재료의 가공특성 (6) - 재료시험 (2)

[비틂]

 

비틂시험(torsion test)에서는 다음 그림에 보인 것과 같은 관(tube) 형상의 시편이 사용되며, 이는 단면에서의 응력과 변형률 분포상태가 근사적이나마 균일해지도록 하기 위함이다.

비시험용 시편

전단응력 τ는 다음 식으로부터 구해진다.

여기서 T는 시편에 작용하는 비틂모멘트이고, r 과 t 는 각각 시편의 시험부(잘록한 곳)에서의 평균반지름 및 두께이다. 시험부의 길이를 l, 비틂각을 ø[rad] 라 할 때, 전단변형률 γ는 다음 식으로부터 구해진다.

따라서, 비틂시험을 통하여 얻은 T 와 ø 의 관계로부터 전단응력 - 전단변형률곡선을 그릴 수 있다.

 

단조가공시 금속의 성형성을 평가할 목적으로 환봉에 대한 꼬임시험이 고온상태에서 수행되기도 한다. 파단시까지 꼬인 횟수가 많을수록 재료의 단조성 또는 가단성 (forgeability)은 우수하다. 또한 환봉을 축방향으로 압축하는 시험도 수행된다. 파단시 최대전단변형률을 압축응력의 함수로 나타내 보면, 압축응력이 증가할수록 파단시 전단변형률도 증가함을 명백히 알 수 있다.

철강재료의 비틂시험에서 축방향응력이 파단변형률에 미치는 영향

반면에 축방향으로 인장력을 작용시키면서 비시험을 수행하면 그림의 결과와 상반된 결과를 얻게된다. 즉, 인장응력이 증가할수록 파단시 전단변형률이 급격히 감소하며 재료의 연성이 저하된다.

 

 

[굽힘(굴곡)]

 

세라믹이나 초경합금과 같이 단단하고 취성이 큰 재료들은 가공상의 문제점들 때문에 복잡한 형상을 가지거나 엄격한 치수가 요구되는 시편으로 제작하기 어렵다. 게다가 이들 재료는 표면결함이나 노치(notch)에 민감하므로, 시편을 시험기에 물리는 것도 문제가 된다.

 

따라서, 취성재료에는 굽힘시험(bending test) 또는 굴곡시험(flexure test)을 사용한다.

취성재료에 대한 (a) 세점굽힘시험과 (b) 네점굽힘시험

시편은 보통 직사각형 단면을 가진 보(beam) 형태로 제작되어 양단지지방식으로 설치된다. 하중은 1개 또는 2개의 점에 수직으로 작용시킨다. 시편이 굽힘하중을 받으면 아랫면에서는 인장응력, 윗면에서는 압축응력이 발생한다. 간단한 보 공식들을 사용하면 이러한 응력의 크기를 쉽게 구할 수 있다. 굽힘에 의한 파단시 응력을 파단계수 (modulus of rupture) 또는 횡파단강도(transverse rupture strength)라고 하며 다음 식으로 구한다.

여기서 M은 굽힘 모멘트, c는 시편 두께의 반이고, I는 단면 2차모멘트이다.

 

상기 그림에 나타낸 세점굽힘시험에서는 최대응력이 보의 중심점에 위치하나, 네점굽힘시험에서는 두 하중작용점 사이의 구간에서 응력이 일정하므로 최대응력도 이 구간에 걸쳐 있게 된다. 네점굽힘시험에서 두 하중점 사이에 있는 재료에 결함이 포함되어 있을 확률이 세점굽힘시험에서 단일하중점 아래의 훨씬 작은 체적에 결함이 있을 확률보다 훨씬 높다. 따라서, 네점굽힘시험 결과로부터 구한 파단계수가 세점굽힘시험의 경우보다 더 작게 측정된다. 이와 더불어, 네점시험을 통해 얻은 시험결과들이 세점시험의 경우보다 덜 분산된다.

 

 

[경도]

 

재료의 기계적 성질을 평가하는 데 사용되는 가장 일반적인 시험법 중 하나가 경도시험(hardness test)이다. 재료의 경도는 일반적으로 압입(indentation)으로 생기는 영구변형에 대한 재료의 저항성으로 정의된다. 재료의 경도를 측정하기 위한 다양한 방법들이 개발되었으며, 이 방법들은 사용하는 압입자(indenter)의 형상이나 재질에 따라 구별된다. 압입에 대한 재료의 저항성은 압입자의 종류나 압입력에 따라 변하므로(즉, 시험방법에 따라 경도값이 달라지므로), 경도가 재료의 근원적인 성질은 아니다. 각종 경도시험법을 다음 표에 요약하여 나타내었다.

브리넬경도시험(Brinell test)에서는 동일한 압입자를 사용하더라도 압입하중이 다르면 압입자국의 형상이 달라지므로 브리넬경도값도 달라진다. 따라서, 시험에 사용된 압입자의 종류와 압입하중이 시험결과에 언급되어야 한다. 브리넬경도시험은 일반적으로 경도가 낮거나 중간정도인 재료들의 시험에 적합하다.

 

비커스경도시험(Vickers test)은 다이아몬드 피라미드경도시험이라고도 하며, 본질적으로 하중의 크기에 관계없이 동일한 경도값을 가진다. 시험법은 매우 단단한 강재를 포함하여 넓은 범위에 걸쳐 다양한 재료들의 경도시험에 적합하다. 압입자국의 대각선 길이 L은 대개 0.5 mm 이하의 값이다.

