강철의 경도 환산 및 물성 간의 관계

경도 환산이 실제로 의미하는 것

경도 환산은 시험 척도 간의 경험적 대응 관계이다. 환산을 한다고 해서 재료가 변하거나, 원래의 압흔이 재현되거나, 숨겨진 “진정한” 경도값이 드러나는 것은 아니다. 강재를 브리넬법으로 시험하여 210 HBW로 보고할 때, 이 수치는 규정된 압입자, 하중, 유지 시간 및 압흔 측정에 근거한다. 동일한 결과를 환산표를 통해 약 21 HRC로 보고하더라도, 로크웰 시험이 수행된 것은 아니다. HRC 값은 유사한 재료와 시험 조건을 사용하여 설정된 관계로부터 추정된 값이다.

이러한 구분이 중요한 이유는 경도 척도들이 서로 관련은 있지만 서로 다른 반응을 측정하기 때문이다. 브리넬 경도는 초경 볼로 만든 비교적 큰 압흔의 직경을 이용한다. 비커스 경도는 다이아몬드 피라미드 압입자를 사용하며, 가해진 하중과 압흔에 생긴 두 대각선으로부터 경도를 계산한다. 로크웰 경도는 규정된 예비 하중과 총 하중에서의 깊이를 결정하며, HRC는 다이아몬드 원뿔과 150 kgf의 총 하중을 사용한다. 이들의 수치는 하나의 보편적인 물리량을 나타내는 서로 다른 단위가 아니다.

측정 경도와 환산 경도

측정값은 실제로 수행된 시험과 직접 연결된다. 210 HBW 10/3000이라고 기재된 시험성적서는 브리넬 척도, 직경 10 mm의 초경 볼, 그리고 공칭 하중 3000 kgf를 명시한다. “500 HV10”은 10 kgf의 하중으로 수행한 비커스 시험을 의미한다. “32 HRC”는 해당 척도에 규정된 조건에서 얻은 로크웰 C 결과를 의미한다. 접미사와 시험 세부 조건은 결과의 일부이며, 선택적으로 덧붙이는 장식이 아니다.

변환된 경도는 직접 측정한 척도와 별도로 보고해야 한다. Strong evidence

환산값은 환산값임을 표시해야 한다. 예를 들어 “210 HBW, ASTM E140-12에 따른 약 21 HRC”라고 표기하면 두 가지 별개의 사실을 전달한다. 첫 번째 값은 측정값이고, 두 번째 값은 공인된 상관관계로부터 판독하거나 계산한 값이라는 것이다. “21 HRC”만 보고하면 추정값이 직접 측정된 값인 것처럼 보일 수 있다. 표면 상태, 단면 두께 또는 척도 선택이 결과에 영향을 줄 수 있으므로 이는 오해를 일으킨다.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12, 금속용 표준 경도 환산표는 지정된 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클레로스코프 및 리브 척도 간의 대략적인 관계를 제시한다. 이 표에는 균질 탄소강, 합금강 및 공구강이 포함되어 있지만, 강재 범주가 존재한다고 해서 모든 강종을 서로 바꾸어 적용할 수 있는 것은 아니다. ASTM은 “환산은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다(ASTM International, 2012). 담금질 및 뜨임 처리한 4140 강, 정상화한 AISI 1020 강, 냉간 가공한 301 스테인리스강은 한 척도에서 측정값이 유사하더라도 서로 다른 관계를 보일 수 있다.

환산을 시도하기 전에 측정 자체가 유효한지 여부에도 형상이 영향을 준다. 얇은 판재를 브리넬 또는 비커스 시험으로 측정하면 반대쪽 표면의 영향이 과도하게 나타날 수 있다. 곡면 부품에서는 압흔의 형상이 변하거나 로크웰 깊이가 잘못 해석될 수 있다. 가장자리, 다른 압흔, 용접부 또는 탈탄 표면 가까이에 만든 작은 압흔은 벌크 재료를 대표하지 않을 수 있다. 부적절하게 선택되었거나 유효하지 않은 시험 위치는 환산으로 보정할 수 없다.

환산표, 상관관계 및 추정값

환산표는 시험 결과를 적합시켜 요약한 것으로, 일반적으로 재료군과 경도 범위별로 구분된다. 이는 척도 간의 수학적 항등식이 아니다. 환산표를 작성하는 데 사용된 범위 안에서는 측정 척도 간 평균 차이가 작을 수 있지만, 그 범위를 벗어나면 오차가 급격히 증가할 수 있다. 명시된 범위 안에서의 보간은 일반적으로 그 범위를 넘어서는 외삽보다 더 타당하다.

방정식은 동일한 종류의 관계를 다른 형태로 제공한다. 상관관계는 제한된 범위에서 선형일 수도 있고, 다항식일 수도 있으며, 특정 강재 집단에 맞춘 회귀식에 근거할 수도 있다. 계수는 해당 집단의 특성을 나타낸다. 모든 강재에 적용되는 물리 법칙을 정립하는 것은 아니다. 산포는 압입자 형상, 탄성 회복, 소성 유동, 이방성, 표면 준비 상태 및 미세조직의 변화에서 발생할 수 있다.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

ISO 18265는 변환값의 직접 적용 가능 범위를 시험한 정확한 재료로 제한하며, 인장 강도 추정치를 신뢰도가 가장 낮은 결과로 분류한다. Strong evidence

ISO 18265:2013, 금속 재료—경도값의 환산은 척도 간 경도값 환산 및 인장강도 추정의 원칙을 규정한다. 이 표준은 “환산값은 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용할 수 있다”고 경고하며, 인장강도 추정값을 신뢰성이 가장 낮은 환산으로 분류한다(International Organization for Standardization, 2013). 이 경고는 신뢰도의 적절한 순서를 제시한다. 직접 측정한 경도 결과가 가장 신뢰성이 높고, 다른 경도 척도로의 환산은 그보다 불확실하며, 인장강도 추정은 다시 그보다 불확실하다.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

1929년에 발표된 NIST의 초기 경험적 로크웰–브리넬 관계 연구에서는 상업적 목적에 한해 강재의 인장강도를 브리넬 경도로부터 추정할 수 있는 경우가 많다는 사실을 확인했다. 여기서 “상업적 목적”이라는 단서는 중요하다. 이 관계는 선별 검사, 공정 점검 및 대략적인 재료 비교에는 도움이 되지만, 항복강도, 인장강도, 연신율 또는 단면 수축률에 따라 규격, 설계 계산, 파손 조사 또는 합격 판정이 좌우되는 경우 인장시험을 대체하지 못한다.

근사식 Hᵥ ≈ 3σUTS 관계는 일부 고강도 연성 금속 재료에만 적용된다. Limited evidence

자주 반복되는 관계식으로 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 Hᵥ ≈ 3σUTS가 제시되며, 이때 경도는 응력과 호환되는 단위로 표현된다. 2012년에 Materials Science and Engineering: A에 발표된 연구는 이 근사식이 특정 재료군과 관련된다는 점을 제시했으며, 경도와 강도의 비가 미세조직과 압흔 형태에 따라 달라진다는 사실도 보여 주었다. 따라서 이 식은 특정 재료군에 한정된 추정식으로 취급해야 하며, 모든 탄소강 또는 합금강에 적용되는 환산 규칙으로 보아서는 안 된다.

하나의 수치가 모든 강재를 나타낼 수 없는 이유

강종은 화학 조성과 규격을 설명하는 것이지, 하나의 기계적 상태를 의미하는 것이 아니다. AISI 1045는 열간 압연 상태, 정상화 상태, 풀림 상태, 담금질 및 뜨임 상태 또는 표면 경화 상태로 공급될 수 있다. 각각의 상태는 상 분포, 결정립 크기, 잔류응력 및 변형 거동을 변화시킨다. 따라서 동일한 공칭 강종이라도 경도와 강도의 관계가 서로 다를 수 있다. 침탄된 8620의 표면에서 측정한 값은 마르텐사이트 표면층을 나타낼 수 있는 반면, 더 깊은 위치에서 측정한 값은 탄소 함량이 더 낮은 심부를 나타낼 수 있다. 하나의 환산값으로는 이 두 영역을 모두 나타낼 수 없다.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

SAE 기술 보고서 경도시험 및 경도수 환산 (1967)은 정확한 환산은 해당 강재의 조성, 열처리 및 부품에 맞추어 개발되어야 한다고 명시한다. 크기, 질량, 조성 및 가공이 그 관계에 영향을 주기 때문이다. 이는 특히 용접 구조물, 단조품, 열영향부 및 열 구배가 큰 부품에 해당한다.

2023년에 Materials Today: Proceedings에 보고된 연구에서는 원재료 상태 또는 정상화 상태의 과거 및 현대 무합금 구조용 강재에 대해 브리넬 경도와 인장강도 매개변수 사이에 대체로 선형인 경험적 관계가 있음을 확인했다. 이 결과가 유용한 이유는 적용 범위의 한계가 명시되어 있기 때문이다. 이 관계를 검증 없이 담금질 및 뜨임 처리한 공구강, 석출경화 스테인리스강, 베이나이트 강판 또는 심하게 냉간 가공된 제품에 적용해서는 안 된다.

실무 규칙은 간단하다. 환산은 해당 관계가 개발된 재료군, 상태, 시험 범위 및 형상 안에서만 의미가 있다. 인장 특성에 따라 결정이 달라진다면 인장시험을 실시해야 한다. 환산 경도값을 보고해야 하는 경우에는 직접 측정한 척도를 함께 유지하고, 환산 표준 또는 방정식을 명시하며, 재료의 상태와 범위를 밝히고, 결과가 근사값임을 표시해야 한다.

강재에 사용되는 경도 척도

동적 반발 경도동적 반발 경도 정적 압흔이 아니라 충격 속도와 반발 속도의 비율로부터 추론한 경도.

강재의 경도는 모든 단면, 표면 또는 미세조직에 적합한 단일 시험이 없기 때문에 여러 척도로 표시됩니다. 결과는 큰 정적 압입, 작은 다이아몬드 압흔 또는 동적 반발 현상에서 얻을 수 있습니다. 이러한 측정값은 정의상 서로 대체할 수 없습니다. 변환표에서 대략적으로 동등한 숫자를 부여하더라도 HRC로 측정한 값은 HBW로 보고된 값과 동일한 물리량이 아닙니다.

척도의 선택은 예상 경도, 단면 두께, 표면 마무리 상태, 시험 위치 아래의 지지 상태, 그리고 강재에 침탄, 질화, 용접 또는 뜨임으로 인한 국부 경도 구배가 존재하는지에 따라 달라집니다. 얇은 부품은 큰 압입자 아래에서 굽힘이나 항복이 발생할 수 있습니다. 거친 표면은 얕은 깊이 측정에 오차를 추가할 수 있습니다. 압흔이 너무 크면 미세한 표면 경화층의 경도가 더 연한 모재의 경도와 평균화될 수 있습니다.

브리넬 경도: HBW와 큰 압흔

브리넬 방법은 지정된 힘으로 단단한 볼을 강재에 압입한 다음, 영구적으로 남은 대략 원형인 압흔의 직경을 측정합니다. 현대적인 표기에서는 HBW를 사용하며, 여기서 W는 초경합금 볼을 의미합니다. 완전한 결과는 예를 들어 220 HBW 10/3000과 같이 표시할 수 있습니다. 이는 직경 10 mm의 볼과 공칭 3000 kgf의 힘을 사용하여 얻은 브리넬 경도가 220임을 뜻합니다. 시험 표준은 ASTM E10이며, ISO 6506도 동일한 기본 방법을 사용합니다.

일반적인 브리넬 볼의 직경은 1, 2.5, 5 또는 10 mm입니다. 적용 힘은 볼의 직경과 재료를 고려하여 선택하며, 강재 시험에서는 500, 1500 및 3000 kgf와 같은 힘이 일반적입니다. 시험기는 지정된 유지 시간 동안 힘을 유지한 후, 작업자 또는 광학 시스템이 압흔 직경을 측정합니다. HBW 값은 압입 깊이만으로 계산하는 것이 아니라 힘, 볼 직경 및 압흔 직경으로 계산합니다.

압흔은 로크웰 또는 미소경도 시험에서 만들어지는 압흔에 비해 큽니다. 이는 강재 내부에 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 뜨임 마르텐사이트가 대표적인 체적에 걸쳐 분포하는 경우 유용합니다. 여러 결정립과 작은 국부 변동이 결과에 평균적으로 반영되기 때문입니다. 그러나 이는 한계이기도 합니다. 직경 10 mm의 볼은 모서리 근처, 얇은 판, 용접부 인접부 또는 얕은 경화층을 가로지르는 위치에 적합하지 않을 수 있습니다. 하중을 가하는 동안 시험편이 휘거나 변형되지 않도록 시험 위치에는 충분한 두께와 견고한 받침이 필요합니다. 표면은 합리적으로 평탄해야 하며, 스케일, 탈탄층 및 깊은 가공 흔적이 없어야 합니다.

브리넬 시험은 대표적인 큰 체적이 중요한 주조품, 단조품, 노멀라이징 처리 강재 및 기타 부품에 널리 사용됩니다. 볼이 변형될 수 있는 매우 높은 경도의 강재, 소형 완성 부품 및 좁은 열영향부에는 적합성이 낮습니다. 더 작은 볼과 더 낮은 힘을 사용하면 압흔을 줄일 수 있지만, 이 경우 간격, 두께 및 표면 준비를 더욱 엄격하게 관리해야 합니다.

로크웰 경도: HRC, HRB 및 표면 로크웰 척도

로크웰 경도는 예비 하중을 가한 뒤 주 하중을 가했을 때 증가하는 영구 압입 깊이를 측정합니다. 압흔의 직경을 측정하는 방법은 아닙니다. 시험기는 먼저 10 kgf의 예비 하중을 가하여 기준 위치를 설정하고, 주 하중을 가한 다음, 예비 하중은 유지한 채 주 하중을 제거합니다. 이후 잔류 깊이를 경도값으로 환산합니다. 일반 로크웰 척도에서는 경도 1점이 깊이 변화 0.002 mm에 해당합니다.

HRC는 150 kgf의 주 하중과 120도 다이아몬드 원뿔을 사용하며, 이 원뿔은 일반적으로 브레일 압입자라고 부릅니다. HRC는 담금질 및 뜨임 처리된 공구강과 다수의 경화 합금강을 포함한 고경도 강재에 사용하도록 고안되었습니다. HRB는 직경 1/16인치의 초경합금 볼 또는 경화 강구와 100 kgf의 주 하중을 사용하므로, 더 연한 강재, 어닐링된 저탄소 강종, 구리 합금 및 이와 유사한 재료에 적합합니다. 다른 일반 로크웰 척도는 서로 다른 볼이나 하중을 사용하므로 척도의 문자는 필수적입니다. 척도를 표시하지 않은 “Rockwell 60”은 불완전한 표기입니다.

로크웰 결과는 시험기가 깊이를 직접 판독하기 때문에 빠르게 얻을 수 있으며, 작은 압흔은 브리넬 압흔보다 눈에 띄는 흔적을 적게 남기는 경우가 많습니다. 그러나 작은 접촉 면적 때문에 표면 거칠기, 곡률, 탈탄층 및 개별적으로 단단하거나 연한 구성상에 민감합니다. 시험편은 움직임을 견딜 수 있을 만큼 충분히 두껍고 견고해야 합니다. 모서리, 다른 압흔 또는 지지 불연속부에 너무 가까운 위치에서 측정하면 실제보다 높거나 낮은 값이 나올 수 있습니다.

표면 로크웰 척도는 동일한 깊이 측정 원리를 사용하지만, 얇은 단면, 소형 부품 및 표면층을 위해 더 낮은 힘을 사용합니다. 선택한 척도와 압입자에 따라 3 kgf의 예비 하중 뒤에 15, 30 또는 45 kgf의 주 하중을 가합니다. 30N, 45N, 30T 및 15T와 같은 표기는 하중과 압입자 계열을 나타냅니다. 따라서 해당 척도 표기는 일반 HRC 또는 HRB로 바꾸지 말고 정확하게 보고해야 합니다. 표면 로크웰 시험은 얇은 경화층을 관통하거나 얇은 단면을 변형시킬 위험을 줄이지만, 자동으로 더 정확한 결과를 제공하는 것은 아닙니다. 표면은 여전히 적절하게 준비해야 하며, 영향을 받는 깊이는 압흔에 비해 충분히 커야 합니다.

비커스 및 누프 미소경도

비커스 방법은 마주 보는 면 사이의 각도가 136도인 정사각뿔형 다이아몬드 압입자를 시험편에 압입합니다. 하중을 제거한 후 작업자는 광학적으로 잔류 압흔의 두 대각선을 측정하고, HV, 즉 비커스 경도를 계산합니다. 시험 하중은 수 gf 정도의 미소경도 하중부터 약 100 kgf에 이르는 일반 하중까지 다양합니다. 예를 들어 600 HV 0.5라는 표기는 경도 600과 0.5 kgf의 시험 하중을 나타냅니다.

일반적인 강재 경도 범위에서는 다이아몬드의 형상이 변하지 않으므로, 비커스 시험은 하나의 압입자 형상으로 연한 강재부터 매우 단단한 강재까지 측정할 수 있습니다. 이 방법은 용접부 단면, 탈탄 검사, 질화층, 침탄층 및 국부 경도 구배를 가로지르는 경도 분포 측정에 유용합니다. 압흔은 브리넬 압흔보다 훨씬 작으므로 연마된 표면 준비와 신중한 압흔 간격 설정이 필요합니다. 매우 낮은 하중에서는 표면 거칠기, 탄성 회복, 측정 분해능 및 개별 상이 경도값에 실질적인 영향을 줄 수 있습니다. 강재는 견고하게 지지되어야 하며, 얇은 포일이나 지지되지 않은 모서리는 유효한 압흔을 받는 대신 휘어질 수 있습니다.

누프 미소경도도 다이아몬드를 사용하지만, 그 형상은 길쭉하고 비대칭입니다. 압흔의 긴 대각선을 측정하여 일반적으로 HK로 표시되는 누프 경도값을 구합니다. 누프 방법은 압흔이 얕고 길쭉하기 때문에 매우 얇은 코팅, 좁은 경화 깊이 및 취성 또는 소규모 영역에 특히 유용합니다. 그 형상 때문에 결과는 방향, 표면 준비, 균열 및 미세조직 특징의 방향에 민감합니다. 누프값과 비커스값은 모두 다이아몬드 압입자를 사용한다는 이유만으로 동일하게 취급해서는 안 됩니다.

리브 및 스클레로스코프 방법

리브 경도는 정적 압입 시험이 아니라 동적 반발 방법입니다. 일반적으로 초경합금 볼 또는 지정된 다른 팁이 장착된 스프링 구동 충격체가 표면을 타격합니다. 기기는 충격 속도와 반발 속도를 측정하고, 두 속도의 비율을 바탕으로 일반적으로 HL로 표시되는 리브값을 보고합니다. 접촉 흔적은 작지만, 측정값은 표면 마무리, 곡률, 질량, 두께, 지지 상태 및 충격 방향에 크게 좌우됩니다. ASTM A956은 리브 시험을 다룹니다.

