Overview
출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부
경도 테스트는 엔지니어가 제공하는 가장 보편적으로 가치 있는 기계 테스트 중 하나이며, 이는 풍부한 정보와 데이터를 위해 간단하고 상대적으로 저렴하기 때문에 엔지니어가 사용할 수 있습니다. 경도 테스트는 일반적으로 표면 침투 테스트의 형태로 인장 테스트보다 빠르고 덜 파괴적입니다. 경도는 강철과 같은 많은 재료에 대한 다양한 강도에 걸쳐 인장 강도와 선형 관계를 제공합니다. 경도 테스트는 이론에서 파생된 것이 아니라 경험적이며, 그 결과는 다양한 재료 특성(영의 계수, 항복 강도 등)의 효과를 수렴합니다.
경도는 알려진 힘이 적용될 때 재료가 얼마나 많은 플라스틱 변형(yield)을 겪는지 설명하는 데 사용되는 재료의 특징입니다. 스크래치, 들여쓰기, 리바운드 경도의 세 가지 방식으로 경도를 특성화 할 수 있습니다. 경도(scratch) 시험의 일반적인 초기 예는 광물에 대해 파생된 모스 스케일(1820)이며, 활석은 1값과 다이아몬드값이 10입니다. Rockwell 접근 방식을 사용하여 들여쓰기 테스트에서 는 작은 들여쓰기가 다른 부하와 함께 사용됩니다. 가장 일반적인 것은 1/16에 100kg 의 무게와 함께 강화 된 강철 볼 인텐터와 150kg 무게와 함께 다이아몬드 콘 인덕터를 사용하는 로크웰 경도 C (HRC)입니다. HRB 테스트는 알루미늄, 황동 및 연약한 강철과 같은 낮은 범위의 경도를 가진 재료에 대해 수행되는 반면 HRC 테스트는 강철과 같은 고거리 경도를 가진 재료에 사용됩니다. 15kg의 무게가 1/8인 강철볼을 사용하는 HR15W와 같은 로크웰 피상경도 테스트에 더 작은 무게(15~45kg)가 사용됩니다. 하중이 낮고 얕은 인상을 가진 피상적인 록웰 경도 테스트는 매우 얇거나 부서지기 쉬운 재료에 이상적입니다. 리바운드 테스트의 예는 콘크리트의 강도를 측정하는 데 사용되는 슈미트 해머입니다. 이 테스트에서는 강철 덩어리가 알려진 힘으로 표면에서 촬영되고 공의 리바운드가 측정됩니다. 모든 유형의 경도 테스트에서 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있는 경우 광범위한 교정을 수행해야 합니다.
이 실험을 위해, 우리는 처리되지 않은 알루미늄과 열 처리 알루미늄의 들여쓰기 경도를 측정하는 Rockwell 경도 테스트를 검토할 것입니다.
Principles
브리넬 (HB),비커스 (V), Knoop (K), 쇼어 경도 테스트를 포함하는 경도를 측정하는 몇 가지 일반적인 방법이 있습니다. 이러한 각 방법은 구(Brinell), 콘(Rockwell) 또는 다이아몬드 피라미드(비커스, 크눕 및 로크웰)의 모양으로 침투기를 사용하여 금속 표면으로 들여쓰기를 만들어 광학적으로 또는 직접 판독하여 측정합니다. 해안 경도 테스트는 일반적으로 플라스틱 또는 기타 폴리머의 표면으로침투를 측정합니다. Brinell 경도 테스트는 도입 된 첫 번째 경도 테스트였으며 초보적 계측을 활용하는 고테스트 하중을위한 견고한 방법입니다. 비커스 경도 테스트는 가장 낮은 에서 가장 높은 기록 된 경도까지 측정 할 수 있으므로 광범위한 값에 걸쳐 경도를 살펴볼 필요가있을 때 유용합니다. Knoop 경도 테스트는 매우 작거나 얇은 샘플을 가진 응용 분야에 유용합니다. 그럼에도 불구 하 고, 로큰 롤 경도 테스트는 가장 인기, 그것은 훨씬 더 빠르고 저렴 한, 뿐만 아니라 직접 광학 도구의 도움 없이 경도를 읽을 수 있는 유일한 경도 테스트 되 고.
