적 물성 테스트이며, 가해지는 응력의 유형에 따라 압입과 스크래치의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

압입 방법에는 힘을 가하는 속도에 따라 정적 힘 테스트와 동적 힘 테스트의 두 가지 하위 범주가 있습니다.

널리 사용되는 브리넬 경도, 로크웰 경도 및 비커스 경도 시험은 정적 힘 시험의 예이며, 쇼어 경도, 리브 경도 및 해머링 브리넬 경도 시험은 동적 힘 시험의 예입니다.

경도 측정 방법의 적용 범위

쇼어 경도는 리바운드 방식이라고도 하며 압흔, 탄성 리바운드, 스크래치의 세 가지 범주로 더 나눌 수 있습니다.

동일한 유형의 경도 값은 변환할 수 있지만, 다른 방법으로 얻은 경도 값을 비교할 때 동일한 재료에 대해서만 변환할 수 있습니다.

경도 테스트의 특성

실험 방법은 간단하며 샘플 처리가 필요하지 않습니다.

표면에 발생하는 손상은 미미하며 '비파괴' 또는 미세 손상 감지의 범주에 속합니다.

정적 하중 하에서 경도와 다른 기계적 성능 지수 사이에는 상관관계가 있습니다. 예를 들어, 경도 측정값을 통해 강도 값을 추정할 수 있습니다.

측정 범위는 나노인덴터를 사용하여 여러 입자에서 단일 입자 또는 여러 원자에 이르기까지 다양할 수 있습니다.

5.3 개념

브리넬 경도(HB): 시험력을 가하여 발생하는 영구적인 압입 변형에 대한 재료의 저항을 측정하는 단위입니다. 초경합금 볼 들여쓰기.

누프 경도(HK): 다이아몬드 원뿔 압자를 통해 시험력을 가했을 때 발생하는 영구 압흔 변형에 대한 재료의 저항을 측정하는 단위입니다.

쇼어 경도(HS): 탄성 반발법을 사용하여 설정된 높이에서 시험 재료의 표면에 떨어졌을 때 스트라이커 핀(다이아몬드 드릴 팁이 달린 작은 원뿔)의 측정된 후퇴 높이로 표시되는 경도를 말합니다.

로크웰 경도(HR): 초경합금 또는 다이아몬드 콘 압자를 통해 시험력을 가했을 때 발생하는 영구 압입 변형에 대한 재료의 저항을 측정하는 단위로, 특정 눈금에 해당합니다.

비커스 경도(HV): 다이아몬드 피라미드 압자를 통해 시험력을 가했을 때 발생하는 영구적인 압흔 변형에 대한 재료의 저항을 측정하는 단위입니다.

리브 경도(HL): 지정된 품질의 충격체가 탄성력을 받아 설정된 속도로 시료 표면에 충격을 가했을 때 시료 표면에서 1mm 떨어진 펀치의 반동 속도와 충격 속도의 비율로 계산된 경도 값을 말합니다.

표준 블록: 압흔 경도 시험기의 간접 검사에 사용되며, 적격 압흔 값을 가진 표준 블록 재료가 있습니다.

5.4 경도와 재료 인장 강도의 관계

금속의 경도는 인장 강도에 비례하며, σb = kHB라는 공식으로 표현되며 여기서 k는 비례 계수입니다. 금속 재질에 따른 k 값은 다양합니다.

열처리를 거친 후 금속의 경도와 강도는 변할 수 있지만 k 값은 거의 변하지 않습니다. 그러나 금속이 냉간 변형을 거치면 k 값은 더 이상 일정하지 않습니다.

그리고 강철의 k 값 는 약 3.3입니다. 직접 측정을 통해 정확한 강도 데이터를 확보하는 것이 중요합니다.

5.5 브리넬 경도

원리: 재료의 경도는 특정 직경의 압자를 사용하여 측정할 표면에 시험력을 가함으로써 결정됩니다. 그런 다음 지정된 시간 동안 하중을 제거한 후 재료 표면의 압자의 직경을 측정하여 경도 값을 계산합니다.

압자: 이 측정에 사용되는 압자는 경화 강철 공 또는 단단한 강철 공입니다. 합금강 볼.

브리넬 경도 테스트는 하중, 압입 직경, 유지 시간의 세 가지 요소로 구성됩니다.

브리넬 경도의 표현은 다음과 같이 표시됩니다: 120hbs10/1000/30.

• 120은 120의 경도 값을 나타냅니다.
• 문자 'S'는 담금질된 강구를 의미하며, 문자 'W'는 초경합금 강구를 의미합니다(초경합금 강구는 담금질된 강구를 의미합니다).
• 10은 압력 헤드의 직경을 나타내며, 이는 10mm입니다.
• 1000은 적용된 하중을 나타내며, 이는 1000kgf입니다.
• 30은 30초인 유지 시간을 나타냅니다. 일반적으로 10초에서 15초 사이의 값에는 유지 시간이 표시되지 않는다는 점에 유의할 필요가 있습니다.