리브 방법은 대형 단조품, 설치된 기계류 및 기존의 작업대형 시험기를 배치할 수 없는 위치에 유용합니다. 부품은 충분히 무겁거나 견고한 지지대에 단단히 결합되어야 합니다. 그렇지 않으면 진동으로 에너지가 흡수되어 반발값이 낮아집니다. HL을 HRC, HBW 또는 다른 척도로 변환하려면 올바른 충격 장치, 방향 및 재료 계열을 사용해야 합니다. 리브 시험은 정적 압입 시험을 직접 대체할 수 없습니다.

스클레로스코프 방법도 반발에 기반합니다. 다이아몬드 팁 해머를 수직관 내부의 일정한 높이에서 떨어뜨리고, 강재 표면에서 반발한 높이를 관찰하거나 전자적으로 측정합니다. 결과는 스클레로스코프 경도 단위로 표시하며, 일반적으로 HS로 씁니다. 브리넬이나 비커스와 달리, 측정된 영구 압흔으로부터 경도를 계산하지 않습니다. 따라서 표면 청결도, 수직 정렬, 질량, 지지 상태 및 거칠기가 결과에 큰 영향을 미칩니다.

ASTM E140-12는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함하여 지정된 금속에 대해 HBW, HV, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클레로스코프 및 리브값 사이의 대략적인 관계를 제시합니다. ASTM은 합금 성분, 결정립 구조 및 열처리가 변환에 영향을 준다고 명시합니다. ISO 18265:2013도 변환 원칙을 규정하며, 변환값은 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용된다고 경고합니다. 인장강도 추정값은 변환 중 신뢰도가 가장 낮습니다. 따라서 척도의 선택은 우선 유효한 측정값을 얻을 수 있도록 해야 합니다. 변환값은 부차적인 근거일 뿐이며, 강재의 강도 또는 합격 여부가 이에 달려 있는 경우 직접 시험을 대신할 수 없습니다.

ASTM E140 및 ISO 18265: 표준에서 허용하는 범위

경도 환산 표준은 한 시험 결과를 다른 방법으로 얻은 동등한 측정값으로 바꾸어 주는 것이 아니다. 이러한 표준은 일반적으로 표의 형태로 경도 척도 간 경험적 관계를 제시한다. 이 구분은 중요하다. 측정값은 지정된 압입자, 하중, 유지 시간 및 절차를 부품에 직접 적용하여 얻는 값이다. 환산값은 해당 측정값으로부터 계산되며, 추정 인장 강도는 경도로부터 한 단계 더 추론한 값이다. 각 단계에서 불확실성이 추가될 수 있다.

ASTM E140-12의 적용 범위

ASTM E140-12, 금속용 표준 경도 환산표는 특정 금속에 대해 지정된 경도 척도 사이의 근사 관계를 제시한다. 이 표에는 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클레로스코프 및 리프 값이 포함되어 있다. 이 문서는 모든 경도 척도를 서로 치환할 수 있도록 하는 일반 방정식이 아니다. 해당 재료와 시험 조건이 적용 가능한 표에 반영된 경험 범위 안에 있을 때 참고하는 자료이다.

강의 경우, 이 표준에는 균질 탄소강, 합금강 및 공구강에 대한 표가 포함되어 있다. 여기서 “균질”이라는 점이 중요하다. 상당히 균일한 강을 대상으로 작성된 표가 침탄층, 탈탄 표면, 용접 열영향부, 띠 모양 조직을 가진 압연재 또는 급격한 경도 구배가 존재하는 부품을 설명한다고 가정할 수는 없다. 압입자는 얕은 영역만을 측정할 수 있지만, 요청된 환산은 그 아래에 균일한 재료가 존재한다고 암묵적으로 가정할 수 있다.

ASTM International은 “환산값은 합금, 결정립 조직 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다(2012). 이러한 변수는 압입자 아래에서 발생하는 변형 거동을 변화시킨다. 두 강이 동일한 브리넬 경도를 나타내더라도 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 잔류 오스테나이트의 비율은 서로 다를 수 있다. 따라서 인장 강도, 항복 거동 및 다른 경도 척도에서의 결과가 서로 다르게 나타날 수 있다. 동일한 강종 내에서도 노멀라이징, 담금질 및 뜨임, 어닐링, 냉간 가공 상태가 동일한 환산 곡선을 따른다고 볼 수는 없다.

표는 또한 적용되는 경도 범위에 좌우된다. 표의 중간 부근에서 얻은 환산값이 상한이나 하한에서도 자동으로 신뢰할 수 있는 것은 아니다. 외삽은 표의 항목을 대신할 수 있는 허용된 방법이 아니다. 또한 압흔이 가장자리, 다른 압흔, 받침면 또는 용접 경계에 지나치게 가까운 경우에는 로크웰 C 결과를 브리넬 값으로 환산해서는 안 된다. 깔끔한 수치 결과가 부적절한 시험을 보정해 주지는 않는다.

환산에 앞서 척도를 선택해야 한다. 브리넬 시험은 큰 압흔을 만들기 때문에 더 넓은 체적의 평균값을 반영하며, 비교적 조대하거나 불균질한 재료 또는 대단면 강에 유용한 경우가 많다. 비커스 시험은 넓은 경도 범위에 적용할 수 있고 낮은 하중에서도 실시할 수 있지만, 작은 압흔은 표면 준비, 국부 상 및 측정 분해능의 영향을 더 크게 받는다. 로크웰 시험은 많은 생산 검사에서 신속하고 실용적이며, 표면 로크웰 척도는 얇은 단면이나 표면 처리층에 대해 하중과 침투 깊이를 줄인다. 리프 및 스클레로스코프 시험은 동적 시험으로서 질량, 지지 상태, 방향, 표면 상태 및 기기 교정의 영향을 크게 받는다.

ASTM E140-12는 이러한 시험 방법 간 차이를 없애지 않는다. 예를 들어 표는 HRC와 HB 사이의 근사 관계를 제시할 수 있지만, 특정 부품이 올바르게 시험되었는지 또는 그 미세조직이 해당 관계를 도출한 모집단에 속하는지는 확정할 수 없다. 따라서 보고된 결과에는 원래의 척도와 시험 방법을 유지해야 한다. “62 HRC, 약 700 HV로 환산”이라고 표기하는 것이 “700 HV”만 보고하는 것보다 더 많은 정보를 전달한다. 첫 번째 값은 측정값이고 두 번째 값은 추론값이기 때문이다.

경도를 사용하여 인장 강도를 추정할 때에도 동일한 주의가 필요하다. 1929년에 발표된 경험적 로크웰–브리넬 관계에 관한 NIST 연구는 상업적 목적에서 강의 인장 강도를 브리넬 경도로부터 흔히 추정할 수 있다고 보고했다. 이 결과는 적절한 강재 모집단 내에서 실용적인 추정을 뒷받침하지만, 인장 강도가 HB의 보편적인 함수라는 것을 입증하지는 않는다. 인장 시험은 형상화된 시험편에서 파괴와 관련된 거동을 측정하는 반면, 압입 시험은 서로 다른 응력 상태에서 국부적인 소성 변형 저항을 측정한다.

ISO 18265:2013의 원칙

ISO 18265:2013, 금속 재료—경도값의 환산은 경도값을 척도 간에 환산하고 인장 강도를 추정하기 위한 원칙을 제시한다. 이 표준은 환산이 재료, 경도 시험 방법, 적용 범위 및 해당 관계를 뒷받침하는 근거에 조건부로 좌우된다고 본다. 따라서 모든 척도가 하나의 고정된 수학적 등가 관계를 가진다고 주장하기보다는 책임 있는 사용을 위한 체계에 가깝다.

핵심적인 제한 사항은 명시적으로 제시되어 있다. “환산값은 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용할 수 있다”(International Organization for Standardization, 2013). 실제로 “정확한 재료”에는 ASTM A36, AISI 4140 또는 UNS S30400과 같은 공칭 강종 지정 이상의 요소가 포함된다. 관련 범위 내의 화학 조성, 제품 형태, 결정립 조직, 표면 상태, 열처리, 이전 변형 및 많은 경우 구체적인 제조 공정까지 포함한다. 600 °C에서 담금질 및 뜨임한 4140 봉강은 동일한 기본 강종 지정을 가진다는 이유만으로 4140 침탄 기어 치형이나 고주파 경화 축과 서로 대체할 수 없다.

ISO 18265:2013은 또한 인장 강도 추정값을 가장 신뢰성이 낮은 환산으로 분류한다. 이러한 순위는 야금학적으로 타당하다. 두 압입 척도 사이의 환산도 동일한 재료에 서로 다른 압입자와 하중이 작용하는 방식에 좌우된다. 경도에서 최대 인장 강도로 이동하면 변형 경화, 결함, 이방성, 시험편 형상 및 파괴 거동에 대한 추가적인 의존성이 발생한다. 경도값은 잘못된 열처리를 선별하는 데 사용할 수 있지만, 해당 물성이 설계 또는 인수 요건인 경우 지정된 인장 강도 범위를 충족한다는 사실을 경도값 하나만으로 입증할 수는 없다.

근거에서 조건을 제거할 때 발생하는 위험은 자주 반복되는 한 가지 관계에서 잘 드러난다. 2012년에 Materials Science and Engineering: A에 발표된 연구는 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 근사 관계 $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$를 제시했다. 여기서 $H_V$는 호환 가능한 응력 단위로 표시한 경도이고, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$는 최대 인장 강도이다. 이 관계는 특정 재료군에 적용되는 것이며 모든 강에 대한 법칙이 아니다. 동일한 연구는 경도 대 강도 비가 재료군, 미세조직 및 압입 형상에 따라 달라진다고 보고했다. 주철, 연질 어닐링 저탄소강, 석출 경화 스테인리스강 및 뜨임 마르텐사이트 공구강에 계수 3을 적용하는 것은 별도의 조건을 명시하지 않는 한 타당하지 않다.

경험적 관계가 유용한 더 제한적인 경우도 있다. 2023년에 발표된 역사적 및 현대 무합금 구조용 강에 관한 연구는 원재 또는 노멀라이징 상태의 강에서 브리넬 경도와 인장 강도 매개변수 사이에 대체로 선형 관계가 있음을 확인했다. 시험한 재료가 연구 대상 모집단 안에 머무르는 경우, 이 결과는 특정 공장 또는 제품군에 대한 추정값을 뒷받침할 수 있다. 그러나 그 직선을 담금질 및 뜨임 합금강, 냉간 인발 선재 또는 용접물에 그대로 적용하는 것은 정당화되지 않는다.

근사 표와 재료별 교정

표준화된 참고 표와 적합성 검증을 거친 상관식은 서로 다른 질문에 답한다. ASTM E140-12는 본질적으로 표준에 명시된 적용 범위 내에서 특정 금속군에 대해 측정값과 대응할 수 있는 근사 경도값이 무엇인지 묻는다. 반면 적합성 상관식은 정의된 하나의 강, 공정 경로, 상태 및 부품에 대해 어떤 관계가 입증되었는지를 묻는다.

예를 들어 제조업체나 시험소는 특정 제강소의 생산 경로에서 제조된 노멀라이징 상태의 1045강을 시험하고, 동일 조건의 시험편에서 브리넬 경도와 인장 강도를 측정한 뒤 실제 생산 범위에 대해 회귀식을 도출할 수 있다. 그 식은 새로운 로트와 대조하여 확인하고 불확실성 분석으로 뒷받침한다면 해당 1045 상태에 적합할 수 있다. 그러나 고주파 경화 1045에 자동으로 적용해서는 안 되며, 계약서에서 항복 강도 또는 최대 인장 강도를 직접 지정한 경우에는 인장 시험을 대체해서도 안 된다.

SAE의 1967년 기술 보고서 경도 시험 및 경도값 환산은 이 점을 실무적인 측면에서 설명한다. 정밀한 환산은 특정 강의 화학 조성, 열처리 및 부품에 대해 개발해야 한다. 크기, 질량, 조성 및 가공 공정이 그 관계에 영향을 미치기 때문이다. 부품의 크기와 질량은 특히 동적 시험 방법과 충분한 지지를 제공할 수 없는 얇은 단면에서 중요하다. 환산을 시도하기 전에도 표면 준비, 곡률, 압흔 간격 및 받침면 경도가 측정값을 변화시킬 수 있다.

방어 가능한 시험 보고서에는 측정된 경도, 표준과 척도, 시험력 또는 하중, 압입자, 측정 위치, 표면 상태, 재료 등급 및 열처리 상태를 기록해야 한다. 환산값이 필요한 경우에는 해당 값이 환산값임을 표시하고, 가능한 경우 표 또는 범위를 포함하여 ASTM E140-12 또는 ISO 18265:2013과 연계해야 한다. 인장 강도를 추정하는 경우에는 경험적 모델, 교정에 사용된 모집단, 산포 및 사용 한계를 보고서에 명시해야 한다.

그 결과가 파괴 중요 설계, 열처리 출하 승인 또는 인장 특성에 대한 공식적인 인수 판정에 영향을 미치는 경우에는, 별도의 적합성 검증 절차를 통해 상관관계가 확립되어 있지 않은 한 직접 인장 시험이 적절한 근거이다. 경도 환산은 비교와 공정 관리에 유용하다. 그러나 편리한 수치를 보편적인 대체값으로 취급해도 된다는 의미는 아니다.

강종과 화학 조성이 변환값을 바꾸는 이유

경도값은 특정 하중 사이클에서 특정 압입자에 대한 저항을 나타낸다. 이는 강의 전체 강도, 연성, 파괴 거동 또는 미세조직을 식별하지 않는다. 두 시험편이 모두 200 HBW로 측정되더라도, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 탄화물 및 잔류 오스테나이트의 조성이 매우 다른 방식으로 그 값에 도달할 수 있다. 인장강도는 서로 다를 수 있으며, 다른 경도 척도에서의 값도 일반 변환표가 제시하는 수치와 일치하지 않을 수 있다.

이러한 구분은 측정 경도, 변환 경도 및 추정 인장강도를 서로 구별한다. 측정된 200 HBW는 정의된 브리넬 시험에서 얻은 결과이다. 표에서 얻은 92 HRB와 같은 값은 변환 결과이다. 어느 한 값에서 추론한 인장강도는 추가적인 불확실성을 수반하는 또 하나의 추정값이다. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals는 지정된 금속과 경도 척도에 대한 근사 관계를 제시하지만, ASTM은 “변환값은 합금, 결정립 조직 및 열처리의 영향을 받는다”고 명확히 밝히고 있다(ASTM International, 2012).

탄소, 합금 원소 및 경화능

탄소는 여러 연계된 메커니즘을 통해 강의 경도를 변화시킨다. 저탄소 페라이트강에서는 탄소의 상당 부분이 페라이트에 남아 있거나 비교적 적은 양의 펄라이트를 형성한다. 탄소 함량이 증가하면 서냉 조직에서 일반적으로 펄라이트 분율이 증가하며, 담금질 중 마르텐사이트 형성에 이용될 수 있는 탄소 함량도 높아진다. 마르텐사이트는 페라이트보다 훨씬 단단하지만, 그 경도는 탄소 함량과 뜨임 상태에도 크게 좌우된다. 따라서 담금질한 0.40%C 강과 담금질한 0.20%C 강은 표면 측정값이 우연히 비슷하다는 이유만으로 동일한 인장강도 관계를 적용할 수 없다.

경화능경화능 규정된 냉각 조건에서 강이 일정 깊이까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력이며, 최대 경도와 같은 개념이 아니다.

합금 원소는 존재하는 상과 그 상이 형성되는 경로를 모두 변화시킨다. 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘 및 니켈은 펄라이트와 베이나이트 변태를 지연시켜 경화능을 높일 수 있다. 경화능은 지정된 냉각 속도에서 강이 마르텐사이트를 형성할 수 있는 깊이를 의미한다. AISI 1045는 표면이 빠르게 냉각되는 단면에서 단단한 마르텐사이트 표면과 더 연한 페라이트-펄라이트 코어를 형성할 수 있다. 크로뮴과 몰리브데넘이 첨가된 AISI 4140은 유사한 처리 조건에서 더 깊은 곳까지 경화될 수 있다. 두 부품이 동일한 명목상의 담금질 처리를 받더라도, 한 국부 압입에서 동일한 HRC 값이 나타나는 위치에서조차 경도 구배와 인장 특성이 서로 다를 수 있다.

두꺼운 단면에서는 경도와 경화능의 구분이 중요하다. 경화능은 모든 지점이 동일하게 단단해진다는 뜻이 아니라, 냉각 중 확산 변태에 저항한다는 뜻이다. 단면 크기, 냉각제, 교반 및 부품 형상이 냉각 이력을 결정한다. 따라서 SAE의 1967년 기술 보고서 Hardness Tests and Hardness Number Conversions는 크기, 질량, 조성 및 가공 조건이 관계에 영향을 미치므로 정확한 변환은 해당 강의 조성, 열처리 및 부품에 맞게 개발해야 한다고 설명한다(SAE International, 1967).

탄화물은 또 다른 차이의 원인이 된다. 공구강 또는 스테인리스강에 존재하는 크로뮴이 풍부한 탄화물, 일부 고속도강 또는 분말야금 강종의 바나듐 탄화물, 그리고 펄라이트의 철 탄화물은 균일한 마르텐사이트 기지와 동일한 방식으로 압입에 반응하지 않는다. 탄화물의 함량이 높으면 압입 저항은 증가할 수 있지만, 기지의 경도와 인장 변형 사이의 관계는 약해질 수 있다. 잔류 오스테나이트는 반대되는 문제를 일으킬 수 있다. 시험편은 담금질 후 높은 경도를 나타낼 수 있지만, 사용 중 또는 연삭 중에 후속 변태가 일어나 치수와 측정 경도가 변할 수 있다.

뜨임 처리도 중요하다. 뜨임 마르텐사이트, 베이나이트 및 미세 펄라이트는 서로 겹치는 경도 범위를 가질 수 있지만, 항복강도와 인장강도의 비율 및 파괴 거동은 서로 다를 수 있다. 이때 압입 크기, 잔류응력, 가공경화 및 이방성이 측정값에 영향을 미친다. 동일한 명목 경도는 상 분석 결과가 아니다.

비합금 구조용강과 상업적 상관관계

제한된 강종군 내에서는 경도와 강도 사이의 전반적인 경향이 여전히 유용할 수 있다. 원재 또는 노멀라이징 상태의 비합금 구조용강은 탄소 함량과 냉각 이력에 따라 비율이 달라지는 페라이트와 펄라이트를 흔히 포함한다. 2023년에 연구된 과거 및 현대의 비합금 구조용강은 이러한 상태에서 브리넬 경도와 인장강도 관련 매개변수 사이에 대체로 선형적인 경험적 관계를 보였다(Materials Today: Proceedings, 2023). 이 결과는 관리된 일반 구조용강 그룹에서 브리넬 경도 기반 강도 추정이 합리적으로 작동할 수 있는 이유를 설명한다.