 

누프경도시험(Knoop test)은 한쪽 대각선이 긴 피라미드 형상의 다이아몬드 압입자를 사용하며, 가벼운 하중을 사용하는 미소경도시험(microhardness test)이므로, 시편의 크기가 매우 작거나 얇은 경우와 보석, 카바이드, 유리 등의 취성재료들에 대한 시험에 적합하다. 이 시험법은 금속의 각 결정립들의 경도를 측정하는 데도 사용된다. 압입자국의 크기는 0.01~0.1 mm 정도이므로 시편의 표면처리가 매우 중요하다. 누프시험에서는 경도값이 작용하중의 크기에 따라 달라지므로 항상 시험결과에 사용하중을 첨부시켜야 한다.

 

로크웰(Rockwell test) 경도값은 초기하중과 시험하중으로 인하여 생긴 압입자국의 깊이차로 나타낸다. 만일 경도값이 c스케일로 55라면 55 HRC 라고 나타낸다.

 

쇼어경도계(scleroscope)는 끝에 다이아몬드가 부착된 중추가 유리관 속에 있으며 이 중추를 일정한 높이에서 시편의 표면에 낙하시켜 반발되는 높이를 측정할 수 있도록 설계된 장치이다. 따라서, 경도값은 중추의 낙하높이와 반발높이로부터 구해진다. 시편의 경도는 반발된 높이가 높을수록 더 크며, 시편에는 경미한 압입자국이 생긴다. 쇼어 경도계는 휴대가 가능하므로 큰 물체의 경도측정에 편리하게 이용된다.

 

모스시험(Mohs test)은 어떤 재료가 다른 재료를 긁어 흠집을 낼 수 있는 능력에 근거를 두고 있다. 모스경도는 10등급으로 되어 있으며, 경도 1의 활석에서 경도 10의 다이아몬드(가장 경도가 높은 물질까지 각 등급에 표준광석이 정해져 있으며, 광물학자나 지질학자들 사이에서 통용되고 있다. 모스 경도가 정량적은 아니지만 누프경도와 좋은 상관관계를 나타낸다. 연한 금속은 모스경도 2~3 정도, 경화강은 약 6정도, 그리고 연삭숫돌에 사용되는 알루미나는 모스경도 9이다.

 

고무나 플라스틱같이 연한 탄성재료의 경도는 듀로미터(durometer)라는 경도계로 측정한다. 압입깊이는 1초 후에 측정하며, 경도값은 압입깊이에 반비례한다. 이 시험에는 두가지 척도가 사용된다. A 형식에서는 무딘 압입자가 사용되며 작용하중이 1kg이고, D 형식에서는 뾰쪽한 압입자와 5kg의 작용하중이 사용된다. A 형식은 연한 재료의 시험에, D 형식은 이보다 단단한 재료의 시험에 사용된다. 이 시험의 경도값은 0부터 100 사이의 범위에서 주어진다.

 

 

● 경도와 강도

 

경도는 압입으로 인한 영구변형에 대한 재료의 저항능력이므로, 경도시험은 마치 재료의 표면적의 좁은 영역에 압축시험을 하는 것과 비슷하다. 따라서, 경도와 재료의 항복강도 Y사이에 다음과 같은 형태의 연관성을 예상할 수 있다.

 

경도 = cY

 

여기서 c는 비례상수이다. 재료가 완전소성체일 경우 이론적인 c값은 약 3정도이다.

 

이 값은 실험결과와도 비교적 잘 일치된다.

브리넬경도와 항복응력 간의 관계

냉간가공된 재료(완전소성체와 비슷한 거동을 가짐)의 c값이 풀림처리된 재료의 경우보다 이론적인 값에 더 가까움을 알 수 있다. 풀림처리된 재료의 값이 큰 이유는 압입되는 동안 변형경화로 인하여 평균항복응력이 재료의 초기항복응력보다 커지기 때문이다.

 

평면변형률 압축시험에서와 마찬가지로, 경도가 재료의 일축항복응력 Y보다 더 큰 값을 가지는 이유는 다음과 같이 설명된다. 압입자 아래의 재료가 압축시험 시편과 같이 하나의 기둥형상으로 되어 있다면, 경도는 재료의 일축압축항복응력 Y와 같게 될 것이다. 그러나 실제로는 압입자 아래의 변형된 영역은 주위의 변형이 안된 재료들에 의해 둘러싸여 있으므로, 압입자 아래에서의 변형은 주위의 재료들에 의해 구속을 받게 된다. 실제로 압입에 의한 변형은 삼축압축(triaxial compression)상태이다. 따라서, 이러한 경우에는 재료가 항복되기 위해서 재료의 일축항복응력보다 더 큰 수직응력이 작용되어야 한다. 철강재료에 대한 극한인장강도(UTS)와 브리넬경도(HB [kg/mm²] 사이의 관계는 다음과 같다. 단, HB의 압입하중은 3000kg이다.

 

UTS[MPa] = 3.5(HB) 또는 UTS[psi] = 500(HB)

 

시편과 압입자 주위에 작은 전기로를 설치하면 기존의 경도시험기로도 고온경도시험(hot hardness test)을 할 수 있다. 재료의 고온경도는 기계가공에서의 절삭공구나 금속가공에서의 금형 등과 같이 고온상태에서 사용되는 재료들에 중요하다.