이 연구를 위해, 우리는 ASTM E-18에 정의된 대로, 로큰롤 경도 시험에 집중할 것입니다. 일반적인 Rockwell 테스터는 도 1에 표시되며 판독기및 레버 시스템으로 구성되어 뷰어에 숨겨져 있는 하중을 적용합니다. 이러한 컴퓨터의 수동 및 자동화된 버전은 일반적으로 테스트 실험실에서 사용할 수 있습니다.
그림 1: 로큰롤 테스트 기계.
재료가 단단할수록 침투 깊이가 적기 때문에 해당 로큰롤 경도 값이 낮아집니다. 로크웰 B와 C 경도는 다음과 같이 계산됩니다.
경도 테스트의 결과는 가장 적합한 방정식을 통해 광범위한 데이터 집합으로 다른 경도 척도로 변환할 수 있습니다. 그러나 이산, 선형 변환이 하나도 없으므로 결과 값은 절대 값이 아닌 근사치가 됩니다. 예를 들어, 평면 변형하에서 작업하지 않는 경화 재료의 경우:
그림 2는 일반적으로 테스트 기계가 비치되는 교정 블록에 대한 일반적인 들여쓰기를 보여줍니다. 이러한 블록은 기계가 제대로 수행되도록 주기적으로 사용해야 합니다.
그림 2: 교정 블록에 대한 들여쓰기.
일반적으로, 재료의인장 강도 (σu)는다음과 같은 방정식을 통해 Brinell 경도 (HB)와관련이있을 수 있습니다.
재료의 강도가 변경되는 방법 중 하나는 열처리 또는 냉간 압연을 통해서입니다. 일반적으로, 연속적으로 얇은 롤을 통해 차가운 압연은 강한 (그리고 더 단단한 재료)를 초래할 것이다. 비슷한 방식으로, 강철에서 냉각 속도는 기계적 성능 향상에 기여하는 마르텐시틱 구조의 형성에 크게 영향을 미칩니다. 마르텐시틱 구조는 결정체 중심의 테트라고날(BCT)의 뚜렷한 결정 구조를 나타내며, 여기서 결정은 양쪽 끝에 정사각형으로 뻗어 있지만 렌즈와 같이 측면에 더 길어져 재료에 큰 경도를 부여합니다.
열처리를 특성화하는 한 가지 방법은 Jominy 최종 담금질 테스트 (ASTM A225)를 통해서입니다. 이 시험에서는 원형 표본, 4in. 롱은 오븐에서 균일하게 가열된다. 전체 오스테너화(>900°C)에 도달할 수 있도록 원하는 온도에 도달하면, 견본은 한쪽 끝에 워터 제트로 냉각된다. 오스틴화는 철판에서 오스테나이트로 결정 구조를 변경하기 위해 강철을 가열하는 과정으로, 감마상 철로 알려진 철의 금속, 비자기 알로트로프입니다.
워터 제트를 받는 끝은 다른 쪽 끝보다 훨씬 빠르게 냉각되어 다른 마르텐시틱 구조, 따라서 다른 경도를 생성하여 시편의 길이를 따라 다릅니다. 이 시점에서 얕은 평평한 표면은 평평한 표면에서 경도 테스트를 허용하기 위해 시편의 길이를 따라 접지됩니다. Jominy 표본은 로크웰 경도 검사를 입증하는 데 유용하지만, 요미니 엔드 담금질 시험이 측정해야 하는 물질의 경화성과 경도 검사 결과를 혼동하지 않도록 주의해야 한다. 경화성은 마르텐시티트 구조가 재료의 깊이에 따라 어떻게 변화하는지 측정하기 위한 것입니다. 경도는 그 변화를 특징짓는 한 가지 방법입니다.
일반적인 Rockwell C 테스트에서는 인덴터에 예비 하중이 적용되고 초기 침투 깊이가 측정됩니다. 이 첫 번째 단계는 재료 표면의 변형으로 인한 효과를 완화하기 위해 0 또는 참조 위치를 설정하는 것입니다. 다음으로, 주요 하중이 인덴터에 적용됩니다. 마지막으로 프리로드가 제거되고 최종 침투 깊이가 측정됩니다. 그런 다음 이 값의 초기 프리로드 값의 차이를 경도 값으로 계산합니다.