이 관계는 물리 법칙이 아니라 경험적 관계이다. EN 10025-2 S275JR 및 EN 10025-2 S355JR와 같은 강종의 경우, 재료가 예상된 공급 상태의 비합금 또는 저합금 구조용강이라는 사실이 알려져 있다면 경도 측정은 공정 확인이나 대략적인 선별 추정에 도움이 될 수 있다. 그러나 필요한 인장시험 없이는 규정된 항복강도 및 인장강도 범위에 대한 적합성을 입증할 수 없다. 노멀라이징은 결정립 조직을 조정하고 페라이트-펄라이트 균형을 변화시키며, 압연 이력과 편석은 결과를 다시 변화시킬 수 있다.

1929년 NIST의 경험적 로크웰-브리넬 관계 연구는 상업적 목적에서 강의 인장강도를 브리넬 경도로 종종 추정할 수 있다고 보고했다(NIST, 1929). 여기서 한계가 되는 단어는 “종종”이다. 이러한 추정은 그 관계가 도출된 모집단 내에서 대략적인 상관관계를 파악하는 데 유용할 뿐이며, 모든 강종에 걸쳐 인장시험을 대체할 수 있는 근거가 아니다.

ISO 18265:2013은 척도 간 경도값 변환과 인장강도 추정을 위한 원칙을 규정하지만, 변환값은 시험한 정확한 재료에만 직접 적용할 수 있다고 경고하며 인장강도 추정값을 신뢰성이 가장 낮은 변환으로 분류한다(ISO, 2013). 따라서 HBW에서 HRC로 변환한 표의 항목을 변환된 HRC 값이 동일한 신뢰도로 인장강도를 예측한다는 증거로 취급해서는 안 된다.

공구강, 스테인리스강 및 적용에서 제외되는 가정

공구강과 스테인리스강은 일반 탄소강 상관관계의 한계를 드러낸다. AISI D2는 경화 및 뜨임된 기지에 상당량의 크로뮴이 풍부한 탄화물을 포함할 수 있다. AISI H13은 열간 작업용 공구강 처리 후 뜨임 합금 마르텐사이트를 포함할 수 있다. AISI 420 스테인리스강은 비교적 연한 풀림 재료에서부터 담금질 및 뜨임 후 단단한 마르텐사이트 재료에 이르기까지 상태의 범위가 넓다. 각 상태는 압입 반응을 변화시키며, HRC 또는 HV 값이 동일한 수치 범위에 있다는 이유만으로 어느 것도 탄소강 변환식을 적용해서는 안 된다.

AISI 304 및 AISI 316과 같은 오스테나이트계 스테인리스강은 다른 문제를 제시한다. 이들의 면심입방 기지는 압입 중 강하게 가공경화될 수 있으며, 일부 조성에서는 냉간 압하로 변형 유기 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 따라서 냉간가공 후 측정한 경도는 초기 조성과 가공 이력을 모두 반영한다. 페라이트계, 듀플렉스계, 석출경화계 및 마르텐사이트계 스테인리스 강종에는 상 균형과 강화 메커니즘이 서로 다르므로 별도의 가정이 필요하다.

자주 인용되는 Hᵥ ≈ 3σUTS라는 근사식은 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 확인된 바 있지만, Materials Science and Engineering: A에 발표된 2012년 연구는 경도-강도 비가 재료 종류, 미세조직 및 압입 형상에 좌우된다고 강조한다(Materials Science and Engineering: A, 2012). 이는 강에 적용되는 보편적인 변환식이 아니다.

인장 특성이 인수, 설계 또는 파손 평가를 좌우하는 경우, 검증된 상관관계가 승인되지 않았다면 직접 인장 시험이 여전히 필요하다. Strong evidence

따라서 보고서에는 측정 척도, 시험 표준, 해당되는 경우 하중 또는 볼 규격, 측정 위치 및 재료 상태를 기재해야 한다. 변환값을 보고하는 경우에는 변환값임을 표시하고 적용한 표 또는 표준을 명시해야 한다. 인장강도를 추정하는 경우에는 추정값임을 표시하고 이를 뒷받침하는 재료 범위를 밝혀야 한다. 인장 특성에 따라 수락 기준, 설계 허용값 또는 파괴 평가가 결정되는 경우에는 직접 인장시험이 여전히 필요하다.

열처리와 미세조직: 주요 오차 원인

열처리는 모든 경도 관계에서 일차적인 변수이다. 이를 강종 아래에 붙이는 각주처럼 취급해서는 안 된다. 공칭 화학 조성이 동일한 두 시험편이라도 풀림, 노멀라이징, 담금질, 뜨임, 침탄, 질화 또는 유도 경화 후에는 경도, 인장강도, 연성 및 압입 응답이 상당히 다를 수 있다. 상태를 무시한 경도 환산은 물리적 근거가 거의 없으면서도 정밀해 보이는 수치를 산출할 수 있다.

이 구분이 중요한 이유는 서로 다른 세 가지 양이 자주 혼동되기 때문이다. 측정 경도는 220 HBW 또는 62 HRC와 같이 특정 시험에서 얻은 결과이다. 환산 경도는 비커스 경도에서 추정한 로크웰 C 값과 같이 다른 경도 척도로 나타낸 근사값이다. 추정 인장강도는 경도에서 한 단계 더 추론한 값이며, 척도 간 환산보다 신뢰도가 낮다. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함하여 특정 금속에 대한 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클레로스코프 및 리브 척도 사이의 근사 관계를 제시한다. 또한 “환산값은 합금, 결정립 조직 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다.

ISO 18265:2013도 동일한 제한을 명확히 규정한다. 이 표준은 척도 간 경도값 환산 및 인장강도 추정을 위한 원칙을 규정하지만, 환산값은 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용할 수 있다고 명시한다. 인장강도 추정값은 신뢰도가 가장 낮은 환산값으로 분류된다. 측정된 표면이 전체 단면을 대표하지 않는 경우에는 이러한 제한이 특히 중요하다.

풀림, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임 상태

풀림 상태의 강에서는 서냉으로 인해 일반적으로 비교적 조대한 페라이트–펄라이트 조직 또는 가공과 성형을 용이하게 하도록 선택된 다른 연화 조직이 형성된다. 이 상태에서 브리넬 압흔은 페라이트와 펄라이트 콜로니를 포함하는 비교적 큰 체적을 대상으로 한다. 그 결과 얻어진 경도는 좁은 범위의 저탄소강 계열에서는 인장강도와 상당히 양호한 상관관계를 보이는 경우가 많지만, 탄소 함량, 펄라이트 분율, 콜로니 간격 및 결정립 크기에 따라 그 관계는 여전히 달라진다. 저탄소 풀림강과 고탄소 풀림강은 외관상 유사한 시험 표면을 가질 수 있지만 강도–경도 비는 다를 수 있다.

노멀라이징은 비교를 달라지게 한다. 임계 온도 범위 이상으로 가열한 뒤 공랭하면 일반적으로 노냉보다 더 미세한 페라이트와 펄라이트가 형성된다. 결정립 미세화는 압입 경도의 증가와 동일한 비례 증가를 일으키지 않으면서 항복강도와 인장강도를 높일 수 있다. 역사적 및 현대의 비합금 구조용 강을 대상으로 한 2023년 Materials Today: Proceedings 연구는 원재 또는 노멀라이징 상태의 강에서 브리넬 경도와 인장강도 매개변수 사이에 일반적으로 선형인 경험적 관계가 있음을 확인했다. 이 결과는 연구 대상 집단 내에서의 실용적 추정을 뒷받침하지만, 그 직선 관계가 담금질 및 뜨임된 합금강이나 표면 경화 부품에도 그대로 적용된다는 의미는 아니다.

담금질은 종종 잔류 오스테나이트와 변태 응력을 동반하는 마르텐사이트를 생성한다. 압입자가 고강도이며 전단에 저항하는 상과 접촉하기 때문에 경도는 급격히 상승할 수 있지만, 인장 거동은 탄소 함량, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 탄화물 용해, 잔류 오스테나이트 및 균열 민감도에도 좌우된다. 담금질된 SAE 1045 시험편과 담금질된 AISI 4140 시험편은 모두 높은 로크웰 C 값에 가까운 수치를 나타낼 수 있지만, 인장강도와 인성은 서로 다를 수 있다. 합금 원소는 경화능과 뜨임 응답을 변화시키므로, 동일한 공칭 HRC가 동일한 인장 특성을 보장하지는 않는다.

뜨임은 마르텐사이트를 분해하거나 변형시키고 잔류 응력을 감소시키며 탄화물 분포를 변화시킨다. 저온 뜨임은 일부 담금질 응력을 완화하면서 높은 경도를 유지할 수 있다. 고온 뜨임은 경도를 낮추지만 인성을 향상시킬 수 있으며, 담금질 직후 상태와는 다른 강도–경도 관계를 만들 수 있다. 예를 들어 담금질 및 뜨임된 AISI 4140 축은 일반적인 탄소강 표가 아니라 유사한 합금과 상태에 대한 환산 데이터와 비교해야 한다. 동일한 강종 내에서도 뜨임 온도와 시간에 따라 재료는 경도, 항복강도, 인장강도 및 연신율의 서로 다른 조합을 거칠 수 있다.

1929년에 발표된 NIST의 경험적 로크웰–브리넬 관계 연구는 상업적 목적의 경우 강의 인장강도를 브리넬 경도로부터 추정할 수 있는 경우가 많다고 보고했다. 여기서 핵심은 “많은 경우”라는 표현이다. 이 결과는 경험적 모집단을 설명하는 것이지, 열처리가 바뀌어도 항상 성립하는 물리 법칙을 의미하지 않는다. 1967년 SAE 기술 보고서 Hardness Tests and Hardness Number Conversions 역시 정밀한 환산은 특정 강의 조성, 열처리 및 부품에 대해 개발되어야 한다고 강조했다. 크기, 질량, 조성 및 가공 조건이 그 관계에 영향을 미치기 때문이다.

표면 경화와 두께 방향 경도 구배

침탄, 질화 및 유도 경화에서는 단일 경도값이 전체를 대표하기가 더욱 어려워진다. 침탄은 저탄소강 표면에 탄소를 농축한 뒤 담금질하여, 더 인성이 높고 탄소 함량이 낮은 심부 위에 경질 마르텐사이트 경화층을 형성한다. 표면 측정값은 60 HRC 이상일 수 있지만 심부는 훨씬 더 연할 수 있다. 이 표면값을 부품 전체의 인장강도로 환산하는 것은 범주 오류이다. 시험이 균질한 재료로서 하중을 지지하는 전체 단면을 측정하는 것이 아니라 경화층을 측정하기 때문이다.

질화는 질소가 농축된 확산 영역을 형성하며, 표면 근처에는 ε-Fe₂–₃N 및 γ′-Fe₄N과 같은 철 질화물을 포함하는 화합물층이 형성된다. 이 층은 매우 단단하면서도 얇을 수 있다. 기존의 로크웰 또는 브리넬 시험은 압입 깊이와 소성 영역이 처리 영역 아래까지 확장되므로 적합하지 않을 수 있다. 경도 프로파일을 분해하여 확인하려면 마이크로 비커스 또는 누프 경도 측정이 필요한 경우가 많다. 마이크로 압입값조차도 압입 깊이가 층 두께에 비해 지나치게 깊으면 기지의 영향으로 왜곡될 수 있다.

경도 수준

유도 경화는 경화된 마르텐사이트 영역을 형성하며, 그 깊이는 주파수, 출력, 스캔 속도, 형상 및 담금질 조건에 따라 달라진다. 경도는 표면에서부터 천이 영역을 거쳐 더 연한 심부까지 연속적으로 변한다. 위치와 측정 깊이를 명시하지 않은 “62 HRC”라는 보고는 불완전하다. 동일한 부품이라도 표면, 유효 경화 깊이 및 심부에서 서로 다른 환산 결과가 나올 수 있다.

이러한 구배는 압입 형상에도 영향을 미친다. 경질층 위에 놓인 얕은 압입은 그 아래의 연한 재료에 의해 구속될 수 있으며, 깊은 압입은 여러 영역의 특성을 평균화한다. 표면 곡률, 단면 두께, 가장자리까지의 거리 및 부품 질량은 응력장을 변화시킬 수 있다. ASTM E140-12 표는 표에 나타난 재료 범위와 시험 조건을 대상으로 하며, 임의의 표면 경화 프로파일을 대상으로 하는 것은 아니다. 환산값은 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용할 수 있다는 ISO 18265:2013의 요구사항은 이 경우 특히 중요하다.

결정립 조직, 상 및 압입 형상

경도는 압입에 대한 국부적 저항이며, 인장강도를 직접 측정한 값이 아니다. 압입자는 유한한 체적에 걸쳐 탄성 및 소성 변형을 발생시킨다. 결정립 크기, 결정학적 집합조직, 상 경계, 개재물, 탄화물 및 잔류 응력은 모두 이 체적에 영향을 미친다. 미세한 페라이트–펄라이트 조직은 조대한 펄라이트와 다른 방식으로 변형을 분산시킬 수 있다. 베이나이트, 마르텐사이트, 페라이트, 잔류 오스테나이트 및 탄화물이 풍부한 영역은 서로 다른 변형 메커니즘을 통해 유사한 평균 경도값을 나타낼 수 있다.

잔류 압축응력은 압입에 대한 겉보기 저항을 높일 수 있는 반면, 잔류 인장응력은 이를 낮추거나 균열을 촉진할 수 있다. 따라서 연삭 번, 탈탄, 쇼트 피닝 및 가공 손상은 벌크 인장 특성이 동일한 비율로 변하지 않더라도 표면 측정값을 변화시킬 수 있다. 압입 위치도 중요하다. 큰 탄화물 위, 상 경계 부근 또는 기존 압흔 가까이에 만든 압흔은 기지를 대표하지 않을 수 있다.

압입 형상은 또 다른 경고 신호를 제공한다. 브리넬 및 비커스 방법은 영구 압흔의 크기와 형상에 의존하는 반면, 로크웰 방법은 압입 깊이에 의존한다. 압흔 주위의 파일업은 접촉 면적을 이상화된 해석에서 가정하는 것보다 작게 만들 수 있고, 싱크인은 접촉 면적을 더 크게 만들 수 있다. 이방성, 다상 또는 가공경화가 큰 강에서는 이러한 효과가 경도와 유동응력 사이의 관계를 변화시킨다. 2012년 Materials Science and Engineering: A에 게재된 동료심사 연구는 경도–강도 비가 재료 분류, 미세조직 및 압입 형상에 따라 달라진다고 보고했다. 이 연구는 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 Hᵥ ≈ 3σUTS라는 근사 관계를 제시했지만, 이 식은 특정 재료 분류에 한정되며 모든 강에 적용되는 보편적인 방정식은 아니다.

따라서 보고서에는 강종, 열처리 상태, 시험 방법, 척도, 측정 위치 및 경화 깊이 관련 정보를 명시해야 한다. 245 HBW와 같은 측정값은 23 HRC와 같은 환산값과 서로 바꾸어 사용할 수 없으며, 어느 쪽도 자동으로 추정 인장강도를 의미하지 않는다. 인장 특성이 인수 기준, 파괴 위험 또는 구조 설계를 좌우하는 경우에는 편의상 선택한 경도값에서 근거 없이 환산할 것이 아니라 직접 인장시험을 실시하거나 강종 및 상태에 특화되어 검증된 상관관계를 사용해야 한다.

브리넬, 로크웰 및 비커스 환산 관계

경도 환산표는 HBW, HRC 및 HV를 상호 교환 가능한 측정값으로 만들어 주지 않는다. 환산표는 한 척도에서 측정한 값을 바탕으로 다른 척도에서의 추정값을 제시한다. 각 방법은 서로 다른 압입자, 하중, 접촉 형상 및 계산 절차를 적용하므로 이러한 구분은 중요하다. 예를 들어 220 HBW의 브리넬 결과는 비교적 큰 압흔의 직경으로부터 측정된 값이다. 이를 21 HRC로 환산한 값은 표에 따른 추정값일 뿐이며, 두 번째 로크웰 시험을 실시한 결과가 아니다.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals는 지정된 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클레로스코프 및 리프 척도 사이의 근사적인 관계를 제시한다. 이 표준의 강재 표에는 균질 탄소강, 합금강 및 공구강이 포함된다. 여기서 중요한 제한 조건이 있다. ASTM은 “환산값은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다. ISO 18265:2013 역시 경도 척도 간 환산 및 인장 강도 추정을 위한 원칙을 규정하지만, 환산값은 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용된다고 설명한다. 따라서 환산표는 명시된 재료와 범위 내에서 비교를 지원할 뿐, 경도 수치 사이에 물리적 동일성이 있음을 입증하지는 않는다.

HBW에서 HRC로, HRC에서 HBW로 환산하는 표의 해석

먼저 실제 시험 방법과 그 완전한 표기를 확인해야 한다. HBW는 초경합금 볼을 사용하여 측정한 브리넬 경도를 의미한다. 볼 직경과 적용 하중도 함께 표시할 수 있으며, 예를 들어 220 HBW 10/3000과 같이 표기한다. HRC는 로크웰 C 경도를 의미하며, 일반적으로 로크웰 절차에 따라 다이아몬드 원뿔 압입자와 총 150 kgf의 하중을 사용하여 얻는다. 기술 보고에서 단순히 “HB” 또는 “HR”이라고만 표기하는 것은 불완전하다. 볼 재질, 볼 직경, 로크웰 척도 및 시험 하중이 결과에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

220 HBW를 HRC로 환산하려면 해당 ASTM E140-12 또는 ISO 18265:2013 표에서 HBW 열의 220을 찾은 다음 HRC 열에서 대응값을 읽는다. 해당 행에 21 HRC가 제시되어 있다면 올바른 보고 방식은 220 HBW에서 환산한 약 21 HRC이며, 로크웰 C 시험을 실시한 것처럼 단순히 “21 HRC”라고 보고해서는 안 된다. 역환산에도 동일한 원칙을 적용해야 한다. 측정된 HRC 값에서 시작하여 올바른 강재 표를 선택하고, 대응하는 HBW 추정값을 읽어야 한다. 표에 수록된 관계는 반올림되어 있고, 가역적인 방정식이 아니라 적합식 또는 경험적 관계로 구성될 수 있으므로 역조회 결과가 원래 수치를 반드시 재현하는 것은 아니다.

인접한 항목은 정확히 서로 동등한 값이 아니다. 예를 들어 어떤 표에 210 HBW가 19 HRC로, 230 HBW가 22 HRC로 제시되어 있다고 하자. 측정된 220 HBW는 두 행 사이에 있지만, 그렇다고 해서 정확히 20.5 HRC의 값을 가지거나 물리적으로 검증된 로크웰 값이 되는 것은 아니다. 해당 범위에서 기준 표준이 보간을 허용한다면 선형 보간을 통해 보고 보조값으로 약 20.5 HRC를 산출할 수 있다. 그러나 이 결과는 여전히 추정값이며, 그 불확도에는 환산 관계의 산포와 원래 측정값의 불확도가 포함된다.

