금속 경도시험

왜 배우는가: 금속 경도시험은 재료의 강도·가공 상태·열처리 상태를 현장에서 빠르고 비파괴 또는 준파괴로 판정하는 가장 기본적인 기계적 시험이다. 브리넬, 로크웰, 비커스, 쇼어 등 방법마다 원리와 적용 재료가 달라 기술사 시험에서 비교 설명 형태로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제123회 3교시 4번, 제120회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

경도(Hardness)는 재료 표면이 외력에 의한 압입이나 긁힘, 반발 등 변형에 저항하는 능력으로, 시험 방법에 따라 압입 경도·긁기 경도·반발 경도로 나누어 측정한다.

핵심 키워드

• 경도(Hardness): 표면 변형에 대한 저항의 크기
• 압입 경도 시험: 압입자 자국의 크기나 깊이로 경도를 구하는 방법
• 브리넬 경도(HBW): 구형 압입자 자국의 지름으로 구하는 경도
• 로크웰 경도(HRC·HRB): 기준 하중 대비 압입 깊이 차로 구하는 경도
• 비커스 경도(HV): 136° 대면각 피라미드 압자 자국의 표면적으로 구하는 경도
• 쇼어 경도(HS): 낙하 해머의 반발 높이로 구하는 반발 경도
• 모스 경도: 긁힘 관계로 광물 경도를 10단계로 나타낸 척도
• 소성 변형 / 탄성 변형: 압입·긁기는 소성 변형 저항, 반발은 탄성 변형 저항

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 경도는 "얼마나 잘 긁히거나 눌리지 않는가"이다. 같은 재료라도 열처리로 단단해지면 경도가 올라가고, 이 값으로 강도와 가공 상태를 간접 판단한다.

정식 정의에 따르면 경도는 표준 압입체를 시험편에 눌렀을 때 시험편에 나타나는 변형에 대한 저항력이다. 경도 시험은 일정한 하중을 가한 뒤 생긴 자국의 크기, 면적, 깊이 또는 반발 높이를 측정하고 정해진 식이나 눈금으로 환산한다.

압입 경도 시험은 강구나 다이아몬드 압자를 일정 하중으로 눌러 자국을 만드는 방법이다. 브리넬, 로크웰, 비커스, 누프가 여기에 속한다. 자국의 지름·대각선·깊이 중 무엇을 재는지에 따라 구분된다.

긋기 경도 시험은 다이아몬드 등으로 표면에 흔적을 만들고 그 폭으로 경도를 판단한다. 모스 경도가 대표적이다. 모스 경도는 활석(1)부터 금강석(10)까지 10단계로 긁힘 관계를 나타내며, 고경도 구간의 간격이 넓어 금속 평가에는 적합하지 않다.

반발 경도 시험은 일정한 높이에서 해머를 낙하시켜 튀어 오른 높이로 경도를 나타낸다. 쇼어 경도가 대표적이며, 탄성 변형에 대한 저항을 본다.

핵심 용어 풀이

• 압입자(Indenter): 시험편에 하중을 가하는 강구, 초경합금구, 다이아몬드 피라미드·원뿔 압자를 말한다.
• 자국(Indentation): 하중을 제거한 뒤 시험편에 남는 영구 압입 흔적으로, 경도 계산의 직접 측정 대상이다.
• 기준 하중과 시험 하중: 로크웰에서 초하중(기준 하중)을 먼저 가해 접촉을 잡고, 시험 하중을 더한 뒤 다시 기준 하중으로 되돌려 깊이 차를 잰다.

3. 등장 배경과 필요성

광물 경도를 나타내는 모스 경도는 간편하지만 금속처럼 경도 차이가 좁은 재료를 세밀하게 구분하기 어렵다. 이 한계를 해결하려고 압입 자국을 정량적으로 재는 시험이 발전했다.

1900년 브리넬(J. A. Brinell)이 구형 압입자를 이용한 방법을 발표하면서 금속의 정량적 경도 시험이 시작되었다. 이후 자국이 작아 얇은 시편과 표면 경도 분포를 측정할 수 있는 비커스 방법, 측정이 빠른 로크웰 방법이 차례로 도입되었다.

반발 경도 시험은 1906년 쇼어(A. F. Shore)가 퀜칭한 강에서 압입 자국이 생기는 문제를 피하려고 제안했다. 낙하 해머를 쓰므로 현장 이동형 측정에 유리하다.

경도는 강도와 상관관계가 있어 인장시험을 대신하는 간이 시험으로 쓰인다. 열처리 품질 확인, 가공 상태 비교, 용접부 경도 분포 점검처럼 생산 현장의 품질 관리에 필수적인 이유가 여기에 있다.

