ISO 6506에 따른 브리넬 경도 시험 절차
브리넬 경도 시험에서는 광학 시험법으로 압자에 의해 발생하는 압흔의 크기를 측정합니다. 피마리드 모양 압자를 시편에 누르는 광학 비커스 시험법과는 달리 브리넬 시험법은 구 모양 압자를 사용합니다.
공작물(시편) 표면에 일정 시험 하중을 가할 때, 지정된 볼 직경의 브리넬 압자로 생긴 압흔이 클수록 시험 재료가 더 부드러운 것입니다.
ISO 6506에 따르면 단단한 금속(탄화 텅스텐)으로 만든 구형 압자를 지정된 시험 하중(1kgf ~ 3,000kgf)으로 시편(공작물)을 눌러 브리넬 경도(HBW)를 측정합니다.
브리넬 경도 계산
브리넬 경도(HBW)는 가해진 시험 하중 F(뉴튼 N으로 표시)의 몫과 시험 하중을 제거한 후 시편의 잔류 압흔(압흔 돌출)의 표면적에서 결과를 얻습니다(브리넬 공식 참조). 브리넬 압흔의 기지 영역은 완벽한 원이 아닌 경우가 많기 때문에, 잔류 볼 압흔의 표면적을 계산하기 위해서는 두 개의 수직 대각선 d1과 d2(단위: mm)의 산술 평균 d가 사용됩니다.
실제로 경도값을 측정할 때 모든 개별 시험에 공식을 계산하는 것은 아닙니다. 경도값은 대신 표로 측정할 수도 있는데, 이 표는 특수 프로그래밍된 경도 시험 소프트웨어로, 모든 표준화된 볼 직경과 시험 하중에 대한 평균 압흔 직경 d의 함수로서의 경도값을 표시합니다.
시험 하중은 평균 압흔 직경 d가 0.24D~0.6D가 되도록 선택해야 합니다.
이러한 제한을 준수하려면 시험 하중을 볼 직경에 맞게 조정해야 합니다. 이렇게 하면 시험 하중과 볼 직경 제곱의 계수가 일정한 브리넬 시험법 내 하중-직경 지수(하중 수준 또는 하중 계수라고도 함)가 달라집니다. B = 0.102*F/D2. 공통의 하중-직경 지수 5개는 1, 2.5, 5, 10, 30입니다. 볼 직경과 시험 하중이 다양한 재료로 시험할 때는 비슷한 시험 결과를 얻기 위해 동일한 하중-직경 지수 내에서 이루어져야 합니다("브리넬 시험법 및 응용 분야” 개요 표 참조).
볼 직경은 압자가 가급적 가장 큰 공작물 면적(시편을 대표)을 덮을 수 있도록 선택합니다.
표준(ISO 6506)에 따르면 시험 하중은 최소 2초에서 최대 8초 이내에 최종값까지 증가해야 합니다. 일반적으로 시험 하중의 체류 시간은 10~15초입니다. 체류 시간이 더 길 경우는 경도값에 시간(단위: 초)도 명시해야 합니다(예: 210 HBW 5/250/30(체류 시간 30초).
브리넬 시험법을 이용한 경도 시험의 장단점
브리넬 시험법의 장점:
- 브리넬 시험법에서는 큰 볼이 많은 결정(재료의 다양한 금속학적 성분)과 접촉하여 기계적 평균값을 형성하기 때문에 이 시험법은 비균질 재료(예: 주물)를 시험하는 데 사용할 수 있습니다.
- 다양한 응용 분야에 맞게 수많은 시험 하중과 볼 직경 중에서 선택할 수 있습니다.
- 시험 압입이 상대적으로 커 다소 작은 비커스 압흔보다 측정이 쉽습니다.
- 시편 표면이 거칠 수 있습니다.
브리넬 시험법의 단점:
- 압흔을 광학적으로 측정하기 때문에 시편의 표면 품질이 좋아야 합니다. 즉, 시험 위치를 미리 준비해야 합니다.
- 높은 시험 하중(예: HBW 10/3000)의 매크로 범위에서 시험할 때 시험 대상 재료가 변형될 위험이 높고 벽체 형성으로 인해 측정 오류가 발생할 위험이 있습니다. 따라서 시험 압입을 정확하게 평가하기 위해서는 양질의 조명이 중요합니다(예: 링 조명 사용).
- 매우 단단한 재료의 얇은 시편에 시험법을 적용할 때는 제한이 있습니다(브리넬 시험법 최소 시편 두께 참조).
- (로크웰 시험법에 비해) 절차가 다소 느리게 진행됩니다. 시험 시간은 시편 준비 시간을 제외하고 30초~60초 정도 소요됩니다.
브리넬 경도 시험법과 응용 분야 예시
브리넬 시험법은 연질 금속(경금속, 납, 주석)과 경질 금속(강철이나 철)의 경도 시험에 적합합니다.
볼 직경과 시험 하중이 다양한 재료로 시험할 때는 측정한 경도값을 직접 비교할 수 있도록 동일한 하중-직경 지수 내에서 이루어져야 합니다(“브리넬 시험 절차”).