재료의 분류는 시험 대상 부품과 일치해야 한다. 마르텐사이트 조직으로 담금질 및 뜨임 처리한 4140 강은 노멀라이징한 AISI 1020, 풀림 처리한 AISI 1045 또는 고탄소 공구강과 동일한 HBW–HRC 관계를 반드시 따르지는 않는다. 그 이유는 단순히 표의 문제가 아니라 역학적인 것이다. 압입 반응은 항복 강도, 변형 경화, 탄화물 분포, 잔류 오스테나이트, 결정립 크기, 잔류 응력 및 압흔 주변의 변형에 좌우된다. SAE International의 1967년 보고서 Hardness Tests and Hardness Number Conversions는 정확한 환산을 위해서는 특정 강재의 조성, 열처리 및 부품에 맞춰 환산 관계를 개발해야 한다고 설명한다. 크기, 질량, 조성 및 가공 이력이 그 관계에 영향을 주기 때문이다.

로크웰 시험은 반복 검사에 빠르고 편리하지만, 큰 브리넬 압흔이 평균화하는 조건의 영향을 받을 수 있다. 얇은 단면은 휘어지거나 압입 응력장이 반대쪽 표면과 상호작용할 수 있다. 지지가 불충분한 시험편은 잘못된 결과를 낼 수 있다. 척도의 선택도 중요하다. HRB가 적절한 경우 HRC를 사용하거나, 하중과 압입자를 식별하지 않고 표면 로크웰 척도를 적용하면 비교가 무효화된다. 표면의 산화 스케일, 탈탄, 거칠기, 곡률 및 압흔 사이의 간격 부족도 판독값을 변화시킬 수 있다. 환산된 HRC 값으로 잘못된 HBW 측정을 보정하거나 부적절한 로크웰 시험 설정을 보완할 수는 없다.

비커스가 유용한 연결 척도가 되는 경우

비커스 경도는 필요한 경우 시험 하중을 명시하여 HV로 보고하며, 다이아몬드 피라미드 압입자를 사용하고 압흔의 두 대각선으로부터 경도를 계산한다. 비커스의 형상은 하나의 로크웰 척도보다 더 넓은 경도 범위에서 사용할 수 있고, 브리넬 볼이 너무 큰 조건에도 적합하다. 시험 하중, 표면 준비, 압흔 간격 및 광학 측정이 적용되는 시험 방법의 요구사항을 충족한다면, 비커스 압흔으로 작은 경화층, 용접부 또는 열영향부, 개별 상 영역 및 얇은 단면을 검사할 수 있다.

HBW와 HRC가 척도의 한계 때문에 직접 연결되기 어려울 때 비커스는 연결 척도 역할을 할 수 있다. 예를 들어 침탄층은 일반적인 브리넬 압흔을 형성하기에는 너무 얇을 수 있으며, 압흔이 침탄층을 넘어 침투하면 표준 로크웰 시험에서도 불안정한 결과를 낼 수 있다. 저하중 비커스 측정선을 사용하면 표면에서 중심부로 이어지는 경도 구배를 확인할 수 있다. 이러한 정보는 층상 구조에 하나의 환산 HRC 값을 부여하는 것보다 유용하다. 몇 밀리미터 이내에 여러 미세조직이 존재할 수 있는 용접 금속과 열영향부에도 동일하게 적용된다.

비커스가 자동으로 더 정확한 것은 아니다. 대각선 측정은 표면 상태, 광학 분해능, 검사자의 판단, 압흔 주변의 융기 또는 함몰 및 선택한 하중의 영향을 받는다. 매우 작은 압흔은 측정 오차를 확대한다. 국부적으로 측정한 HV 값은 브리넬 압흔이 대표하는 벌크 강재가 아니라 탄화물, 마르텐사이트 섬 또는 탈탄 부위를 측정할 수도 있다. 따라서 HV를 HRC 또는 HBW로 환산하는 것은 해당 표가 관련 강재 분류, 경도 구간 및 시험 하중 조건을 포함하는 경우에만 의미가 있다.

경도에서 강도로 환산하는 공식은 더욱 신중하게 사용해야 한다. 2012년에 Materials Science and Engineering: A에 발표된 한 연구는 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 Hᵥ ≈ 3σUTS라는 근사 관계를 제시했지만, 경도와 강도의 비는 재료 분류, 미세조직 및 압흔 형태에 따라 달라진다는 점도 보여 주었다. 이는 탄소강과 합금강에 적용되는 일반식이 아니다. ISO 18265:2013은 인장 강도 추정을 가장 신뢰성이 낮은 환산으로 분류한다. 1929년에 NIST가 수행한 연구는 상업적 목적에서 강재의 인장 강도를 브리넬 경도로부터 추정할 수 있는 경우가 많다는 점을 확인했지만, 이는 관리된 경험적 추정을 뒷받침하는 것일 뿐 인장 시험을 보편적으로 대체할 수 있다는 뜻은 아니다.

범위 한계, 보간 및 불연속성

환산은 표에 명시된 경도 범위와 재료 분류 안에서만 사용해야 한다. 표가 60 HRC에서 끝난다면, 측정된 64 HRC를 마지막 몇 개 행에서 외삽해서는 안 된다. 부품이 석출경화형 스테인리스강인데 해당 표가 균질 탄소강, 합금강 및 공구강만 다룬다면, 가장 비슷해 보이는 행을 선택한다고 해서 환산이 유효해지는 것은 아니다. 또한 강종 표시만으로는 충분하지 않을 수 있다. 동일한 명목 조성이라도 노멀라이징, 풀림, 담금질, 뜨임, 침탄 및 냉간가공 상태에 따라 서로 다른 관계가 나타날 수 있다.

보간은 표준 또는 승인된 절차가 이를 뒷받침하고, 주변 항목이 적절한 연속 구간을 형성하는 경우에만 허용된다. 보간을 사용했다는 사실을 명시하고, 근거 없는 정밀도를 암시하지 않도록 합리적으로 반올림해야 한다. 일반적으로 브리넬 표에서 21.37 HRC라고 보고하는 것은 원자료가 제공할 수 있는 것보다 높은 확실성을 주장하는 셈이다. 먼저 측정값을 보고한 다음 환산값과 참고 문헌을 제시해야 한다. 예를 들면 “220 HBW; ASTM E140-12에 따라 환산한 약 21 HRC”와 같이 보고한다.

표가 재료 분류, 로크웰 척도, 압입자 또는 경도 구간을 변경하는 지점에서는 불연속성이 나타날 수 있다. 이는 강재에서 급격한 변화가 발생했기 때문이 아니라 압입 역학의 전환을 반영할 수도 있다. 이러한 경계에 걸쳐 값을 매끄럽게 연결하거나 서로 다른 표의 값을 평균해서는 안 된다. 인장 특성, 침탄층 깊이, 용접 인증 또는 특정 강종의 상태가 합격 판정에 중요하다면 요구되는 직접 시험을 실시해야 한다. 환산은 비교를 위한 도구일 뿐이며, 실시하지 않은 시험을 통과했을 것이라는 증거가 아니다.

경도와 인장 강도: 동일성이 아닌 관계

경도와 인장 강도는 모두 금속의 소성 변형 저항에 좌우되므로 서로 관련되어 있지만, 상호 교환 가능한 특성은 아니다. 경도 시험은 한 위치에 작은 압흔을 만든다. 인장 시험은 표준화된 시험편에 훨씬 큰 부피를 통해 하중을 가하여 항복, 소성 유동 및 파괴가 발생할 때까지 시험한다. 따라서 두 시험은 서로 다른 재료 부피를 대상으로 하고, 서로 다른 응력 상태를 부과하며, 서로 다른 종류의 측정값을 산출한다.

경도값은 비커스, 브리넬, 로크웰, 누프 또는 다른 척도에서 직접 측정할 수 있다. 환산 경도값은 공개된 관계를 사용하여 다른 측정 척도로부터 계산한 값이다. 추정 인장 강도는 한 단계 더 나아간 값으로, 경도로부터 인장 특성을 추론한다. 각 단계마다 가정과 잠재적 오차가 추가된다. 특히 규격, 설계 계산 또는 파손 조사에서 항복 강도, 최대 인장 강도 또는 연신율이 중요한 경우, 추정 인장 강도를 인장 시험 결과인 것처럼 취급하는 것은 부적절한 보고 관행이다.

경도가 역학적으로 측정하는 것

경도는 국부적인 소성 변형에 대한 저항이다. 비커스 시험에서는 지정된 힘으로 다이아몬드 피라미드를 표면에 압입한 다음, 압흔의 두 대각선을 측정한다. 비커스 경도값 $H_{\mathrm{V}}$은 가해진 힘과 압흔의 투영 면적으로부터 계산한다. 브리넬 시험에서는 초경 볼을 재료에 압입하고, 가해진 힘과 형성된 압흔의 직경 사이의 관계를 이용한다. 반면 로크웰 시험은 규정된 예비 하중과 주 하중에서의 침투 깊이를 측정하며, 그 결과는 HRC 또는 HRB와 같은 지정된 척도로 표시한다.

압자는 접촉부 아래에 복잡한 3차원 응력장을 형성한다. 이 응력장에는 압축, 전단 및 인장 성분이 포함되며, 압흔 주변의 재료는 심한 소성 변형을 겪을 수 있다. 측정된 응답은 가공경화, 탄성 회복, 마찰, 압자 형상, 표면 준비 상태 및 소성 변형 영역의 크기에 영향을 받는다. 또한 측정값은 시험 표면 바로 아래에 있는 재료의 특성을 반영할 뿐, 부품 전체의 평균 특성을 반드시 반영하는 것은 아니다.

이러한 국부적 특성 때문에 경도는 경사와 제조 공정의 영향을 확인하는 데 유용하다. 담금질 및 뜨임 처리된 마르텐사이트 층, 탈탄된 표면, 용접 열영향부 또는 침탄층은 심부와 크게 다른 경도값을 나타낼 수 있다. 압흔 간격, 가장자리까지의 거리, 시험편 두께, 곡률 및 표면 거칠기도 결과를 왜곡할 수 있다. 척도, 시험 방법, 하중 및 시험 조건이 표시되지 않은 경도값은 불완전하다. “60”은 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA 또는 지정된 하중에서 약 60 HV를 의미할 수 있으며, 이 값들은 서로 동등하지 않다.

이에 비해 인장강도는 일축 인장시험 중 도달하는 최대 공칭응력이다. 시험편을 표점거리 방향으로 인장하고, 보고되는 인장강도 ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$는 최대 하중을 원래의 단면적으로 나누어 계산한다. 이 시험은 비교적 큰 표점 체적에 걸친 변형을 포착하며, 항복 거동, 균일 연신율, 총 연신율 및 단면 수축률을 포함한 추가 특성을 보여 준다. 경도 압흔으로는 이러한 인장 변형률 측정값을 얻을 수 없다.

이 구분은 불균질한 강에서 중요하다. 표면 경도시험은 심부의 인장강도가 더 낮더라도 얇은 경화층의 영향을 지배적으로 받을 수 있다. 반대로 조대한 결정립 영역, 밴드 조직, 개재물의 분포 또는 국부적인 열처리 편차는 작은 압흔과 인장시험편에 서로 다르게 영향을 줄 수 있다. 관리된 생산 재료군 내에서는 경도와 강도가 서로 비슷한 경향을 보일 수 있지만, 이러한 상관관계는 경험적 결과이지 정의가 아니다.

근사적인 $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ 관계

자주 반복되는 규칙은 다음과 같다.

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

비커스 경도와 인장강도를 서로 호환되는 단위로 표시할 때, 이 관계는 대략적인 규모를 비교하는 용도로 유용할 수 있다. 예를 들어 $H_{\mathrm{V}}=600$인 재료는 이러한 관계에 따르면 약 $2,000\text{MPa}$에 가까운 인장강도와 연관될 수 있다. 그러나 이러한 계산은 재료 인증서가 아니며, 재료 인증서인 것처럼 제시해서는 안 된다.

이 관계는 일부 고강도 연성 금속 재료에서 확인되었다. 2012년에 Materials Science and Engineering: A에 발표된 연구는 경도 대 강도 비가 재료 분류, 미세조직 및 압흔 형태에 따라 달라진다고 보고했다. 이러한 조건은 결정적으로 중요하다. 3이라는 계수는 모든 강, 모든 경도 척도 또는 모든 열처리에 적용되는 일반식이 아니다. 측정된 값이 비커스 경도라고 해서 이 관계가 자동으로 유효해지는 것도 아니다.

역학적으로 볼 때 이 근사에는 개연성 있는 근거가 있다. 압자 아래에서 소성 변형이 일어나려면 높은 대표 유동응력이 필요하지만, 인장강도는 일축 변형 및 변형경화 과정에서 도달하는 응력 수준을 반영한다. 대표 압입압력, 유동응력 및 인장 응답 사이에 일관된 관계가 존재하는 제한된 재료군에서는 거의 일정한 비가 나타날 수 있다. 그러나 변형 메커니즘이나 변형경화 거동이 달라지면 이 비도 달라진다.

동일한 강종이라도 서로 다른 제조 공정을 거치면 이 근사에서 벗어날 수 있다. 페라이트-펄라이트, 베이나이트, 뜨임 마르텐사이트 및 담금질 마르텐사이트는 하중을 받을 때 동일한 방식으로 경화되지 않는다. 잔류 오스테나이트, 탄화물 분포, 결정립 크기, 잔류응력 및 선행 변형은 압흔 형상과 인장 곡선을 변화시킬 수 있다. 고탄소 공구강, 저탄소 구조용 강 및 오스테나이트계 스테인리스강은 명목상 경도값이 비슷하더라도 서로 다른 경도-인장강도 비를 나타낼 수 있다.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

발표된 경험적 연구는 보편적인 대체보다는 제한적이고 조건에 특화된 사용을 뒷받침한다. 2023년에 Materials Today: Proceedings에 보고된 연구에서는 원재료 상태 또는 정규화 상태의 과거 및 현대 비합금 구조용 강에 대해 브리넬 경도와 인장강도 매개변수 사이에 대체로 선형적인 관계가 있음을 확인했다. 이 결과는 해당 재료 집단과 조건에 대해서는 유용하다. 그러나 이것이 담금질 및 뜨임 처리된 합금강, 냉간가공 판재, 표면경화 부품 또는 용접부에 대해서도 동일한 직선 관계가 성립한다는 뜻은 아니다.

단위도 주의해야 한다. 비커스 경도는 통상 무차원 경도값으로 보고되지만, 힘을 면적으로 나눈 값과 관련되어 있다. 인장강도는 일반적으로 MPa 또는 N/mm²로 보고한다. $1{\text{kgf/mm}}^2$는 약 $9.807\text{MPa}$이므로, 경도 관례상의 단위와 SI 응력 단위를 부주의하게 혼용하면 거의 한 자릿수 배에 가까운 오차가 발생할 수 있다. 신뢰성 있는 보고서에는 식, 단위, 재료 집단 및 불확실성을 명시해야 한다.

인장강도 추정이 가장 신뢰성이 낮은 변환인 이유

경도 척도 변환과 인장강도 추정은 동일한 작업이 아니다. ASTM E140-12, 금속의 표준 경도 변환표는 특정 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클러로스코프 및 리브 값 사이의 근사 관계를 제시하며, 여기에는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강이 포함된다. ASTM International은 “변환값은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다. 따라서 이 표들은 정해진 경험적 재료 집단을 설명하는 것이며, 모든 경도값을 보편적인 재료 특성으로 바꾸어 주는 것은 아니다.

ISO 18265:2013, 금속 재료—경도값의 변환은 척도 간 경도값 변환 및 인장강도 추정을 위한 원칙을 규정한다. 또한 “변환값은 시험한 정확히 동일한 재료에 대해서만 직접 적용할 수 있다”고 경고하며, 인장강도 추정을 가장 신뢰성이 낮은 변환으로 분류한다. 이러한 순위는 추론의 연쇄에서 비롯된다. HRC를 HV로 변환하는 것만 해도 두 압입 방법 사이에 일정한 관계가 있다는 가정이 필요하다. 어느 한 값을 이용해 ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$를 추정하려면 국부적인 압입 소성 변형과 큰 체적에서의 일축 변형 사이에도 관계가 있다는 가정을 추가로 해야 한다.

1929년에 발표된 NIST 연구는 경험적인 로크웰-브리넬 관계에 대해, 상업적 목적의 경우 강의 인장강도를 브리넬 경도로 종종 추정할 수 있다고 관찰했다. 이는 실용적인 관찰이지 물리적 동일성을 선언한 것이 아니다. 여기서 “종종”이라는 표현은 강의 재료 집단, 상태 및 허용 오차에 따라 달라진다. NIST의 관찰은 관련 강종과 제조 공정에서 얻은 인장 데이터와의 관계 검증이 필요하다는 점을 없애지 않는다.

1967년에 발표된 SAE 기술 보고서 경도시험 및 경도값 변환은 이러한 한계를 더욱 명확히 했다. 정밀한 변환은 특정 강의 조성, 열처리 및 부품에 대해 개발되어야 하는데, 이는 크기, 질량, 조성 및 제조 공정이 관계에 영향을 주기 때문이다. 공칭 강종이 동일하더라도 두꺼운 단조품, 얇은 스트립 및 소형 열처리 핀은 서로 다른 상관관계를 나타낼 수 있다. 형상은 압흔 주변의 구속 조건을 변화시키며, 질량과 단면 크기는 냉각 속도에 영향을 주어 미세조직을 변화시킨다.

판정 기준에 따른 합격 여부를 결정할 때는 경도로부터 도출한 인장강도를 추정값으로 표시하고, 측정 척도, 시험 표준, 측정 위치, 재료 등급, 열처리 상태, 보정에 사용한 재료 집단 및 예상 불확실성을 함께 제시해야 한다. 도면이나 재료 규격에서 인장강도를 요구한다면, 적절한 증거는 해당 표준에 따라 수행한 인장시험이지, 요구값에 가까워 보인다는 이유로 선택한 변환값이 아니다. 경도는 선별, 비교 및 공정 모니터링에 사용할 수 있다. 그러나 경도만으로는 강 부품의 전체 인장 거동을 입증할 수 없다.

형상, 크기, 질량 및 시험 위치

경도값은 특정 압입자 아래에 있는 특정 부피의 재료가 나타내는 반응을 설명한다. 경도값이 재료의 조성만을 설명하는 것은 아니다. 동일한 열처리 강재에서 절단한 두 시험편이라도 한쪽이 얇거나, 지지가 충분하지 않거나, 곡면이거나, 거칠거나, 탈탄되어 있거나, 이전 압흔 가까이에서 측정된 경우 서로 다른 측정값을 낼 수 있다. 따라서 합금과 열처리가 변하지 않았더라도 측정값은 달라질 수 있다.

이는 변환을 시도하기 전에 고려해야 할 중요한 사항이다. 변환표는 유효한 브리넬, 로크웰 또는 비커스 측정값을 다른 척도의 근사값과 연관시킬 수 있지만, 굽힘, 진동, 표면 손상 또는 부적절한 시험 위치로 인해 왜곡된 압흔을 보정할 수는 없다. SAE 기술 보고서 Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967)는 크기, 질량, 조성 및 가공이 결과에 영향을 미치므로, 정확한 관계식은 해당 강재의 조성, 열처리 및 부품에 대해 개별적으로 개발해야 한다고 특히 강조한다.

