경도(Hardness), 재료공학적 측면

경도는 기계적 삽입 또는 마모에 의해 유도된 국부적 가소(plastic)성 변형에 대한 저항의 척도다. 거시적 측면에서 경도는 일반적으로 강한 분자간 결합으로 특징지어지지만, 힘을 받는 고체 물질의 거동은 복잡하기 때문에 경도의 측정은 스크래치 경도, 움푹 들어간 경도, 반발 경도 등 다양하게 측정 가능하다.

경도는 연성, 탄성강성, 가소성, 변형률, 강도, 강인성, 점성에 따라 달라진다.

물질의 강성 또는 인성은 파쇄 전에 흡수할 수 있는 최대 에너지의 양으로, 가할 수 있는 힘의 양과는 다른 개념이다. 일반적으로 물질은 탄성 및 플라스틱 변형을 통해 외부에서 작용하는 에너지를 상당량 흡수할 수 있기 때문에 연성과 전성이 작은 재료는 쉽게 부서질 수 있다.

경도는 입자 크기(여기서 입자는 2차 입자, grain domain의 개념을 가진다)가 감소함에 따라 증가한다. 이것은 홀-페치 관계라고 알려져 있다. 그러나 입자 크기(grain domain size) 가 임계 입도 크기 이하로 작아질 경우 경도는 입자 크기가 감소함에 따라 감소하는데, 이것을 홀-페치 역효과라고 한다.

변형에 대한 재료의 경도는 질량 계수, Young의 계수와 같은 강성보다 특정 방향의 미세 변성성 또는 소형 전단 계수에 따라 달라지는 경우가 많다. 또한 결정 격자 차원에서의 미세한 결함(결정격자 내에서 원자의 부재 등) 등도 경도에 많은 영향을 미치기도 한다.

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스크래치(Scratch) 경도

스크래치 경도는 표본이 날카로운 물체의 마찰로 인한 파단이나 영구적인 플라스틱 변형에 얼마나 저항을 가지고 있는지 측정하는 것이다. 이것은 더 단단한 물질로 이루어진 물질은 더 부드러운 물질로 만들어진 물체를 긁어낸다는 지극히 일반적인 특성에 기인한다. 스크레치 경도로 유명한 것은 광물학에서 사용되는 Mohs 척도, 혹은 연필 경도 등을 들 수 있다.

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압입(Indentional) 경도

압입경도는 날카로운 물체로부터 일정한 압축하중에 의한 재료변형에 대한 표면의 저항을 말한다. 압입 경도는 주로 공학 혹은 야금 분야에서 사용된다.

압입경도의 측정방법 및 척도로 록크웰, 비커즈, 쇼어, 브리넬 경도 등이 있다.

 

비커스(Vickers) 경도

비커스 경도 시험은 재료의 경도를 측정하는 브리넬 방식의 대안으로 1921년 로버트 L. 스미스와 조지 E. 샌들랜드가 비커스 주식회사에서 개발한 것이다. 그림과 같이 피라미드 형태의 팁을 이용하여 측정하며, 이 팁의 끝에는 다이아몬드가 박혀있다. 일반적으로 비커스 경도는 인덴터(압입팁, indenter) 크기와 상관없기 때문에 다른 경도 시험보다 사용하기 쉬운 경우가 많다. 비커스 경도의 단위는 HV 또는DPH로 알려져 있다.

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브리넬(Brinell) 경도

1900년 스웨덴의 엔지니어 요한 어거스트 브리넬이 제안한 방법으로 공학분야에서 널리 사용되는 최초의 경도 시험방법이다. 압입체(브리넬 경도에서는 강철구, 경도가 높은 물질에 대해 텅스텐 카바이드가 사용되기도 함)를 물질에 밀어넣어 발생하는 우묵한 자국의 넓이를 통해 재료의 압입경도를 측정하는 방법이다. 경도 단위 뒤에 HB를 표시한다.

그림. 압입강도의 종류(출처 : wikipedia.org)

로크웰(Rockwell) 경도

미국의 Hugh M. Rockwell과 Stanley P. Rockwell 등이 개발한 경도 측정 방법이며, 이들은 1914년 로크웰 경도 측정기에 대한 특허를 출원하였다. 압입체(indenter)가 침투된 깊이 등을 이용하여 경도를 측정하는 방법이다. 경도 측정결과 뒤에 HRB, HRC 등을 표시하는데, HRB는 100kgf의 하중에서 1.588mm의 강구를, HRC는 120도의 원뿔 및 선단 반지름은 0.2mm의 다이아몬드 압입체를 사용한다.

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그림. 여러가지 압입강도 측정 결과의 비교(출처 : wikipedia.org)

반발(Rebound) 경도

동적(dynamic) 경도라고도 한다. 탄성과 관련이 있으며 고정된 거리(높이)에서 떨어뜨린 추 등에 대한 반발력 등으로 평가한다. 콘크리트의 강도를 측정하는 슈미트 헤머(Schmidt hammer)가 반발경도를 이용한 것이다.