브리넬 경도 값은 킬로그램포스/mm 단위입니다.² (N/mm²);

브리넬 경도의 최대 가능 값은 HB650이며, 이보다 높은 값은 유효하지 않은 것으로 간주됩니다.

장점:

• 압흔 범위가 넓어 재료 경도 성능을 종합적으로 평가할 수 있습니다.
• 테스트 데이터는 일관성 있고 재현 가능하며 널리 인정받고 있습니다.
• 입자 크기가 크고 상 구성이 복잡하며 상 크기가 중요한 재료를 테스트하는 데 이상적입니다.

단점:

• 완제품 표면에는 수행할 수 없는 깊은 홈이 있는 파괴 테스트 방법.
• 이 프로세스는 복잡하고 효율성이 낮으며 지속적인 테스트가 불가능합니다.

5.6 로크웰 경도

원리: 재료 표면을 다이아몬드 콘 또는 담금질된 강철 볼 압입구로 눌러 테스트 압력 F를 가하여 경도를 테스트합니다.

지정된 시간 동안 유지된 후 주 시험력이 제거되고 초기 시험력이 유지됩니다. 그런 다음 잔여 압흔 깊이 증분을 사용하여 경도 값을 계산합니다.

실제 측정 시 로크웰 경도 값은 테스트 장비의 다이얼에서 쉽게 읽을 수 있습니다.

참고: 로크웰 경도 테스트는 큰 부하가 필요하므로 매우 얇은 시료나 표면 경화층을 측정하는 데는 적합하지 않습니다. 이러한 경우에는 표면 로크웰 경도 측정을 권장합니다.

장점:

• 이 작업은 간단하고 빠르며 효율적이며, 경도 값을 직접 읽을 수 있습니다.
• 홈 크기가 작아 완제품이나 얇은 공작물을 측정할 수 있습니다.
• 이 테스트는 다양한 경도 수준을 가진 재료의 경도를 측정할 수 있습니다.

단점:

• 들여쓰기 크기가 작으면 데이터의 대표성이 떨어집니다.
• 분리되어 있거나 구조가 고르지 않은 자료의 경우 데이터 반복성이 떨어집니다.
• 다른 등급의 로크웰 경도 데이터는 직접 비교할 수 없습니다.

들여쓰기: 테스트는 정점 각도가 120°인 다이아몬드 원뿔 또는 직경 1.588mm의 담금질된 강철 공을 사용합니다.

1-1: 초기 하중이 적용된 들여쓰기의 위치입니다.

2-2: 초기 하중과 주 하중을 모두 추가한 후 들여쓰기 위치입니다.

3-3: 주 하중을 제거한 후 램의 위치입니다.

h_e: 주 하중을 제거한 후 재료의 탄성 회복.

경도 스케일

로크웰 경도 표현: 70HR30TW

• 70 - 로크웰 경도 수치
• HR - 로크웰 경도 기호
• 30T - 로크웰 스케일 기호
• W - 압자의 유형: W는 초경합금을, S는 스틸볼을 나타냅니다.

로크웰 경도 테스트 장비

5.7 비커스 경도

원리: 압자는 정적 테스트 힘을 받아 시료 표면에 압착됩니다. 지정된 시간 동안 유지하면 테스트 힘이 제거되어 샘플 표면에 정사각형 및 원뿔형 압흔이 남습니다.

압흔 면적 계산: 비커스 경도는 테스트 힘을 압흔 표면적으로 나누어 계산합니다.

인덴터 - 다이아몬드 소재, 정사각형 피라미드, 136°의 면 각도

비커스 경도 시험법은 경도 값이 변하지 않기 때문에 균일한 경도를 가진 재료에 대해 임의로 시험력을 선택할 수 있다는 장점이 있습니다. 브리넬 경도 표시와 비교하여 일관성을 유지하기 위해 136° 면각의 원뿔을 선택합니다.

표현 방법: 경도 값은 "HV" 앞의 숫자로 표시하고, 시험력 값은 "HV" 뒤의 숫자로 표시합니다.

테스트의 표준 유지 시간은 10~15초입니다. 유지 시간이 이 범위를 벗어나는 경우 반드시 표시해야 합니다.

예를 들어 '600HV30'은 30kgf의 시험력을 가하고 10~15초 동안 유지하여 얻은 경도 값이 600임을 나타냅니다.

'600HV30/20'은 30kgf의 시험력을 가하고 20초 동안 유지하여 얻은 경도 값이 600임을 나타냅니다.