최소 두께 및 가장자리로부터의 거리

시험편은 압흔 아래의 소성 변형 영역이 반대쪽 표면에 도달하지 않을 만큼 충분히 두꺼워야 한다. 반대쪽 표면에 도달하면 지지 재료가 벌크 시험편과 동일한 방식으로 압흔을 구속하지 못한다. 압입자가 더 깊이 침투하거나 접촉 형상이 변할 수 있으며, 그 결과 충분히 두꺼운 단면에 비해 경도값이 낮아지거나 다른 방향으로 편향될 수 있다. 허용되는 최소 두께는 경도 척도, 압입자, 인가 하중 및 경도 범위에 따라 달라진다. 표면 로크웰 시험에 적합한 얇은 판재가 표준 로크웰 또는 브리넬 시험에도 적합하다고 볼 수는 없다.

작은 부품에서는 이와 관련된 문제가 발생한다. 질량이 작은 부품은 시험 하중 아래에서 움직이거나 기울어지거나 탄성 변형을 일으킬 수 있다. 작은 변위라도 로크웰 시험에서는 침투 깊이를 변화시키며, 브리넬 시험에서는 압흔 직경 측정에 영향을 줄 수 있다. 고정구는 견고해 보이더라도 부품 자체가 휘어질 수 있다. 얇은 플랜지, 좁은 리브 및 중공 단면의 벽은 특히 민감하다.

가장자리로부터의 거리도 중요하다. 가장자리에 지나치게 가까이 압흔을 만들면 소성 유동에 저항할 주변 재료가 줄어든다. 재료가 자유 가장자리 쪽으로 부풀어 오를 수 있으며, 측정된 대각선 길이 또는 압입 깊이가 구속되지 않은 표면에 형성된 압흔의 거동과 달라질 수 있다. 구멍, 슬롯, 키홈 및 급격한 단면 변화에도 같은 문제가 적용된다. 가공 홈 옆에서 얻은 측정값이 인접한 평탄부를 자동으로 대표하는 것은 아니다.

인접한 압흔도 서로 간섭할 수 있다. 이전 압흔으로 인한 소성 변형은 국부적으로 경화되고 변위된 영역을 남긴다. 다음 압흔이 너무 가까우면 그 크기 또는 깊이가 변할 수 있다. 간격 요구사항은 시험 방법과 경도에 따라 다르므로, 편의상 사용하는 경험칙이 아니라 해당 표준이 기준이 되어야 한다. 서로 가까운 위치에서 연속적으로 측정하면 각 시험이 다음 시험에 영향을 주기 때문에 반복성이 있는 것처럼 보이는 잘못된 인상을 줄 수 있다.

지지, 곡률 및 부품 질량

지지 앤빌은 측정 시스템의 일부이다. 단단하고 안정적이며 올바르게 안착된 지지는 움직임을 제한하고 제어된 압흔을 만드는 데 필요한 반력을 제공한다. 순응성이 있는 받침, 끼어 있는 스케일 조각, 버, 페인트 조각 또는 고르지 않은 고정구가 있으면 국부적인 침하가 발생한다. 그러면 압입자는 강재, 지지대 및 그 사이에 있는 모든 재료의 복합적인 반응을 측정하게 된다.

진동도 유사한 영향을 미친다. 프레스, 연삭기 또는 공작기계 옆에서 시험하면 하중 인가나 깊이 측정이 방해될 수 있다. 가벼운 부품에서는 부품 자체의 유연성으로 인해 진동이 증폭될 수 있다. 무거운 블록에서 얻은 측정값과 유연한 고정구 위에 놓인 얇은 부품에서 얻은 측정값은 동일한 로크웰 척도를 사용했다는 이유만으로 동등하지 않다.

곡률은 접촉 형상을 변화시킨다. 볼록한 표면에서는 압입자가 평면에서보다 주변 재료와 접촉하는 정도가 작고, 표면이 하중으로부터 멀어지는 방향으로 휘어질 수 있다. 오목한 표면에서는 접근성과 정렬이 마찬가지로 문제가 될 수 있다. 압흔 크기에 대한 곡률 반경의 비가 중요하다. 넓고 완만한 곡선은 영향이 거의 없을 수 있지만, 곡률 반경이 작은 축이나 관에서는 상당한 편향이 발생할 수 있다. 압입자는 부품 전체의 방향에 단순히 맞추는 것이 아니라 국부 표면에 수직이어야 한다.

원통형 부품에서는 위치에 관한 문제도 제기된다. 축의 꼭대기, 측면 근처 또는 평탄하게 가공한 시험 패드에서 얻은 측정값은 서로 다른 구속 조건을 나타낼 수 있다. 시험을 위해 패드를 가공한 경우, 패드를 제거하면 다른 깊이의 재료가 드러날 수 있으며 더 이상 사용 표면을 대표하지 않을 수 있다. 시험 보고서에는 위치, 방향, 단면 두께 및 지지 조건을 명시하여 이후 측정값을 의미 있게 비교할 수 있도록 해야 한다.

이러한 제한은 변환된 경도 및 강도 추정값에 더욱 큰 의미로 적용된다. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals는 특정 금속, 즉 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함한 재료에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 쇼어스코프 및 리브 척도 간의 근사적인 관계를 제시한다. ASTM은 “변환값은 합금, 결정립 조직 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다. 형상으로 인해 발생한 오차는 해당 표에서 다른 열을 선택한다고 해서 제거되지 않는다.

표면 준비 및 탈탄

표면 상태는 압입자가 대표적인 강재에 도달하기 전에 결과를 변화시킬 수 있다. 산화 스케일, 녹, 도금, 페인트, 가공 흔적 및 표면 거칠기는 안착을 방해하고 브리넬 또는 비커스 압흔의 광학적 측정에도 영향을 준다. 거친 표면에서는 작은 압흔의 가장자리를 식별하기 어려울 수 있으며, 느슨한 산화물 조각은 하중 아래에서 무너질 수 있다. 준비 방법은 측정하려는 야금학적 상태를 변화시키지 않으면서 오염물을 제거해야 한다.

연삭이 항상 무해한 것은 아니다. 과도한 연삭은 열영향층, 국부적인 뜨임, 잔류응력 또는 가공경화된 표면층을 만들 수 있다. 지나치게 큰 압력은 아래쪽 재료보다 단단하거나 부드러운 표면을 형성할 수 있다. 냉각, 가벼운 절삭 및 충분한 재료 제거는 이러한 위험을 줄이는 데 도움이 되지만, 필요한 제거 깊이는 공정과 부품에 따라 달라진다. 연마된 표면은 광학적 측정을 개선할 수 있지만, 준비가 지나치게 공격적이었다면 손상된 재료를 여전히 나타낼 수 있다.

열처리는 의도적이거나 우발적인 경도 구배를 만들 수도 있다. 침탄층은 저탄소 코어보다 단단하며, 얕은 압흔은 침탄층만을 측정할 수 있다. 압흔이 더 크거나 깊어지면 더 부드러운 기지 재료가 결과에 영향을 미치기 시작한다. 이 경우 균질한 강재를 전제로 한 변환은 적합하지 않다. 탈탄은 반대의 영향을 미친다. 탈탄성 분위기에서 가열하면 표면에서 탄소가 제거되어 더 단단한 강재 위에 연한 층이 남을 수 있다. 따라서 표면 경도 시험은 내부가 규격을 충족하더라도 규격을 불합격할 수 있으며, 반대로 시험 하중이 해당 층을 관통하면 적합한 것으로 보일 수도 있다.

국부 측정에는 더욱 세심한 주의가 필요하다. 용접 금속, 용융 경계 및 열영향부는 매우 짧은 거리 안에서도 서로 다른 미세조직과 경도 구배를 포함할 수 있다. 일반적인 브리넬 압흔은 한 구역만을 분리해 측정하기에는 너무 클 수 있지만, 마이크로비커스 또는 누프 시험은 이러한 구배를 분해하여 측정할 수 있다. 다만 더 우수한 표면 준비와 간격 제어가 요구된다. 보고서에는 해당 값이 용접 금속, HAZ, 미영향 모재 또는 용융선으로부터 지정된 거리에 있는 위치 중 어디에서 얻어진 것인지 명시해야 한다.

ISO 18265:2013은 경도 척도의 변환 및 인장강도 추정을 위한 원칙을 정립하지만, 변환값은 정확히 시험한 재료에만 직접 적용되며 인장강도 추정은 신뢰성이 가장 낮은 변환이라고 명시한다. NIST의 경험적 로크웰–브리넬 관계 연구(1929)는 상업적 목적에서 강의 인장강도를 브리넬 경도로부터 추정할 수 있는 경우가 많다는 점을 확인했다. 그러나 이러한 결과가 곡면이고 탈탄된 부품의 표면 측정값을 인장시험으로 바꾸어 주는 것은 아니다. Materials Science and Engineering: A에 발표된 2012년 연구는 일부 고강도 연성 금속에 대해 $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$라는 근사 관계를 제시했지만, 그 비율은 재료 등급, 미세조직 및 압입 형상에 따라 달라진다는 점도 보여 주었다. 먼저 형상과 준비 상태를 제어해야 한다. 그렇지 않으면 변환은 애초에 의도한 재료 부피를 대표하지 않았던 측정값에 겉보기 정밀도만 더하게 된다.

경도 구배, 유효 경화층 깊이, 그리고 용접 또는 가공된 강

경도가 수백 마이크로미터 정도의 짧은 거리에서 변할 때에는 경도 환산의 불확실성이 특히 커진다. 침탄강, 질화강, 고주파 경화강, 레이저 가공강, 용접강 및 적층 제조 강은 하나의 압흔 크기 안에, 또는 일상 검사에 사용되는 측정 간격 안에 여러 미세조직 영역을 포함할 수 있다. 이때 보고된 “환산 인장강도”는 균일하다는 잘못된 인상을 줄 수 있다. 이는 시험한 표면만을 나타내거나, 두 영역의 영향을 동시에 받은 압흔을 나타내거나, 균열·마모·변형을 지배하는 영역을 감춘 평균값일 수 있다.

ASTM E140-12, 금속의 표준 경도 환산표 (2012)는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함하여 지정된 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클레로스코프 및 리브 경도 척도 사이의 근사 관계를 제시한다. 여기서 다음과 같은 경고가 핵심적이다. “환산값은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다.” 경도 구배가 존재하면 또 하나의 변수가 추가된다. 바로 위치이다. ISO 18265:2013은 환산값이 시험한 바로 그 재료에 대해서만 직접 적용될 수 있으며, 인장강도 추정은 환산 유형 중 신뢰도가 가장 낮다고 명시한다. 따라서 국부 경도값은 공정을 확인하는 데에는 유용할 수 있지만, 부품 전체의 인장강도를 방어 가능하게 추정하는 값으로 볼 수는 없다.

표면 경화층 프로파일

침탄은 탄소가 농축된 표면을 형성하며, 이 표면은 일반적으로 담금질 후 고탄소 마르텐사이트로 변태한다. 반면 저탄소 심부는 다른 경화능 거동과 인성을 유지한다. 질화는 화합물층과 확산층을 형성하며, 이들의 경도는 깊이에 따라 감소한다. 그 프로파일은 강의 화학 조성, 질화 포텐셜, 온도, 시간 및 이전 뜨임 처리에 좌우된다. 고주파 경화는 전이 영역 위에 급속히 담금질된 마르텐사이트 경화층을 형성하고, 그 아래에는 더 연한 심부를 남긴다. 레이저 경화 또는 레이저 합금화는 특히 스캔 중첩, 냉각 속도 또는 희석 정도가 변하는 경우, 더욱 좁고 불규칙한 형상의 영역을 만들 수 있다.

표면 경도와 심부 경도는 서로 다른 질문에 답한다. 표면 가까이에서 측정한 값은 침탄 경화층이 지정된 경도에 도달했는지를 확인할 수 있지만, 저탄소 심부의 인장 특성을 대신할 수는 없다. 반대로 심부 측정값만으로는 작동 표면에서의 접촉 피로 또는 응착 마모에 대한 저항성을 거의 알 수 없다. 얇은 경화층에서 얻은 단일 로크웰 C 결과는 특히 모재의 영향을 받기 쉽다. 변형장은 경화층 아래까지 확장되므로, 더 연한 심부가 겉보기 경도값을 낮출 수 있다. 과도한 표면 곡률, 불충분한 지지 또는 거친 화합물층은 추가적인 오차를 일으킬 수 있다.

일반적으로 프로파일은 단면을 준비하고 세심하게 연마한 다음, 표면으로부터 측정한 깊이에 따라 비커스 압흔을 배치하여 작성한다. 시험 하중은 신뢰성 있게 측정할 수 있을 만큼 충분히 큰 압흔을 만들어야 하지만, 동시에 경도 구배를 분해할 수 있을 만큼 작아야 한다. 압흔을 너무 멀리 배치하면 전이 영역을 놓치고, 너무 가깝게 배치하면 서로 겹치는 소성 변형장으로 인해 상호 영향을 받는다. ISO 6507-1 및 ASTM E384는 비커스 및 누프 시험에 대한 요구사항을 규정하며, 압흔 간격, 가장자리와 관련된 제한사항 및 측정 요건을 포함한다. 적용한 표준과 시험 하중은 단순히 “미세경도”라고 보고하는 대신 기록해야 한다.

경화층 깊이는 단순히 가장 높은 경도가 나타나는 지점까지의 깊이가 아니다. 유효 경화층 깊이는 일반적으로 경도가 지정된 한계값까지 감소하는 깊이로 정의되지만, 그 한계값은 제품 사양, 강종 및 시험 방법에 따라 달라진다. 유효 깊이에 관한 유효한 보고서에는 표면 준비, 시험 하중, 압자 종류, 깊이의 기준점, 압흔 간격, 경도 척도 및 사용한 유효 깊이 판정 기준이 명시되어야 한다. 매끄러워 보이는 곡선이라고 해서 불확실성이 사라지는 것은 아니다. 산포는 탄화물 분포, 잔류 오스테나이트, 국부 탈탄 또는 측정 분해능을 반영할 수 있다.

용착 금속과 열영향부

용접 단면은 하나의 재료가 아니라 여러 영역의 연속으로 이루어진다. 용융 용접 금속은 모재와 조성 및 응고 조직이 다를 수 있다. 그 바로 옆의 열영향부(HAZ)는 조립역, 세립역, 임계역 및 아임계역을 포함할 수 있다. 탄소강 및 저합금강에서는 빠르게 냉각된 조립 열영향부에 경질 마르텐사이트 또는 베이나이트가 형성될 수 있는 반면, 뜨임된 영역이나 임계 영역은 더 연하고 국부 연화가 발생하기 쉽다. 용접 캡, 루트, 용융 경계 및 영향을 받지 않은 모재는 각각 서로 다른 측정값을 나타낼 수 있다.

압흔의 위치가 중요하다. 용융 경계의 중앙에 배치된 압흔은 용접 금속과 열영향부에서 비롯된 혼합 변형장의 영향을 받을 수 있으므로, 그 경도값을 어느 한 영역에 자신 있게 귀속하기 어렵다. 첫 번째 압흔은 적용되는 시험 표준을 충족할 수 있도록 용융선과 시험편 가장자리에서 충분히 떨어져 있어야 한다. 동시에 압흔 열은 가장 좁은 영역을 분해할 수 있을 만큼 가까워야 한다. 실무적으로는 문서화된 격자 또는 측정 경로를 사용하며, 균일한 모재보다 용융 경계와 경도 전이부에서 더 촘촘한 간격을 적용한다. 정확한 간격은 선택한 방법과 합격 기준에 따라 정해야 하며, 단순한 편의만을 기준으로 정해서는 안 된다.

용접 경도는 공정 관리, 수소 균열 위험 평가 또는 인증된 용접 절차의 확인을 위해 측정되는 경우가 많다. 그러나 그러한 목적이 인장시험을 대신하게 하지는 않는다. 국부적으로 높은 열영향부 경도는 마르텐사이트 조직과 증가된 균열 민감성을 나타낼 수 있으며, 낮은 경도값은 과도한 뜨임 또는 강도 손실을 의미할 수 있다. 어느 결과도 용접 이음부 전체의 인장강도를 확립하지는 않는다. 이음부 강도는 용접부 형상, 결함, 잔류응력, 구속, 인성 및 국부적으로 가장 취약한 영역에도 좌우된다.

잘못된 평균화를 피하는 국부 경도 매핑

경도 매핑은 모든 측정값을 하나의 평균으로 축약하지 말고 위치 정보를 보존해야 한다. 기준 표면 또는 용접 중심선으로부터의 좌표를 기록하고, 미세조직 영역을 식별하며, 개별 측정값 또는 도시된 깊이 프로파일을 제시해야 한다. 평균값은 좁은 범위에 존재하는 최대값 또는 최소값을 감출 수 있다. 연한 모재에서 얻은 열 개의 측정값이 취성 열영향부에서 얻은 중요한 두 개의 측정값을 압도할 수 있기 때문이다. 평균값이 필요한 경우에는 평균과 함께 범위, 표준편차, 측정값의 개수 및 제외 규칙을 보고해야 한다.

동일한 원칙은 레이저 가공 트랙과 적층 제조 강에도 적용된다. 용융 풀 경계, 층간 계면, 스캔 방향 회전, 융합 불량 결함, 기공 및 재가열 밴드는 방향에 따른 경도 차이를 만들 수 있다. 표면 격자는 표면 아래의 밴드를 놓칠 수 있고, 단면은 스캔 경로를 따라 나타나는 변동을 놓칠 수 있다. 따라서 이방성이 예상되는 경우 측정은 둘 이상의 방향에서 공정 형상을 따라 수행해야 한다.

직접 측정한 경도는 여전히 기본 결과값이다. 환산한 브리넬, 로크웰 또는 비커스 값은 환산값임을 표시하고, 지정된 표, 재료 상태 및 시험 위치와 연계하여 보고해야 한다. 1929년 NIST 연구는 상업적 목적에서 강의 인장강도를 브리넬 경도로부터 추정할 수 있는 경우가 많다는 것을 확인했으며, 2023년 연구는 원재 또는 노멀라이징 상태의 비합금 구조용 강에서 일반적으로 선형적인 브리넬 관계를 확인했다. 그러나 이러한 결과는 경화층, 열영향부 또는 적층 가공 표면의 경도를 부품 전체의 인장강도로 환산하는 것을 정당화하지 않는다. 2012년 Materials Science and Engineering: A 연구에서 보고된 근사 관계 Hᵥ ≈ 3σUTS 역시 일부 고강도 연성 금속 재료에 적용되는 것이지, 모든 강 또는 모든 미세조직에 적용되는 것은 아니다. 설계, 합격 판정 또는 파손 평가가 인장 특성에 좌우되는 경우에는 대표 재료에 대해 인장시험을 수행해야 한다.

특정 강종에 적합한 환산 방법 선택

경도 환산은 규격에서 요구하는 수치가 아니라 측정된 결과에서 시작해야 합니다. 220 HBW, 32 HRC, 410 HV 또는 72 HRA와 같이 원래의 경도 척도를 정확히 기록하고, 시험 방법, 압입자, 시험 하중, 표면 준비 상태 및 측정 위치도 함께 기록해야 합니다. 척도가 명시되지 않은 “경도”는 불완전한 정보입니다. 환산값은 두 번째 측정값이 아니라 경험적 관계식으로 산출한 추정값입니다.