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Procedure
다음 절차는 도 1에 표시된 수동 기계용입니다. 절차는 다른 기계에도 일반적입니다.
- 수냉 처리를 거친 전형적인 Jominy 최종 담금질 시험 견본을 얻습니다.
- 테스트 중에 이동하지 않도록 시편을 테스트 기계 테이블에 고정합니다.
- 선택 레버가 "언로딩" 위치에 있는지 확인합니다.
- 지지하에 조정 휠을 사용하여 인덴터와의 접촉이 확립될 때까지 샘플을 올립니다(접촉이 방금 이루어지면 전면 다이얼의 바늘이 약간 움직이기 시작합니다).
- 초기 판독값이 0이 될 수 있도록 다이얼 게이지를 조정합니다.
- 다이얼 게이지가 세 번의 완전한 회전을 통과할 때까지 테이블 조정을 천천히 계속 하여 사전 로드를 적용합니다. 바늘이 0으로 돌아왔을 때 멈춥춥습니다.
- 측면 레버를 "로드" 위치로 이동합니다.
- 바늘이 움직이지 멈출 때까지 기다린 다음 레버를 다시 "언로드"로 이동합니다.
- 다이얼 게이지 판독에서 로크웰 C 경도를 기록합니다.
- 길이를 따라 테스트를 반복합니다. ASTM A255는 첫 1/2 인치간격에서 1/16간격으로, 다음 1/2 인치간격으로 판독값을 가져가야 한다고 명시하고 있습니다.
경도 테스트는 간단하고 상대적으로 저렴한 테스트입니다. 인장 테스트보다 빠르고 파괴적이지 않은 이 테스트는 엔지니어가 사용할 수 있는 가장 보편적으로 가치 있는 기계 테스트 중 하나로 간주됩니다.
경도 테스트 값은 경험적이지만 결과는 광범위한 재료에 비해 재료 강도와 매우 좋은 상관 관계를 제공합니다. 알려진 힘이 경도 검사에 적용될 때, 재료가 겪는 플라스틱 변형의 양은 경도 값을 결정한다.
Rockwell 형 테스트에서 다양한 크기와 모양의 적재 된 들여쓰기는 경도를 측정합니다. 이 실험을 위해, 우리는 로큰롤 경도 테스트를 사용하여 처리되지 않은 및 열 처리 강철의 경도를 측정하고 비교할 것입니다.
금속의 경도를 측정하는 몇 가지 일반적인 방법은 브리넬, 비커스, 크눕, 록웰 경도 BNC를 포함한다. 이러한 각 방법은 구, 원뿔 또는 다이아몬드 피라미드의 모양에 침투기(침투기)를 활용합니다.
들여쓰기는 금속의 표면에 만들어지고 경도 판독이 표시됩니다. 이 목록중 로큰롤 경도 테스트는 구조 강철에서 가장 인기 있는 테스트입니다. 표준 수동 Rockwell 테스터는 부하를 적용하는 레버 시스템과 경도 번호를 보여주는 아날로그 판독기로 구성됩니다.
일반적인 Rockwell 테스트에서는 예비 하중을 적용하고 초기 침투 깊이를 측정하여 표면 변형을 고려하도록 제로 포인트가 설정됩니다. 다음으로, 주요 하중이 인덴터에 적용됩니다. 마지막으로 하중이 제거되고 최종 침투 깊이가 측정됩니다. 기계 상단의 다이얼 게이지는 이 두 값의 차이를 사용하여 Rockwell 경도 값을 표시합니다. 재료가 단단할수록 인텐터가 침투할수록 로큰롤 경도 값이 높아집니다. 따라서 로크웰 B와 로크웰 C 경도의 값은 침투 깊이를 기반으로 하므로 테스트 머신은 특정 경도 범위에 대한 교정 테스트 블록을 사용하여 종종 보정됩니다.