4. 구성요소·원리·절차

금속 경도시험은 시험편 표면에 압입자(indenter)를 일정 하중으로 눌러 생긴 압입 자국의 크기나 깊이로 경도를 구하는 방법이 기본이다. 방법마다 압입자의 형상, 하중 크기, 측정 대상(면적·깊이·반발높이)이 다르므로 이 세 가지를 구분해 두면 답안 구성이 쉬워진다.

원리는 두 갈래다. 압입 경도(브리넬, 비커스, 로크웰)는 소성 변형에 대한 저항을 측정한다. 반발 경도(쇼어)는 탄성 변형에 대한 저항을 측정한다. 압입 자국이 닮은꼴을 이루는 조건에서는 하중을 달리해도 경도 값이 일정해진다. 비커스가 대표적이다.

브리넬 경도는 자국 지름으로 구한다. 계산식은 다음과 같다.

$HBW = \frac{2P}{\pi D\left(D-\sqrt{D^2-d^2}\right)}$

여기서 P는 시험 하중(N), D는 압입자 지름(mm), d는 자국 지름(mm)이다. 실제 측정은 자국 지름 d만 현미경으로 읽는다. 직각 방향 2개 이상의 평균을 쓴다.

비커스 경도는 자국 대각선으로 구한다. 대면각 136°인 다이아몬드 피라미드 압자를 쓰며 식은 다음과 같다.

$HV = 1.854\,\frac{P}{d^2}$

여기서 P는 하중(kgf), d는 압흔 대각선 길이(mm)다. 로크웰 경도는 기준하중을 가한 뒤 시험하중을 가하고 다시 기준하중으로 되돌렸을 때 압입 깊이의 차 h로 구한다. 값은 다이얼 게이지에서 직접 읽는다.

쇼어 경도는 구형 다이아몬드 팁이 달린 해머를 일정 높이에서 떨어뜨려 반발 높이로 구한다. 목측형(C형·SS형)의 기준 높이는 254mm, 해머 무게는 약 2.4gf다. 반발 높이를 고탄소 퀜칭강을 100, 연한 황동을 10으로 하는 눈금에 맞춘다.

절차는 다음과 같다.

• 시험편 표면을 평탄하게 가공하고 이물질을 제거한다.
• 방법에 맞는 압입자와 하중을 선택하고 시험기에 장착한다.
• 하중을 정해진 시간 동안 가하고 제거한다(브리넬은 10~30s 유지).
• 자국의 지름, 대각선, 깊이 차 또는 반발 높이를 측정한다.
• 측정 값을 식 또는 눈금에 대입해 경도 값을 구하고 시험 조건과 함께 기록한다.

5. 관련 법령·기준·표준

경도시험은 한국산업표준(KS)과 국제표준(ISO, ASTM)으로 규정된다. 국내 시험 방법은 아래 KS 번호를 따른다. 기준값 표는 시험 방법별 압입자, 하중, 측정 값, 계산 기준을 정리한 것이다.

쇼어 경도 시험기는 1906년 A.F.Shore가 제안했다. 2026년 자료의 웹 위키백과에서는 굳기 척도를 측정 방법별로 구분하며, 서로 다른 척도의 수치는 동일한 물리량이 아니므로 변환표를 쓸 때 시험 조건을 함께 밝혀야 한다고 정리한다.

외국 규격 비교는 이름과 개념 차이만 쓴다. ISO 6506과 ASTM E10은 브리넬, ISO 6507과 ASTM E92는 비커스, ISO 16589와 ASTM A965는 리브 반발 경도를 규정한다.

6. 유형과 비교

금속 경도시험은 시험편에 가하는 방식에 따라 압입 경도, 긋기 경도, 반발 경도로 크게 나뉜다. 압입 경도는 압입자 자국의 크기로, 긋기 경도는 긁힘 흔적의 폭으로, 반발 경도는 낙하 시편의 반발 높이로 경도를 구한다. 자료에 따르면 압입 경도와 긋기 경도는 소성 변형에 대한 저항을, 반발 경도는 탄성 변형에 대한 저항을 나타낸다.

압입 경도 시험은 강구 또는 다이아몬드 압자를 일정 하중으로 눌러 생긴 자국의 크기나 깊이로 경도를 구한다. 브리넬, 로크웰, 비커스, 누프 시험이 여기에 속한다. 가장 널리 쓰이는 방식이며 금속 재료 시험의 중심이다.

아래 표는 압입 경도 시험 3종의 압입자와 측정량을 비교한 것이다.

브리넬 시험은 자국이 커서 주조품과 불균일 재료의 평균 경도 측정에 쓰인다. 로크웰 시험은 다이얼 게이지로 경도값을 직접 읽어 측정이 빠르다. 비커스 시험은 자국이 작아 박판이나 금속 조직의 미소 부분 경도 측정에 적합하다.