강종, 제품 형태 및 상태 확인

먼저 이용 가능한 기록이 허용하는 범위에서 강재를 최대한 정확하게 식별해야 합니다. AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 또는 ASTM A681 W1과 같은 지정은 재료군을 설명하지만, 그 자체로 경도 관계를 확정하지는 않습니다. 규격에서 허용하는 화학 조성 범위 내에서도 압입에 대한 반응이 달라질 수 있으며, 동일한 공칭 강종의 두 제품이라도 탄소 분포, 결정립 크기, 개재물 또는 잔류상이 서로 다를 수 있습니다.

제품 형태도 기록해야 합니다. 판재, 박판, 봉재, 선재, 관재, 단조품, 주조품, 용접 조립체 또는 기계가공 부품인지 명시합니다. 압입이 충분한 양의 재료로 지지되어야 하므로 두께와 국부 단면 크기가 중요합니다. 두꺼운 4140 강 단조품에서 실시한 브리넬 압입은 두께 1 mm 박판 표면 근처에서 실시한 비커스 압흔보다 더 큰 체적을 표본으로 합니다. 두 결과가 모두 경도 수치로 보고되더라도 동일한 미세조직 영역을 나타내지 않을 수 있습니다.

재료의 상태도 마찬가지로 중요합니다. 풀림, 불림, 담금질 및 뜨임, 석출 처리, 냉간 가공, 침탄, 질화, 유도 경화 또는 기타 표면 처리 상태인지 명시해야 합니다. 예를 들어 불림 처리된 AISI 1045와 담금질 및 뜨임 처리된 AISI 1045는 서로 다른 페라이트–펄라이트 조직 또는 마르텐사이트 조직을 가질 수 있으므로, 경도와 인장강도 사이의 관계도 달라질 수 있습니다. 침탄된 AISI 8620 부품은 표면 경도가 높게 나타나는 반면 심부는 훨씬 더 연할 수 있습니다. 균질한 강재를 전제로 한 환산은 이러한 경도 구배를 적절히 설명하지 못합니다.

시험이 연삭면, 연마면, 탈탄면, 산화면, 도금면 또는 쇼트 피닝면에서 수행되었는지도 기록해야 합니다. 표면층은 얕은 비커스, 누프 또는 로크웰 표면 경도 측정 결과에 지배적인 영향을 줄 수 있습니다. 반대로 큰 브리넬 압흔은 표면층과 그 아래의 심부를 평균화할 수 있습니다. 측정 위치가 용접부, 열영향부, 모서리, 구멍 또는 굽힘부 인근이라면 그 위치도 결과에 포함해야 합니다.

ASTM E140-12, 금속의 표준 경도 환산표는 “환산은 합금, 결정립 조직 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시합니다(ASTM International, 2012). 이러한 경고는 단순한 일반적 단서가 아니라 선택 기준입니다. 균질한 탄소강, 합금강 또는 공구강에 대한 표의 항목을 침탄 경화층, 이중상 미세조직 또는 용접부에 자동으로 적용해서는 안 됩니다.

원래 척도와 대상 척도 일치시키기

다음으로 대상 값이 무엇을 의미하도록 의도되었는지 결정해야 합니다. 32 HRC를 약 300 HBW로 환산하는 것은 척도 간 비교입니다. 32 HRC를 추정 인장강도로 환산하는 것은 전혀 다른 작업이며 신뢰도도 더 낮습니다. 전자는 환산 경도로 보고해야 하고, 후자는 근거와 한계를 명시한 추정 인장강도로 보고해야 합니다.

환산표를 선택하기 전에 형상과 재료 상태를 바탕으로 시험 척도를 선택해야 합니다. ASTM E10 또는 ISO 6506-1에서 규정하는 브리넬 시험은 충분히 두껍고 비교적 균질한 강재에 적합한 경우가 많습니다. 큰 압흔을 형성하여 국부적인 편차를 평균화하기 때문입니다. 그러나 좁은 단면, 얇은 벽, 작은 곡률 반경 또는 모서리에 가까운 표면에는 적합하지 않습니다. ASTM E18 또는 ISO 6508-1에서 다루는 로크웰 척도는 신속한 결과를 제공하지만, 선택한 척도가 재료의 경도와 두께에 적합해야 합니다. 로크웰 C는 모든 강 시험을 대체하는 일반적인 척도가 아닙니다. 더 연한 강에는 로크웰 B가 필요할 수 있으며, 얇은 단면이나 얕은 경화층에는 로크웰 표면 경도 척도가 필요할 수 있습니다.

ASTM E384 또는 ISO 6507-1에 따른 비커스 시험은 사용 가능한 면적이 작거나 케이스 깊이 또는 용접부를 관통하여 경도를 측정해야 할 때 유용합니다. 누프 시험은 매우 얇은 층이나 좁은 영역에서 더 적합할 수 있는데, 길쭉한 압흔을 이용해 국부적인 측정이 가능하기 때문입니다. 휴대형 리프 시험은 고정식 시험기로 운반할 수 없는 대형 부품에 유용할 수 있지만, 표면 상태, 부품 질량, 곡률, 지지 상태, 충격 방향 및 교정 상태가 결과에 영향을 줍니다. 따라서 리프에서 로크웰로의 환산은 허용된 리프 장비와 재료군에 연계해야 하며, 직접 로크웰 시험과 상호 교환 가능한 것으로 취급해서는 안 됩니다.

압입 역학도 비교를 제한합니다. 서로 다른 척도는 서로 다른 형상의 압입자와 하중을 사용하므로 각기 다른 소성 영역을 형성합니다. 환산은 시험한 강재가 해당 관계식을 설정하는 데 사용된 재료와 유사하게 거동하는 범위에서만 유효합니다. 한 척도의 상한에 가까운 높은 경도값은 두 측정값이 모두 명목상 유효 범위 안에 있더라도 다른 척도로 신뢰성 있게 환산되지 않을 수 있습니다.

경도와 인장강도의 관계는 특히 조건에 크게 좌우됩니다. 2012년에 Materials Science and Engineering: A에 발표된 연구는 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$라는 근사 관계를 제시했지만, 경도와 강도의 비가 재료군, 미세조직 및 압입 형상에 따라 달라진다는 점도 보고했습니다. 이 식은 모든 강재에 적용되는 보편적인 관계식이 아닙니다. 마찬가지로 2023년에 과거 및 현대의 비합금 구조용 강을 조사한 연구에서는 원재 또는 불림 상태의 강재에서 브리넬 경도와 인장강도 관련 매개변수 사이에 일반적으로 선형 관계가 있음을 확인했습니다. 그러나 이러한 결과가 담금질 및 뜨임 처리된 4340, 질화된 4140 또는 마르텐사이트 공구강에도 동일한 관계가 성립한다는 의미는 아닙니다.

표준의 적용 범위와 범위 확인

재료를 식별하고 척도를 선택한 후에는 해당 표준의 적용 범위와 주석을 읽어야 합니다. ASTM E140-12는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함하여 지정된 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 로크웰 표면 경도, 누프, 쇼어 경도계 및 리프 값 사이의 근사 관계를 제시합니다. 표에는 관련 재료 범주와 측정된 경도 범위가 모두 포함되어 있어야 합니다. 수치 추세가 매끄러워 보인다는 이유만으로 표의 양 끝점을 넘어 외삽해서는 안 됩니다.

ISO 18265:2013은 척도 간 경도값 환산 및 인장강도 추정을 위한 원칙을 규정합니다. 이 표준은 환산값이 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용 가능하다고 명시하며, 인장강도 추정값을 신뢰도가 가장 낮은 환산으로 규정합니다. 따라서 ISO 표를 인용할 때에는 강종, 상태 및 제품 이력이 필수적인 근거가 됩니다.

공개된 환산표는 강재의 화학 조성과 야금학적 특성이 해당 표의 기반이 된 재료 집단과 유사하고, 시험값이 명시된 범위 안쪽에 충분히 들어 있으며, 시험편 형상이 원래 시험 방법의 요건을 충족하고, 그 결과를 인장 특성 증명서로 사용하지 않을 때 가장 타당합니다. 표에 따른 환산은 공정 모니터링이나 예비 비교에는 충분할 수 있습니다. 그러나 항복강도, 인장강도 또는 파괴 성능에 따라 계약, 안전성 평가 또는 설계 계산이 좌우되는 경우에는 그 자체만으로 충분하지 않습니다.

중요한 의사결정에는 실험실 상관관계 검증을 수행해야 합니다. 동일한 용강, 제품 형태, 두께 및 열처리 배치에서 채취한 대표 시편 또는 인접 시편을 사용하여 원래의 경도 시험 방법과 원하는 대상 방법 또는 인장시험을 실시합니다. 짝을 이룬 측정값은 실제 사용 범위를 포괄해야 하며, 반복 측정값을 포함하고, 단일 적합선이 아니라 예측 한계를 사용하여 분석해야 합니다. SAE 기술 보고서 Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967)는 핵심 사항을 직접적으로 제시합니다. 즉, 정밀한 환산은 특정 강재의 화학 조성, 열처리 및 부품에 맞추어 개발해야 하며, 크기, 질량, 조성 및 가공 과정이 그 관계에 영향을 미칩니다. 1929년 NIST 연구는 상업적 목적에서 강의 인장강도를 브리넬 경도로 흔히 추정할 수 있음을 확인했지만, 이 결과가 보편 법칙을 뒷받침하는 것은 아니며 실용적 추정을 뒷받침할 뿐입니다.

먼저 원래 측정값을 보고한 다음, 사용한 환산표 또는 모델, 재료 상태 및 불확실성이나 적용상의 제한을 명시한 환산값을 보고해야 합니다. 예를 들면 다음과 같습니다. “측정값 32 HRC; 합금강에 대한 ASTM E140-12를 사용하여 약 302 HBW로 환산했으며, 표의 적용 범위와 재료상의 제한이 적용됨.” 인장강도를 추론한 경우에는 이를 명확히 추정값으로 표시해야 합니다. 해당 특성이 합격 판정이나 설계를 좌우하는 경우에는 인장시험 자체를 실시해야 합니다.

검증, 불확실성 및 합격 판정

경도 환산은 그 근거가 평가 대상 재료와 유사할 때에만 타당성을 가질 수 있다. 관련된 비교는 고립된 경도 수치와 표의 수치 사이의 비교가 아니다. 동일한 강종, 열처리, 단면 크기 및 제조 이력을 공유하는 재료에서 측정한 경도와 인장 거리를 비교해야 한다. 정규화된 판재를 대상으로 개발된 환산식을, 공칭 화학 강종이 동일하다는 이유만으로 담금질 및 뜨임 처리된 봉강, 냉간가공 판재, 침탄 부품 또는 용접 영향 재료에 자동으로 적용해서는 안 된다.

쌍 시험 및 회귀분석

검증은 대표성을 갖는 재료에서 채취한 쌍 시편 또는 쌍 위치로 시작한다. Brinell, Rockwell 또는 Vickers와 같은 지정된 방법으로 경도를 측정하고, 동일한 용강, 제품 형태, 방향, 두께 범위 및 가공 경로에서 채취한 재료에 대해 적용되는 인장시험 표준에 따라 인장시험을 수행한다. 시험 계획은 사용 중 중요한 상태를 유지해야 한다. 담금질 및 뜨임 상태의 42CrMo4 봉강은 관련 없는 풀림 상태의 42CrMo4로 적절히 대표할 수 없으며, ASTM A36 판재도 두 재료가 모두 탄소강이라는 이유만으로 더 높은 강도의 정규화 구조용 강종과 함께 분류해서는 안 된다.

어떤 관계를 적합시키기 전에 경도 시험 절차를 관리해야 한다. 경도 눈금, 압입자, 시험 하중, 유지 시간, 표면 준비, 시험 간격, 가장자리 또는 곡률로부터의 거리를 기록한다. ASTM E140-12, 금속의 표준 경도 환산표는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함하여 지정된 금속의 Brinell, Vickers, Rockwell, superficial Rockwell, Knoop, Scleroscope 및 Leeb 경도값 사이의 근사 관계를 다룬다. ASTM은 “환산값은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다. 이 문구는 표에 대한 사소한 단서가 아니라 표의 한계를 의미한다.

예측 구간예측 구간 개별 미래 결과에 대해 예상되는 범위를 나타내는 구간으로, 모델 불확실성과 재료 간 산포를 모두 포함한다.

그 다음 측정값 사이의 관계를 회귀분석으로 나타낼 수 있다. 데이터에 따라 제한된 범위에서는 선형 모델이 적합할 수 있다.

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

여기서 $R_m$은 측정된 인장강도이고 $H$는 명시된 눈금으로 측정한 경도이다. 비선형 모델, 강종별 모델 또는 서로 다른 열처리에 대한 별도 모델이 필요할 수도 있다. 모델은 환산표에서 옮겨 적은 경도값이 아니라 쌍을 이루는 관측값에 적합해야 한다. 용강 수, 용강당 시편 수, 경도 범위, 인장 범위, 계수 추정값, 잔차 표준편차, 적합된 평균 및 개별 예측에 대한 신뢰구간을 보고해야 한다.

이러한 구간의 차이는 중요하다. 예측된 평균 인장강도 주위의 신뢰구간은 추정된 평균 관계의 불확실성을 나타낸다. 개별 예측구간에는 시편 간 산포도 포함되므로 더 넓다. 합격 판정은 추상적인 평균이 아니라 개별 재료에 관한 것이다. 따라서 회귀선이 좁더라도 예측구간이 규격 한계를 뒷받침하기에는 지나치게 넓을 수 있다.

편향은 산포와 별도로 점검해야 한다. 환산 인장강도가 직접 인장시험 결과보다 일관되게 높다면, 해당 환산에는 양의 편향이 있으며 강도가 부족한 재료를 잘못 합격시킬 수 있다. 경도, 용강, 단면 두께, 방향 및 열처리 배치에 따라 잔차를 비교한다. 잔차 도표를 사용하면 곡률, 분산의 변화 또는 특정 로트와 관련된 군집을 확인할 수 있다. 단일한 전체 상관계수만으로는 이러한 효과를 드러낼 수 없다.

이상치는 자동으로 삭제하지 말고 조사해야 한다. 극단적인 결과는 잘못된 위치에 압입한 경우, 부적절한 표면 준비, 인장 시편의 결함, 전사 오류 또는 실제 편석 및 미세조직 변동에서 비롯될 수 있다. 이상치를 제외하려면 문서화된 기술적 사유가 있어야 하며, 가능한 경우 반복시험도 수행해야 한다. 그렇지 않으면 해당 이상치는 합격 절차가 견뎌야 하는 관계의 일부이다.

과거의 연구 결과는 제한적 모델이 작동할 수 있는 이유를 설명한다. Materials Today: Proceedings에 게재된 2023년 연구는 원재 또는 정규화 상태의 과거 및 현대 비합금 구조용 강재에서 Brinell 경도와 인장강도 매개변수 사이에 전반적으로 선형인 경험적 관계를 확인했다. 그러나 이 결과가 합금강, 담금질 및 뜨임강, 석출경화강, 침탄강 또는 심하게 냉간가공된 강재에 동일한 직선이 적용된다는 것을 의미하지는 않는다. 마찬가지로 1929년 NIST 연구는 상업적 목적에서 강의 인장강도를 Brinell 경도로 흔히 추정할 수 있다고 보고했지만, 선별검사에 유용한 추정치가 보편적인 재료 법칙인 것은 아니다.

반복성, 재현성 및 불확실성

반복성은 동일한 작업자가 동일한 장비와 방법을 사용하여, 엄격하게 관리된 조건에서 충분히 유사한 위치를 시험할 때 나타나는 변동을 의미한다. 재현성은 더 광범위한 개념으로, 작업자, 장비, 시험실, 시험일 또는 시험 설정의 변화를 포함한다. 이러한 구성요소를 경도와 강도 사이의 관계에서 발생하는 산포와 혼동해서는 안 된다.

예를 들어 Vickers 압입을 다섯 번 반복했을 때 변동이 거의 없다면 반복성이 양호하다는 뜻일 수 있다. 그러나 페라이트-펄라이트 간격, 마르텐사이트 뜨임, 밴딩, 개재물 또는 국부 편석 때문에 명목상 유사한 시편의 직접 인장시험 결과는 상당히 다를 수 있다. 반대로 재료 자체가 안정적이더라도 표면이 거칠거나, 부품이 지나치게 얇거나, 압입 위치가 가장자리에 너무 가깝거나, 압입자 또는 하중 검증에 결함이 있으면 반복성이 나쁠 수 있다. 첫 번째 문제는 주로 환산 모델에 속하고, 두 번째 문제는 주로 측정 시스템에 속한다.

불확실성 예산에는 교정, 장비 분해능, 작업자 및 시험실 효과, 표면 및 형상 효과, 시료 채취, 그리고 경험적 관계의 잔차 변동을 포함해야 한다. 따라서 환산 결과는 단순히 “측정 경도 ± 장비 불확실성”이 아니다. 환산 자체에서 발생하는 불확실성도 포함된다. ISO 18265:2013은 눈금 간 경도값 환산 및 인장강도 추정을 위한 원칙을 규정하면서, “환산값은 시험한 정확히 그 재료에만 직접 적용할 수 있다”고 경고한다. 또한 인장강도 추정치를 신뢰성이 가장 낮은 환산으로 규정한다.

시료 채취가 결과를 지배하는 경우가 많다. 하나의 경도 압입은 작은 체적을 표본으로 삼는 반면, 인장 시편은 훨씬 더 크고 방향도 다른 체적을 표본으로 삼는다. 한 곳의 편리한 표면에서 여러 번 측정한 결과가 전체 단조품, 판재, 용접구조물 또는 코일을 대표하는 것은 아니다. 시료 채취는 생산 공정에서 발생할 수 있는 용강, 위치, 두께 및 방향을 포괄해야 한다. 관계가 중심선 재료에 대해서만 검증되었다면, 이를 표면경화부 또는 탈탄 영역에 묵시적으로 적용해서는 안 된다.

단순한 공식에도 같은 주의가 적용된다. Materials Science and Engineering: A에 게재된 2012년 연구는 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 근사 관계 $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$를 제시했다. 그러나 경도 대 강도 비는 재료 분류, 미세조직 및 압입 형태에 따라 달라진다. 이 식을 일반적인 강재 공식으로 취급하면, 타당한 불확실성 설명이 없는 정밀해 보이는 결과가 나올 수 있다.

환산이 합격 판정에 부적합한 경우

규격에서 인장강도를 요구하는데 해당 제품 및 상태에 대해 환산이 검증되지 않았다면 환산은 부적합하다. 합격 여부가 항복강도, 인장강도, 연신율, 단면수축률 또는 이와 관련된 인장 특성에 의존하는 경우에는, 적용되는 재료 표준에 따라 수행한 직접 인장시험이 항상 기준이 되어야 한다. 환산값은 공정 모니터링, 선별 또는 조사에 활용할 수 있지만, 경도 측정이 더 빠르다는 이유만으로 합격시험을 대체해서는 안 된다.