로큰롤 경도 테스트를 사용하여 열처리 나 냉간 압연과 같은 공정을 통해 재료의 강도가 어떻게 변하는지 평가할 수 있습니다. 차가운 압연은 더 강하고 단단한 재료를 초래하는 경향이 있습니다. 열 처리는 담금질을 통해 가열하지만 더 단단한 구조를 통해 부드러운 재료를 초래할 수 있습니다.
예를 들어, 요미니 엔드 담금질 테스트에서 원통형 시편이 균일하게 가열됩니다. 그런 다음 한쪽 끝은 물 줄기로 담금질됩니다. 담금질된 끝에서 풀어 간 끝에 시편의 길이를 따라 변경은 미세 구조의 변화를 대표하는 경도 값에서 볼 수 있다.
다음 섹션에서는 강철 조미니 엔드 담금질 시험 표본의 길이를 따라 경도를 측정하여 로크웰 경도 테스트를 사용하여 처리되지 않은 강철에서 열 처리 강철로의 전환을 관찰할 것입니다.
시작하기 전에 테스트 머신에 익숙해. 카스탄 핸드휠에 의해 제기되거나 낮출 수 있는 모루는 교환 가능한 인더아래에 있는 샘플을 지원합니다.
테스트 하중은 기계 측의 선택기를 사용하여 선택되며 하중 레버를 하역 위치에서 하중 위치로 전환하여 적용됩니다. 올바른 사전 로딩 및 최종 측정은 기계 상단의 다이얼 게이지를 사용하여 결정됩니다.
테스트 시편을 삽입하기 전에 Rockwell C 다이아몬드 콘 인덴터가 설치되고 테스트 부하가 150kg으로 설정되어 있는지 확인합니다. 모루에 대한 평평한 표면으로 기계의 표본을 고정합니다. 이 데모를 위해, 우리는 수냉 처리를 겪은 Jominy End 담금질 견본을 사용할 것입니다.
하중 레버를 하역 위치로 이동한 다음 모루를 올려 시편을 인더에 가깝게 가져옵니다. 인텐터가 끝에서 16분의 1인치되도록 시편 위치를 조정합니다. 위치가 정확하면 테스트 중에 이동하지 않도록 시편을 다시 보호합니다. 이제 전면 다이얼의 바늘이 약간 움직이기 시작할 때까지 샘플을 다시 한 번 올리면 인텐터와의 접촉이 확립되었음을 나타냅니다.
다이얼의 바늘이 세 번의 전체 회전을 완료할 때까지 시편을 천천히 올려 놓아 사전 하중을 적용합니다. 바늘이 세 번째 턴을 완료했을 때 중지합니다. 초기 판독값이 0이되도록 다이얼 게이지의 외부 링을 조정합니다. 그런 다음 로드 레버를 로딩 위치로 이동하여 테스트 부하를 적용합니다. 바늘은 부하가 적용될 때 새로운 값에 정착합니다. 이동이 멈출 때까지 기다린 다음 로드 레버를 언로딩 위치로 다시 이동합니다.
다이얼 게이지에서 Rockwell C 경도를 기록한 다음 모루를 낮추어 샘플을 인더에서 멀리 이동합니다. 시편의 길이를 따라 이 테스트를 반복합니다. ASTM-A255 지침은 판독값을 상반기 인치의 경우 1-16인치 간격으로, 다음 반인치의 1-8인치 간격으로 판독을 해야 한다고 명시하고 있습니다.
표본을 따라 위치의 함수로 표본의 록웰 경도를 플롯. 담금질 된 끝에서 거리가 증가함에 따라 경도가 명확하게 감소합니다.
Rockwell 경도 테스트는 냉각 속도 때문에 재료의 내부 구조의 변화가 재료의 경도에 영향을 미쳤으며 이는 재료의 강도를 나타내는 것으로 나타났습니다.
사용 편의성에 대한 경도 테스트를 감사하게 되었으므로 일상 용품의 품질을 보장하기 위해 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.
경도 값은 경험적 방정식에서 파생된 차트를 사용하여 강도 값으로 쉽게 변환할 수 있습니다. 예상대로, 부드러운 재료는 강도 값이 낮고 더 단단한 재료는 더 높은 강도 값을 가지고 있습니다. 이 때문에 경도 값을 사용하여 매일 사용하는 것의 강도를 예측하기 위해 비용이 많이 드는 인장 테스트 대신 사용할 수 있습니다.