적용 범위: 비커스 경도 테스트는 다음을 측정하는 데 적용할 수 있습니다. 금속의 경도시험 힘의 크기에 따라 저부하 비커스 경도 시험 및 마이크로 비커스 경도 시험을 포함합니다.

비커스 경도 테스트: 이 테스트는 매우 작고 얇은 층을 가진 시료를 제외한 모든 금속의 경도를 측정할 수 있습니다.

저하중 비커스 경도 시험: 이 테스트는 강철 표면 강화층, 화학적 열처리 표면층, 침투층, 전이층 등의 표면 경도를 측정하는 데 이상적입니다.

마이크로 비커스 경도 테스트: 이 테스트 방법은 제품의 경도를 테스트하는 것 외에도 금속학 및 재료 연구에 널리 사용됩니다.

장점:

• 광범위한 응용 분야: 비커스 경도 테스트는 매우 부드러운 재료부터 매우 단단한 재료까지 측정할 수 있습니다.
• 높은 측정 정확도 및 비교 가능성: 이 테스트는 매우 정확하고 비교 가능한 경도 값을 제공합니다.
• 시험력으로부터의 독립성: 비커스 경도 테스트를 통해 얻은 경도 값은 사용된 테스트 힘과 무관합니다.

단점:

• 지루한 측정 절차: 측정 절차는 번거롭고 시간이 많이 소요될 수 있습니다.
• 낮은 측정 효율: 비커스 경도 테스트는 테스트 효율이 낮기 때문에 대량 생산이나 불균일 재료의 측정에는 적합하지 않습니다.

5.8 미세 경도

마이크로 경도 테스트는 0.2kgf 미만의 하중을 가하는 것으로, 마이크로 비커스 및 마이크로 눕 경도 테스트로 세분화됩니다.

이 테스트는 세라믹, 유리, 마노와 같은 깨지기 쉬운 재료의 경도를 고감도로 정확하게 측정할 수 있으며 미세 와이어의 작업 경화 정도를 평가하는 데 이상적입니다.

비커스 들여쓰기 들여쓰기(왼쪽), 눕 들여쓰기 들여쓰기(오른쪽)

미세 경도 적용

(1) 연구 금속 재료 및 금속학:

금속 소재 및 금속학 연구는 미세 경도 테스트를 활용하여 금속 및 합금의 다양한 상에 대한 경도를 결정하고 합금 특성에 미치는 영향을 분석하며 적절한 합금 설계를 위한 기반을 제공합니다.

(2) 금속 표면층 특성 연구:

침탄층, 질화층, 금속 확산층과 같은 확산층의 특성에 대한 연구와 표면 경화층의 특성에 대한 연구가 수행됩니다. 예를 들어 금속 표면은 기계적 처리와 열처리의 영향을 모두 받습니다.

(3) 곡물 불균일성 연구:

곡물의 불균질성에 대한 연구도 수행됩니다.

(4) 매우 얇은 금속 제품의 경도 측정:

마지막으로 미세 경도 테스트는 매우 얇은 금속 제품의 경도를 측정하는 데 사용됩니다.

5.9 해안 경도

쇼어 경도 시험법에서는 지정된 모양의 다이아몬드 펀치를 고정된 높이 h에서 떨어뜨립니다.₀ 를 시료 표면에 놓습니다. 그러면 펀치가 특정 높이 h까지 튀어 올라갑니다.

쇼어 경도 값은 h 대 h의 비율에 따라 계산됩니다.₀재료의 경도는 리바운드 높이에 비례하기 때문입니다.

쇼어 경도는 앞의 세 가지 정적 압입 방법과는 다른 동적 힘 테스트 방법이라는 점에 유의하세요.

샘플 요구 사항:

샘플을 테스트하려면 다음 요구 사항을 충족해야 합니다:

• 샘플의 질량은 0.1kg 이상이어야 하며 두께는 일반적으로 10mm 이상이어야 합니다.
• 샘플의 테스트 영역은 가능한 한 넓어야 합니다.
• 표면에는 산화물 스케일과 이물질이 없어야 하며 자성이 없어야 합니다.

표현 방법:

경도 값은 다음과 같이 표시됩니다:

• HS 앞의 숫자는 경도 값을 나타냅니다.
• HS 뒤의 숫자는 경도 척도의 유형을 나타냅니다.
  • 45HSC는 C형 경도계로 측정한 경도 값이 45라는 의미입니다.
  • 45HSD는 D형 경도계로 측정한 경도값이 45임을 의미합니다.

장점:

• 간단한 조작과 높은 효율성
• 테스트 후 압흔이 거의 없으며 완제품에 대해 테스트를 수행할 수 있습니다.

단점:

• 낮은 측정 정확도
• 반복성 저하
• 높은 정확도가 요구되는 테스트에는 적합하지 않습니다.