규격 경계 부근에서는 특히 주의해야 한다. 어떤 재료 표준이 최소 인장강도 $R_m$을 요구하고 경도표가 겉보기에는 정확한 등가값을 제시한다고 가정하자. 표는 그 최소값을 정확한 경도 한계로 변환해 주는 것이 아니다. 반올림, 모델 편향, 예측 불확실성 및 시료 채취 변동으로 인해 재료가 경계의 어느 한쪽으로 이동할 수 있다. 따라서 환산 임계값보다 근소하게 높은 경도값이라도 직접 인장 요구사항을 충족하지 못할 유의미한 가능성이 있을 수 있으며, 그보다 근소하게 낮은 값이라고 해서 불합격을 입증하는 것은 아니다.

적용되는 표준은 환산 자체가 허용되는지 여부도 결정한다. ISO 18265:2013 및 ASTM E140-12는 원칙 또는 표로 제시된 근사 관계를 제공할 뿐, 한 시험을 다른 시험으로 대체할 수 있도록 포괄적으로 승인하는 것은 아니다. SAE의 1967년 기술 보고서 경도시험 및 경도수 환산 역시 정확한 환산은 해당 강재의 조성, 열처리 및 부품에 대해 개발해야 한다고 강조한다. 이는 크기, 질량, 조성 및 가공이 그 관계에 영향을 미치기 때문이다.

합격 절차에는 보고된 수치가 측정 경도인지, 환산 경도인지 또는 추정 인장강도인지 명시해야 한다. 이러한 명칭을 하나로 합쳐서는 안 된다. 선별용 환산에서 불합격 가능성이 나타나면 지정된 직접시험 또는 승인된 조사를 수행해야 한다. 인장시험 결과를 이용할 수 없다면, 환산값을 보장된 인장 특성인 것처럼 제시하지 말고 그 출처, 적용 재료 범위, 불확실성 및 한계를 함께 보고해야 한다.

경도 환산표에서 흔히 발생하는 오류

경도 환산표는 측정값, 재료, 상태 및 시험 방법이 해당 표의 적용 근거 범위에 들어갈 때에만 유용하다. 환산 결과는 두 번째 측정값이 아니다. 이는 경험적 관계에서 도출된 추정값이며, 일반적으로 해당 관계를 설정할 때 사용한 재료 또는 시험 조건과 실제 조건이 다를수록 산포가 커진다.

ASTM E140-12, 금속용 표준 경도 환산표는 지정된 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클러로스코프 및 리브 경도 척도 사이의 근사 관계를 제시한다. 적용 범위에는 균질 탄소강, 합금강 및 공구강이 포함되지만, 이 표가 해당 강종들 사이의 차이를 없애 주는 것은 아니다. ASTM은 “환산은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시한다(ASTM International, 2012). ISO 18265:2013도 동일한 실무적 요점을 제시한다. 즉, 환산값은 시험한 정확한 재료에 대해서만 직접 적용되며, 인장강도 추정은 환산 유형 중 신뢰성이 가장 낮다(ISO, 2013).

동등한 수치를 서로 바꿔 사용할 수 있다고 보는 것

40 HRC ≈ 375 HBW와 같은 표의 항목은 40 HRC 측정값과 375 HBW 측정값이 서로 바꿔 사용할 수 있는 동일한 사실이라는 뜻이 아니다. 전자는 다이아몬드 원뿔 압자를 사용하고, 지정된 예비 하중과 지정된 주 하중을 가하여 얻은 로크웰 C 측정 결과이다. 후자는 초경합금 볼, 정해진 시험력 및 압흔 직경과 관련된 브리넬 값이다. 두 값은 중복된 관측값이 아니라 서로 관련된 추정값이다.

이러한 구분은 검사 기록에서 중요하다. 도면에 35–40 HRC가 요구된 경우, 브리넬 결과를 해당 범위로 환산한 값은 예비 선별을 뒷받침할 수 있지만, 로크웰 C 시험을 요구하는 사양을 반드시 충족하는 것은 아니다. 환산 과정에서는 압흔 깊이, 국부 미세조직, 표면 상태 또는 시험 산포로 인해 발생한 차이가 가려질 수 있다. 지정된 합격 판정 방법이 로크웰 C인 경우에는 직접 측정한 HRC 값이 적절한 증거이다.

반대 방향의 오류도 흔하다. 사용자가 표의 범위를 벗어나 HRC를 HBW로 환산한 뒤, 외삽한 수치를 마치 표에 수록된 값인 것처럼 보고하는 경우이다. 예를 들어 20~50 HRC 사이에서 보정된 관계를 62 HRC의 공구강 표면까지 무심코 확장해서는 안 된다. 높은 경도에서는 압입 역학과 탄화물 분포가 변하여 그 관계가 급격히 달라질 수 있다. 표의 양 끝점은 재료에서의 절대적인 경계가 아니라, 공개된 데이터 또는 권장 상관관계의 한계이다. 끝점을 약간 벗어난 값이 자동으로 무효가 되는 것은 아니지만, 해당 표로는 뒷받침되지 않으므로 실제 경도 범위에 적합한 방법이 필요하다.

원래의 측정값은 반드시 기록에 남아 있어야 한다. “420 HBW를 44 HRC로 환산”이라고 기록하는 편이 단순히 “44 HRC”라고 보고하는 것보다 실질적으로 훨씬 낫다. 이는 로크웰 시험이 수행되지 않았음을 독자에게 알려 주기 때문이다. 적절한 기록에는 측정 척도, 환산 척도, 시험 표준, 측정 위치 및 재료 또는 열처리 상태가 포함된다.

척도, 단위 및 압자 조건의 혼동

경도 표기는 시험 정보를 포함한다. HRC, HRB 및 표면 로크웰 척도는 하나의 로크웰 수치를 서로 바꿔 표현한 것이 아니다. HRC는 다이아몬드 압자와 150 kgf의 주 하중을 사용하며, HRB는 일반적으로 볼 압자와 100 kgf의 주 하중을 사용한다. 표면 로크웰 척도는 더 낮은 시험력을 사용하고 30N 또는 30T와 같은 고유한 표기를 갖는다. 접미사를 생략하면 추적 가능한 결과가 모호한 결과로 바뀔 수 있다.

브리넬 표기에도 동일한 주의가 적용된다. HBW는 텅스텐 카바이드 볼을 의미하는 반면, 과거 기록에는 동일한 압자 정보를 제공하지 않는 HB 또는 HBS 표기가 사용되었을 수 있다. 브리넬 결과는 볼 직경, 시험력, 유지 시간 및 시험력과 압흔 직경의 비에도 좌우된다. “HB”라고 기록된 두 값이 동등한 조건에서 산출되었다고 볼 수는 없다.

시험력을 표기에 함께 표시하는 경우가 많은 비커스 경도 HV도 자주 오류가 발생하는 항목이다. HV는 경도 수치이지 인장강도 수치가 아니다. “650 HV 강의 인장강도는 650 MPa이다”라는 식의 주장은 서로 관련 없는 양을 혼동한 것이며, 큰 폭으로 틀릴 수 있다. 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해서는 $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$라는 근사 관계가 연구에서 제시되었지만, 동일한 연구는 경도와 강도의 비가 재료 등급, 미세조직 및 압흔 형태에 따라 달라진다고 보고한다(Materials Science and Engineering: A, 2012). 따라서 이 식은 제한된 범위에서 적용되는 경험적 근사식일 뿐, 환산 법칙이 아니다.

단위도 또 다른 함정이다. 브리넬 경도는 그 수치적 정의에 힘과 면적이 포함되어 있더라도 응력값이 아니다. 인장강도는 MPa 또는 ksi로 표시될 수 있지만, 경도 척도는 척도별 의미를 갖는 무차원 시험 수치이다. HBW로부터 인장강도를 추정하는 표는 추정값임을 명시하고, 출처와 적용 재료 범위를 함께 밝혀야 한다.

형상 때문에 적절한 척도도 무효가 될 수 있다. 얇은 판재는 압흔이 지나치게 깊거나 지지가 불충분하면 실제보다 높거나 낮은 결과를 나타낼 수 있다. 소형 부품, 곡면, 좁은 모서리 또는 국부적으로 경화된 층은 의도한 압흔을 형성하기에 충분한 재료를 제공하지 못할 수 있다. SAE 보고서 경도 시험 및 경도 수 환산 (1967)은 크기, 질량, 조성 및 가공 상태가 관계에 영향을 미치므로, 정밀한 환산은 해당 강의 조성, 열처리 및 부품에 맞추어 개발해야 한다고 명시한다.

강종 또는 열처리 상태를 넘어 외삽하는 것

가장 위험한 오류는 산술 계산이 아니다. “강”이라고 표시되어 있다는 이유만으로 한 강종에 대해 설정된 관계를 다른 강종에 적용하는, 검토되지 않은 재료 대체가 문제이다.

탄소강에 대한 상관관계는 정상화 상태의 일반 탄소강에는 합리적으로 적용될 수 있지만, 고합금 공구강, 석출경화 스테인리스강 또는 침탄 저탄소강에는 적용되지 않을 수 있다. AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 및 AISI 17-4 PH는 하나의 경도-강도 관계를 공유하지 않는다. 이들의 합금 원소 함량, 탄화물 또는 석출물 분포, 잔류 오스테나이트, 결정립 크기 및 변형 거동은 압입 거동과 인장 거동 모두를 변화시킨다.

열처리는 동일한 강종 안에서도 결정적인 요인이 될 수 있다. 담금질 및 뜨임 처리한 AISI 4140, 풀림 처리한 AISI 4140 및 유도 경화한 AISI 4140은 한 위치에서 동일한 명목상 벌크 경도를 나타낼 수 있지만, 강도 분포, 잔류응력 및 파괴 거동은 서로 다를 수 있다. 표면 경화는 특히 간과하기 쉽다. 침탄, 질화, 유도 경화 및 레이저 경화는 더 연한 심부 위에 경화층을 만들 수 있다. 얕은 로크웰 또는 비커스 압흔은 경화층을 측정할 수 있지만, 더 큰 브리넬 압흔은 심부를 포함할 수 있다. 깊이와 위치를 기록하지 않은 채 어느 한 결과를 환산하면 잘못된 비교가 발생한다.

과거 및 현대의 비합금 구조용 강에 관한 연구에서는 원재 또는 정상화 상태의 강에 대해 브리넬 경도와 인장강도 관련 변수 사이에 일반적으로 선형인 경험적 관계가 있음을 확인했다(Materials Today: Proceedings, 2023). 이 결과는 정의된 강 재료군 내에서 통제된 방식으로 사용하는 것을 뒷받침하지만, 그 직선을 경화 공구강이나 스테인리스강에 그대로 적용하는 것을 정당화하지는 않는다. 1929년 NIST 연구 역시 상업적 목적에서는 강의 인장강도를 브리넬 경도로 추정할 수 있는 경우가 많다고 보고했지만, 그 관계를 보편적인 것이 아니라 경험적인 것으로 다루었다(NIST, 1929).

인장 특성이 설계, 용접 인증, 파괴 평가 또는 합격 판정에 영향을 미치는 경우에는 직접 인장 시험이나 검증된 강종 및 상태별 상관관계가 필요하다. 표는 판단에 참고가 되어야 하며, 실제 의사결정이 의존하는 시험을 대신해서는 안 된다.

경도 및 환산된 물성의 올바른 보고

경도 데이터는 환산값을 제시하기 전에 실제로 무엇을 측정했는지를 보여 주어야 합니다. 스케일, 방법 및 시험 조건이 없는 경도 수치는 불완전합니다. “경도 42”는 42 HRC, 42 HRB, 42 HV 또는 42 HBW를 의미할 수 있으며, 이 값들은 동일한 재료 반응을 나타내지 않습니다. 보고서에는 해당 수치가 압입 시험에서 얻어진 것인지, 공표된 환산표에서 얻어진 것인지, 또는 경험적 강도 관계에 기반한 추정치인지도 명확히 밝혀야 합니다.

먼저 원래 시험 결과를 기록한다

보고서의 첫 번째 값은 원래 스케일과 표기로 기록한 측정 결과여야 합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

> 측정 경도: 58 HRC, ASTM E18, AISI 4140 강, 540 °C에서 담금질 및 뜨임 처리; 시험 위치: 반지름 중간 지점, 기계가공 표면에서 10 mm 아래; 표면 연삭; 보정된 록웰 시험기, 주 하중 150 kgf.

이 문장은 록웰 시험으로 얻은 결과임을 명시합니다. 결과를 브리넬 또는 비커스 수치로 조용히 대체하지 않습니다. 여러 번 압입했다면 개별 판독값 또는 평균과 범위를 기록해야 합니다. 예를 들어 58, 59, 58 HRC; 평균 58.3 HRC, 범위 1 HRC와 같이 기록할 수 있습니다. 재료에 경도 구배, 조대한 미세조직, 탈탄 또는 국부 열처리가 있는 경우에는 압입 횟수와 압입 간격이 중요할 수 있습니다.

가능한 경우 보고서에는 해당 재료 표준에서 규정한 강종을 정확히 기재해야 합니다. “4140”은 SAE J404 Grade 4140보다 정확성이 떨어지며, 재료가 UNS S30400, AISI 304 또는 기타 지정 표기에 해당하는 경우 “스테인리스강”만으로는 적절한 강종 설명이 되지 않습니다. 열처리 상태도 기록해야 합니다. 예를 들어 풀림, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임, 침탄, 질화 또는 입고 상태 등이 있습니다. 질화층에서 얻은 경도 측정값은 심부에서 얻은 측정값과 서로 바꾸어 사용할 수 없습니다.

얇은 단면, 소형 부품, 곡면 및 질량이 작은 시험편은 압입 결과를 왜곡할 수 있으므로 형상 정보도 기록해야 합니다. 두께, 직경, 가장자리로부터의 거리, 그리고 시험이 평면 또는 곡면에서 수행되었는지를 명시해야 합니다. 표면 준비 상태도 중요합니다. 기계가공, 연삭, 연마, 코팅 제거 여부와 눈에 보이는 스케일 또는 탈탄층의 존재를 기록해야 합니다. 록웰, 브리넬, 비커스, 누프 또는 리브 경도 결과에는 기기 또는 최소한 시험 방법, 하중, 압자 및 관련 표준을 명시해야 합니다.

표준과 환산 근거를 명시한다

환산값은 원래 측정값을 대체하지 않고 그 뒤에 제시해야 합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

> 측정값: 58 HRC, ASTM E18. 환산값: 지정된 강종 범위에 대해 ASTM E140-12, [해당 표]에 따른 록웰 상당값 약 615 HV; 환산값은 근사값이며 별도의 비커스 측정값이 아님.

출처에 표 번호 또는 방정식이 제시되어 있다면 이를 기록해야 합니다. 소프트웨어가 결과를 제공한 경우에는 소프트웨어, 데이터베이스, 개정판 및 선택한 재료 범주를 명시해야 합니다. “615 HV로 환산”이라고만 기록하는 것은 불충분합니다. 특히 명시된 범위의 양 끝부분에서는 서로 다른 표가 서로 다른 결과를 낼 수 있기 때문입니다.

ASTM E140-12, 금속용 표준 경도 환산표는 지정된 금속, 즉 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강 등을 대상으로 브리넬, 비커스, 록웰, 표면 록웰, 누프, 스클러로스코프 및 리브 스케일 사이의 근사 관계를 제공합니다. ASTM은 “환산값은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시합니다(ASTM International, 2012). 이 제한 사항은 결과의 일부입니다. 따라서 발표상의 편의를 위해 삭제하지 말고 도면, 검사 기록 및 인증서에 그대로 유지해야 합니다.

ISO 18265:2013은 스케일 간 경도값 환산 및 인장강도 추정의 원칙을 규정합니다. 이 표준의 경고는 많은 간략 환산표가 제시하는 것보다 엄격합니다. 환산값은 정확히 시험한 재료에 대해서만 직접 적용되며, 인장강도 추정값은 신뢰도가 가장 낮은 환산값입니다(International Organization for Standardization, 2013). 따라서 보고서에는 환산 근거를 명시해야 합니다.

> 근거: ISO 18265:2013, 강용 환산표, 근사값; 적용 범위는 시험한 강종 및 상태로 제한됨.

ASTM E140과 ISO 18265는 모든 스케일 조합을 환산할 수 있도록 허용하는 근거가 아닙니다. 이 표준들의 표에는 재료 범주, 범위 및 시험 방법상의 제한이 있습니다. 이러한 제한을 벗어난 환산은 지원되지 않음으로 표시하거나 생략해야 합니다.

측정값, 환산값 및 추정값을 구분한다

서로 다른 세 종류의 정보를 구분하여 별도의 표기를 사용해야 합니다.

> 측정 경도: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > 환산 경도: 약 22 HRC, ISO 18265:2013, 적용 가능한 강용 표. > 추정 인장강도: 약 760 MPa, 경험적 경도–강도 관계에 근거한 값; 인장시험으로 측정한 값이 아님.

인장시험으로 얻은 값이 아니라면 세 번째 값을 인장강도: 760 MPa로 제시해서는 안 됩니다. ISO 18265는 인장강도 추정값을 신뢰도가 가장 낮은 환산값으로 규정합니다. 1929년에 발표된 경험적 록웰–브리넬 관계에 관한 NIST 연구는 상업적 목적에서 강의 인장강도를 브리넬 경도로부터 흔히 추정할 수 있음을 확인했습니다. 그러나 이 결과는 경험적 편의를 설명하는 것이지 보편적인 법칙을 확립한 것이 아닙니다. 설계 계산, 재료 인증, 파손 조사 또는 항복강도, 인장강도, 연신율이나 단면 수축률에 근거한 합격 판정이 필요한 경우에는 직접 인장시험이 여전히 필요합니다.

일부 관계식은 명시된 재료 등급 내에서만 유효합니다. 2012년에 Materials Science and Engineering: A에 발표된 한 연구는 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 Hᵥ ≈ 3σUTS라는 근사 관계를 제시했습니다. 이 비율은 재료 등급, 미세조직 및 압입 형상에 따라 달라집니다. 따라서 페라이트–펄라이트계 ASTM A36, 담금질 및 뜨임 처리된 SAE J404 Grade 4140, 마르텐사이트계 스테인리스강 또는 질화 표면에 이를 자동으로 적용해서는 안 됩니다. 2023년에 발표된 역사적 및 현대의 비합금 구조용 강에 관한 연구는 원재 또는 노멀라이징 상태의 재료에서 브리넬 경도와 인장강도 매개변수 사이에 대체로 선형인 경험적 관계가 있음을 확인했습니다. 그러나 이 결과가 담금질 및 뜨임 처리강, 냉간가공강, 침탄강 또는 석출경화강에도 동일한 직선 관계가 성립함을 의미하지는 않습니다.

따라서 완전한 기록은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

> 재료: SAE J404 Grade 4140, 540 °C에서 담금질 및 뜨임 처리; 직경 40 mm 봉재, 반지름 중간 지점에서 시험; 연삭 표면. 측정값: 31 HRC, ASTM E18, 보정된 록웰 시험기. 환산값: 약 295 HBW, ASTM E140-12, 적용 가능한 합금강 표; 근사값에 불과함. 추정 인장강도: [명시된 방정식 또는 표]에 따른 약 [값] MPa; 추정값에 불과하며 인장시험 결과가 아님.