그냥 뒤뜰 바베큐를 주위를 보고, 당신은 경도 테스트로 인해 안전한 것으로 간주 되는 많은 제품을 볼 수 있습니다. 금속 잔디 의자, 다양한 온도, 강화 강철 나이프, 수중 조건에서 금속 풀 사다리를 통해 그릴에 화격자. 모두 소비자 안전을 보장하기 위해 경도 검사를 받을 가능성이 높습니다.
당신은 방금 로큰웰 경도 테스트에 조브의 소개를 보았다. 이제 경도 테스트가 일반적으로 사용되는 이유, 경도 테스트를 수행하는 방법 및 얻은 결과를 분석하는 방법을 이해해야 합니다.
시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
HR C 테스트를 위해 Jominy 표본에서 로크웰 테스트의 일반적인 결과가 비디오에 표시됩니다. 하나는 물 제트에 따라 끝에서 멀리 이동으로 경도는 현저하게 감소. 경도 테스트 값은 테스트 기계 제조업체에서 제공하는 차트를 통해 인장 강도로 변환할 수 있습니다. 결과는 강철이 담금질 끝에서 멀리 이동으로 경도와 강도 모두에서 상당히 변화한다는 것을 보여줍니다.
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Applications and Summary
경도 테스트는 재료에 대한 중요한 엔지니어링 정보를 얻기 위한 주요 테스트 중 하나입니다. 로큰롤 경도 테스트는 첨단 광학 장비의 필요성을 없애고 재료의 경도를 정확하고 저렴하게 신속하게 측정하기 위해 기본 실험실 장비를 사용하기 때문에 경도 테스트가 선호하는 방법입니다. 더 중요한 것은, 이 방법은 상대적인 단순성 때문에 실험실과 테스트 직원 간에 쉽게 번역되고 재현할 수 있다는 것입니다. 프로시저는 사전 로드 조건에서 초기 판독을 한 후 주요 부하를 적용하고 초기 값에서 위치 의 변화를 측정해야 합니다. 그런 다음 이 값을 경도 값으로 계산할 수 있으며 일련의 방정식으로 다른 경도 비늘에 맞게 변환및 근사할 수 있습니다. Rockwell 경도 테스트는 냉각 속도가 강철의 마르텐시트 구조에 미치는 영향과 냉각 속도가 상당히 다른 강점을 가진 재료의 결과를 보여주는 데 사용되었습니다.
경도 테스트를 통해 사용 시 높은 품질의 성능을 보장하는 적절한 재료를 활용할 수 있습니다. 우리가 일상 생활에서 사용하는 모든 제품은 경도 테스트를 거쳤습니다. 다음과 같은 재미있는 시나리오는 경도 테스트를 통해 유용하고 안전한 재료를 즐길 수 있는 방법에 대한 많은 일일 예 중 하나일 뿐입니다. 가족 모임을 위해 뒷마당 바베큐를 던지기 위해 과다한 시간 경도 검사가 사용되었다고 상상해 보십시오. 금속 잔디 의자는 확실히 금속이 충분히 강한 있는지 확인하기 위해 경도 검사를 받아야했기 때문에 베시 이모가 앉았을 때 땅에 떨어지지 않았습니다. 그릴의 금속 화격자는 또한 광범위한 온도에서 경도 테스트를 거쳐야했습니다 (어머니가 고열에서 잘 한 스테이크를 좋아한다는 점을 감안할 때) 필연적으로 그릴에 그릴 집게를 떨어 뜨렸을 때 골절하거나 주지 않도록해야합니다. 고기를 자르는 데 사용하는 칼은 모두 강철을 강화합니다. 마지막으로, 수영장의 금속 사다리는 어린 사촌이 수영장에서 올라가려고 할 때 금속이 고장나면 다시 빠지지 않도록 수중 조건에서 경도 검사를 해야 했습니다. 경도 검사 덕분에 인간의 삶은 말할 것도 없고, 구비 된 햄버거, 브래트 및 핫도그가 많이 있습니다.
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