아래 표 개요는 하중-직경 지수, 관련 경도 범위, 권장 응용 분야(재료)별로 분류한 브리넬 시험법입니다. 하중 계수가 높을수록 이 하중-직경 지수 내의 시험법으로 시험할 수 있거나 시험해야 하는 금속은 더 단단합니다. 가장 일반적인 하중-직경 지수(하중 계수)는 HBW 30입니다. HBW 30에 속하는 브리넬 시험법은 강철이나 철 같은 경질 금속 시험에 사용됩니다.
| 재료 | 시험법 | 압자 | 시험 하중 F | 하중 정도 0.102 x F/D2 | 경도 범위 HBW* |
|---|---|---|---|---|---|
| 강철/철 | HBW 1/30 | 1 mm | 294.2 N | 30 | 95.5-653 |
| HBW 2.5/187.5 | 2.5 mm | 1.839 kN | |||
| HBW 5/750 | 5 mm | 7.355 kN | |||
| HBW 10/3000 | 10 mm | 29.42 kN | |||
| 경금속 구리 / 알루미늄 구리 합금 알루미늄 합금 | HBW 1/10 | 1 mm | 98.07 N | 10 | 31.8-218 |
| HBW 2.5/62.5 | 2.5 mm | 612.9 N | |||
| HBW 5/250 | 5 mm | 2.452 kN | |||
| HBW 10/1000 | 10 mm | 9.807 kN | |||
| 경금속 구리 / 알루미늄 열 처리를 하지 않은 구리 합금 | HBW 1/5 | 1 mm | 49.03 N | 5 | 15.9-109 |
| HBW 2.5/31.25 | 2.5 mm | 306.5 N | |||
| HBW 5/125 | 5 mm | 1.226 kN | |||
| HBW 10/500 | 10 mm | 4.903 kN | |||
| 경금속 | HBW 1/2.5 | 1 mm | 24.52 N | 2.5 | 7.96-54.5 |
| HBW 2.5/15.625 | 2.5 mm | 153.2 N | |||
| HBW 5/62.5 | 5 mm | 612.9 N | |||
| HBW 10/250 | 10 mm | 2.452 kN | |||
| 경금속 납 / 주석 | HBW 1/1 | 1 mm | 9.807 N | 1 | 3.18-21.8 |
| HBW 2.5/6.25 | 2.5 mm | 61.29 N | |||
| HBW 5/25 | 5 mm | 245.2 N | |||
| HBW 10/100 | 10 mm | 980.7 N | |||
* EN ISO 6506-4, 표2에 따라 권장되는 경도 범위 | |||||
브리넬 시험을 위한 시편 압흔의 최소 거리와 최소 시편 두께
- 브리넬 시험법에서 압입의 위치는 시편 가장자리로부터 충분한 간격이 있고 압흔 사이사이 간격이 충분한 곳이어야 합니다. 표준에 따라 준수해야 하는 최소 값은 다이어그램에서 확인할 수 있습니다.
- 시편은 압입이 시편 하부(지지면)에 눈에 띄는 변형을 만들지 못할 만큼 두꺼워야 합니다. 즉, 표준에 따르면 시편은 브리넬 볼의 압흔 깊이보다 최소 8배 두꺼워야 합니다. 압흔 깊이는 예상 경도값으로 추정할 수 있는데, 이는 결국 평균 압입 직경에 따라 달라집니다. 따라서 최소 시편 두께는 평균 압입 직경과 브리넬 압자의 볼 직경의 함수로 도출할 수 있습니다. 브리넬에 상응하여 최소 시편 두께를 읽을 수 있는 자세한 표는 여기에서 확인할 수 있습니다.
| 평균 압흔 직경 (mm) | 최소 시편 두께(mm) | |||
|---|---|---|---|---|
| 볼 직경(mm) | ||||
| 1.0 | 2.5 | 5.0 | 10 | |
| 0.2 | 0.12 | |||
| 0.3 | 0.18 | |||
| 0.4 | 0.33 | |||
| 0.5 | 0.54 | |||
| 0.6 | 0.80 | 0.29 | ||
| 0.7 | 0.40 | |||
| 0.8 | 0.53 | |||
| 0.9 | 0.67 | |||
| 1.0 | 0.83 | |||
| 1.1 | 1.02 | |||
| 1.2 | 1.23 | 0.58 | ||
| 1.3 | 1.46 | 0.69 | ||
| 1.4 | 1.72 | 0.80 | ||
| 1.5 | 2.00 | 0.92 | ||
| 1.6 | 1.05 | |||
| 1.7 | 1.19 | |||
| 1.8 | 1.34 | |||
| 1.9 | 1.50 | |||
| 2.0 | 1.67 | |||
| 2.2 | 2.04 | |||
| 2.4 | 2.45 | 1.17 | ||
| 2.6 | 2.92 | 1.38 | ||
| 2.8 | 3.43 | 1.60 | ||
| 3.0 | 4.00 | 1.84 | ||
| 3.2 | 2.10 | |||
| 3.4 | 2.38 | |||
| 3.6 | 2.68 | |||
| 3.8 | 3.00 | |||
| 4.0 | 3.34 | |||
| 4.2 | 3.70 | |||
| 4.4 | 4.08 | |||
| 4.6 | 4.48 | |||
| 4.8 | 4.91 | |||
| 5.0 | 5.36 | |||
| 5.2 | 5.83 | |||
| 5.4 | 6.33 | |||
| 5.6 | 6.86 | |||
| 5.8 | 7.42 | |||
| 6.0 | 8.00 | |||