이 형식은 증거, 가정 및 환산의 한계를 보존합니다. 또한 이후 검토자가 직접 시험이 필요한지 판단할 수 있게 하며, 편의상 제시된 등가 수치를 새로운 측정값으로 오인하는 것을 방지합니다.

과도한 정밀성을 배제한 금속공학적 비교 사례

경도 환산값을 특정 강의 특정 상태에서 수행한 시험의 결과가 아니라 재료의 정체성을 나타내는 수치로 취급하면, 경도 환산은 오해를 불러일으키게 됩니다. 건전하고 균질한 단면에서 측정한 브리넬 경도값은 정규화된 강재로 구성된 관리된 재료군에서는 인장강도와 상당히 양호한 상관관계를 보일 수 있습니다. 그러나 담금질 및 뜨임 처리된 강종이나 침탄 부품의 침탄층에서 얻은 동일한 수치의 경도는 같은 의미를 갖지 않습니다.

ASTM E140-12, 금속의 표준 경도 환산표(Standard Hardness Conversion Tables for Metals)는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함하여 지정된 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 스클러로스코프 및 리브 경도 눈금 사이의 근사 관계를 제시합니다. ASTM은 “환산값은 합금, 결정립 구조 및 열처리의 영향을 받는다”고 직접 명시합니다(ASTM International, 2012). 아래의 각 비교에는 이 제한이 적용됩니다.

정규화된 비합금 구조용 강

정규화된 비합금 구조용 강은 브리넬 경도와 강도 사이의 관계가 비교적 일관되게 나타날 수 있는 경우입니다. ASTM A36과 같은 강종이나 S275JR과 같은 EN 10025-2 강종을 생각해 볼 수 있습니다. 단, 해당 재료가 실제로 정규화 또는 이에 준하는 미세립 상태에 있고, 시험 단면이 충분히 균질해야 합니다. 정규화는 임계 온도 범위 이상으로 가열한 후 공랭함으로써 페라이트–펄라이트 조직을 미세화하고 균질화합니다. 정규화가 모든 용강을 동일하게 만드는 것은 아니지만, 경도 해석을 복잡하게 하는 상태 변동의 일부를 줄여 줍니다.

이 재료군에서 브리넬 경도는 볼 압입을 통해 비교적 큰 체적을 대상으로 측정됩니다. 따라서 매우 작은 미소경도 압흔보다 페라이트, 펄라이트, 개재물 및 국부적인 변동을 효과적으로 평균화합니다. 탄소 함량, 망가니즈 함량, 결정립 크기, 두께 및 가공 이력이 제한된 재료군 내에 있다면, 브리넬 경도가 증가할수록 항복강도와 인장강도도 일반적으로 증가합니다. Materials Today: Proceedings에 발표된 2023년 연구는 원재 또는 정규화 상태의 과거 및 현대 비합금 구조용 강에서 브리넬 경도와 인장강도 매개변수 사이에 대체로 선형적인 경험적 관계가 있음을 확인했습니다(Materials Today: Proceedings, 2023).

“대체로 선형적”이라는 표현이 단일 압흔으로부터 보장된 인장값을 계산해도 된다는 뜻은 아닙니다. 이는 특정 재료 집합에 대해 적합시킨 관계를 설명하는 말입니다. S275JR이나 ASTM A36 내부에서도 판 두께, 탈산 방식, 인과 황 함량, 압연 이력 및 국부 편석의 차이가 결과를 변화시킬 수 있습니다. 용접 열영향부에서 측정한 경도값은 모재에서 측정한 값과 서로 대체할 수 없습니다.

경험적 로크웰–브리넬 관계에 관한 NIST의 초기 연구는 오늘날에도 유용한 실무적 결론에 도달했습니다. 즉, 상업적 목적에서는 강의 인장강도를 브리넬 경도로부터 추정할 수 있는 경우가 많지만, 그 추정은 보편 법칙이 아니라 경험적 관계라는 것입니다(NIST, 1929). 따라서 강종 계열과 상태가 해당 표와 일치할 때 경도 환산표는 재료의 균일성을 선별하거나 공정 관리를 지원하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 지정된 항복강도, 인장강도, 연신율 또는 합격 기준이 중요한 경우에는 인장시험을 대체할 수 없습니다.

담금질 및 뜨임 처리된 합금강

담금질 및 뜨임 처리된 합금강은 광범위한 경도 환산의 한계를 더욱 뚜렷하게 보여 줍니다. SAE 4140과 EN 10083-3 42CrMo4는 모두 크롬–몰리브데넘강으로 설명할 수 있지만, 이들의 경도–강도 관계는 오스테나이트화 방식, 담금질 강도, 뜨임 온도, 유지 시간 및 단면 크기에 크게 좌우됩니다. 동일한 공칭 강종이라도 담금질 표면 부근에는 뜨임 마르텐사이트가, 중간 위치에는 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직이, 대형 봉강의 중심부 쪽에는 더 연한 변태 조직이 형성될 수 있습니다.

뜨임 상태가 중요한 이유는 뜨임 온도 범위 전체에서 경도와 인장 거동이 정확히 같은 비율로 변하지 않기 때문입니다. 저온 뜨임 마르텐사이트는 인성이 제한된 상태에서 높은 경도를 유지할 수 있으며, 고온 뜨임은 경도를 낮추는 대신 연성을 향상시키고 잔류응력을 완화합니다. 2차 경화 반응, 탄화물 석출, 잔류 오스테나이트 및 뜨임 취성은 단순한 단일 수치 관계를 더욱 교란할 수 있습니다. 균질한 시험편에서는 HRC에서 HB로의 환산이 눈금 간 근사값으로 허용될 수 있지만, 그렇게 환산한 HB를 바탕으로 추정한 인장강도는 훨씬 큰 불확실성을 가질 수 있습니다.

단면 크기도 마찬가지로 중요합니다. 작은 42CrMo4 시험편은 단면 전체가 경화될 수 있지만, 동일한 명칭의 대형 단조 축은 중심부가 더 느리게 냉각되기 때문에 경도 구배가 형성될 수 있습니다. 표면을 시험한 후 그 결과를 전체 단면에 적용하면 중심부 강도를 과대평가할 수 있습니다. SAE 기술 보고서 경도시험 및 경도수 환산(Hardness Tests and Hardness Number Conversions)은 정확한 환산은 특정 강의 조성, 열처리 및 부품에 대해 개발되어야 하며, 크기, 질량, 조성 및 가공이 그 관계에 영향을 미친다고 설명합니다(SAE International, 1967).

2012년 Materials Science and Engineering: A 연구에서 일부 고강도 연성 금속 재료에 대해 제시된 근사 관계 Hᵥ ≈ 3σUTS는 유용한 상관관계를 해당 재료군을 넘어 적용할 때의 위험을 보여 줍니다. 이 연구는 또한 경도–강도 비가 재료군, 미세조직 및 압입 형상에 따라 달라진다고 보고합니다(Materials Science and Engineering: A, 2012). 이 관계를 모든 4140 상태에 대한 일반 법칙으로 적용해서는 안 되며, 여러 경도 눈금을 거치는 환산 연쇄에 적용하는 것은 더욱 부적절합니다.

연질 코어를 가진 표면경화강

침탄강 부품에서는 인장강도 대신 경도를 사용하는 것이 특히 위험해집니다. 침탄, 담금질 및 뜨임 처리된 SAE 8620 또는 EN 10084 20MnCr5를 예로 들 수 있습니다. 탄소 농축으로 단단한 마르텐사이트 침탄층이 형성되는 반면, 저탄소 코어는 훨씬 높은 인성을 유지하면서 상당히 더 연한 상태로 남습니다. 따라서 이 부품에는 전체 기계적 상태를 대표하는 단일 경도가 존재하지 않습니다.

침탄층에서 실시한 로크웰 C 측정은 얕은 표면 영역의 변형 저항을 나타냅니다. 이는 코어의 항복강도, 코어 인장강도, 연신율 또는 파괴 거동에 대해서는 거의 알려 주지 않습니다. 침탄층이 압입 깊이에 비해 얇거나 시험 하중이 천이 영역까지 도달하면, 연질 기재의 영향으로 측정값이 낮아질 수 있습니다. 표면 로크웰 시험이나 비커스 시험이 침탄층을 더 잘 분해하여 평가할 수는 있지만, 이 경우에도 특성화되는 것은 시험한 층이지 벌크 재료가 아닙니다. 미소경도 횡단 측정은 표면에서 코어까지의 경도 분포를 지도화할 수 있지만, 그것만으로 인장 응력–변형률 곡선을 확립할 수는 없습니다.

이러한 구분은 시료 채취에도 영향을 줍니다. 브리넬 시험 전에 침탄층을 연삭하여 제거하면 의미 있는 코어 경도를 얻을 수 있지만, 그 결과는 코어 측정값으로 보고해야 합니다. 침탄층을 그대로 둔 채 표면을 측정하면 침탄층의 결과가 얻어집니다. 어느 값을 “부품의 경도”라고 부르든, 그렇게 표현하면 물성 구배가 가려집니다.

ISO 18265:2013은 눈금 사이에서 경도값을 환산하고 인장강도를 추정하기 위한 원칙을 규정하지만, 환산값은 정확히 시험한 재료에만 직접 적용된다고 명시하며 인장강도 추정값을 신뢰성이 가장 낮은 환산으로 분류합니다(ISO, 2013). 침탄된 SAE 8620 기어 이빨은 탄소강 환산표가 나타내는 정확히 균질한 재료가 아닙니다. 따라서 ASTM E140-12를 사용하더라도 해당 부품의 침탄층 HRC값을 방어 가능한 벌크 인장강도값으로 바꿀 수 없습니다.

설계 또는 합격 판정을 위해서는 검증하려는 물성을 명확히 정의해야 합니다. 즉, 침탄층 경도, 유효 침탄 깊이, 코어 경도 또는 별도로 준비한 시험편에서 얻은 인장 특성 중 무엇을 확인할 것인지 정해야 합니다. 직접 인장시험, 금속조직학적 검사 및 경도–깊이 프로파일링은 서로 다른 질문에 답합니다. 환산값은 적용 가능한 재료별 상관관계가 뒷받침하는 좁은 범위의 질문에만 답할 수 있습니다.

실무 참조 절차

경도 환산은 실제로 필요한 물성이 무엇인지 결정하는 것에서 시작해야 합니다. 측정된 경도값은 특정 표면, 위치, 압입자 및 시험 하중에 대한 반응을 나타냅니다. 환산된 경도값은 다른 경도 척도로 나타낸 추정값입니다. 추정 인장강도는 그보다 한 단계 더 나아간 추론이며, 일반적으로 경도 척도 간 환산값보다 신뢰성이 낮습니다. 이 세 가지 결과를 서로 바꿔 사용할 수 있는 것처럼 보고해서는 안 됩니다.

시험 전

시험을 선택하기 전에 공학적 질문을 명확히 정의하십시오. 요구사항이 표면 내마모성, 침탄층 깊이, 국부 열처리 균일성 또는 생산관리용 값이라면 경도가 적절한 직접 측정 물성일 수 있습니다. 요구사항이 항복강도, 최대 인장강도, 연신율, 파괴 거동 또는 재료 인증이라면 경도는 가능한 선별 측정값에 불과합니다. 인장 특성을 직접 측정하는 방법은 인장시험입니다.

기록이 허용하는 범위에서 강종과 제품 상태를 최대한 정확히 확인하십시오. “탄소강”만으로는 충분하지 않습니다. ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 또는 EN 1.2379와 같은 재료 지정과 함께 제품 형태, 단면 크기, 열처리, 뜨임 상태, 냉간가공 및 표면처리를 기록하십시오. 540 °C에서 담금질 및 뜨임 처리한 4140 시편은 둘 다 4140이라고 하더라도 풀림 처리한 4140과 동일한 경도–강도 관계를 갖지 않습니다. 침탄 표면, 탈탄층, 용접 열영향부 및 불림 처리된 판재는 각각 다른 측정 계획이 필요할 수 있습니다.

편의성이 아니라 형상과 예상 경도를 기준으로 척도를 선택하십시오. 브리넬 경도는 비교적 크고 균일한 여러 단면에 유용하지만, 볼 압흔을 형성하려면 충분한 두께와 가장자리 또는 인접 압흔으로부터의 적절한 간격이 필요합니다. 로크웰 경도는 더 빠르고 압흔이 작으며, 얕은 로크웰 척도는 얇은 단면이나 얕은 경화층에 적합합니다. 비커스 및 누프 미소경도는 작은 영역, 경도 구배 및 개별 상을 분석할 수 있지만, 표면 준비와 작업자 숙련도의 중요성이 커집니다. 리브 및 쇼어경도계 방식은 휴대성이 있어 적절한 현장 조건에서 유용하지만, 측정값은 질량, 지지 상태, 방향, 표면 상태 및 장비 설정에 크게 좌우됩니다.

압흔을 만들기 전에 적용되는 시험 표준을 확인하십시오. ASTM E10은 브리넬 경도시험, ASTM E18은 로크웰 경도시험, ASTM E384는 미소압입 경도시험을 규정하며, 도면이나 재료 표준에서 관련 ISO 방법을 지정할 수도 있습니다. ASTM E140-12, 금속의 표준 경도 환산표에는 균질한 탄소강, 합금강 및 공구강을 포함하여 지정된 금속에 대해 브리넬, 비커스, 로크웰, 표면 로크웰, 누프, 쇼어 및 리브 값 사이의 근사 관계가 수록되어 있습니다. 그러나 이 표준이 하나의 척도를 다른 척도의 보편적인 대체 수단으로 인정하는 것은 아닙니다.

시편 준비를 계획하십시오. 연삭이나 과도한 연마로 열처리층을 변화시키지 않으면서 스케일, 녹, 페인트 및 버를 제거하십시오. 시험 표면은 선택한 방법에 적합하도록 평탄하고 깨끗하며 충분히 매끄러워야 합니다. 시편을 단단히 지지하십시오. 압입자 아래에서 휘어지는 얇은 판은 실제보다 낮은 측정값을 나타낼 수 있으며, 곡면이거나 지지가 불량한 부품은 결과를 어느 방향으로든 변화시킬 수 있습니다.

측정 중

필요한 기준 블록 또는 검증 절차를 사용하여 장비를 확인하고, 장비 식별 정보, 압입자 유형, 하중, 유지 시간, 온도 및 시험 위치를 기록하십시오. 척도나 하중을 아무런 기록 없이 혼용하지 마십시오. “HRC”와 “HRB”는 서로 다른 로크웰 척도이며, 서로 바꿔 쓸 수 있는 표기가 아닙니다. “HV10”과 “HV0.2”는 서로 다른 시험 하중을 사용하므로 서로 다른 미세조직 체적을 측정할 수 있습니다.

시험 표준에서 요구하는 간격을 확보하여 압흔을 가장자리, 구멍, 용접 경계 및 기존 압흔으로부터 떨어진 위치에 배치하십시오. 표면경화 부품에서는 편리한 한 지점에서 한 번 측정하는 대신 표면으로부터의 거리를 기준으로 측정 위치를 설정하십시오. 편석, 밴드 조직 또는 다상 조직을 가진 강재에서는 실제 변동과 측정 산포를 구별하기 위해 여러 압흔이 필요할 수 있습니다.

측정을 반복하십시오. 균일한 실험실용 시험편에는 세 번의 측정으로 충분할 수 있지만, 용접 이음부, 얇은 코팅, 경도 구배 또는 대형 단조품에는 더 촘촘한 측정 격자가 필요할 수 있습니다. 불편한 측정값을 문서화된 기준 없이 제외하는 것은 부적절한 관행입니다. 개별 측정값, 평균, 범위 또는 표준편차를 보고하고, 제외한 값이 있다면 그 이유도 함께 기록하십시오. 반복 압흔의 편차가 유의미하다면 무엇이든 환산하기 전에 표면 상태, 지지 상태, 척도 선택, 미세조직 및 작업자 기법을 조사하십시오.

측정 결과는 원래의 정체성을 유지해야 합니다. 예를 들어 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 또는 310 HV10과 같이 표기합니다. 환산값은 “ASTM E140-12를 사용하여 235 HBW에서 환산한 약 22 HRC”와 같이 별도로 작성해야 합니다. 이렇게 하면 표의 출력값을 두 번째 측정값으로 오인하는 것을 방지할 수 있습니다.

환산 후

강종군과 측정 범위에 맞는 환산표를 사용하십시오. ASTM E140-12는 “환산값은 합금, 결정립 조직 및 열처리의 영향을 받는다”고 명시합니다(ASTM International, 2012). ISO 18265:2013은 척도 간 경도값 환산 및 인장강도 추정을 위한 원칙을 규정하지만, 환산값은 시험한 정확한 재료에만 직접 적용할 수 있다고 명시합니다. 또한 인장강도 추정값을 신뢰성이 가장 낮은 환산값으로 분류합니다(ISO, 2013). 명시된 적용 범위를 벗어난 표의 값은 소수점 자릿수를 늘린다고 해서 유효해지지 않습니다.

인장강도 추정값은 선별 결과로 취급하십시오. 1929년에 발표된 NIST 연구는 경험적 로크웰–브리넬 관계를 바탕으로 상업적 목적에서 강재의 인장강도를 브리넬 경도로부터 흔히 추정할 수 있다고 보고했습니다(NIST, 1929). 이 결과는 실용적인 상관관계를 뒷받침할 뿐, 보편적인 법칙을 의미하지는 않습니다. SAE의 1967년 보고서인 경도시험 및 경도값 환산 역시 정확한 환산은 해당 강재의 조성, 열처리 및 부품에 대해 개발되어야 한다고 설명합니다. 크기, 질량, 조성 및 가공 조건이 그 관계에 영향을 미치기 때문입니다.

일부 고강도 연성 금속 재료에서는 근사 관계 $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$가 보고되었지만, 2012년 Materials Science and Engineering: A 연구는 경도–강도 비를 재료 등급, 미세조직 및 압입 형상과 연관지었습니다(Materials Science and Engineering: A, 2012). 이 관계를 페라이트–펄라이트 판재, 마르텐사이트 공구강, 석출경화 스테인리스강 또는 표면 경화층에 자동으로 적용해서는 안 됩니다. 마찬가지로 2023년 연구는 원재료 상태 또는 불림 상태의 역사적 및 현대적 비합금 구조용 강재에서 브리넬 경도–인장강도 관계가 대체로 선형이라고 밝혔지만, 모든 합금이나 열처리 상태에 적용되는 것은 아닙니다(Materials Today: Proceedings, 2023).

출처 환산표, 판, 원래 척도, 환산 척도, 강재 지정, 상태, 시험 위치, 측정 횟수 및 불확도를 기록하십시오. 해당 값이 측정값인지, 환산값인지 또는 추정값인지 명시하십시오. 얇은 단면의 영향, 표면 구배, 열처리 정보 부족, 교정 상태 및 해당 강재가 출처 데이터의 범위를 벗어나는지 여부와 같은 제한사항도 포함하십시오.

따라서 공학적 절차는 다음과 같습니다. 요구되는 물성을 정의하고, 가능한 경우 유효한 직접 시험을 선택하며, 강종과 상태를 확인하고, 시편을 준비하고 지지하며, 반복 측정을 수행하고, 관련 환산 표준을 참조하며, 불확도와 제한사항을 기록하고, 결과가 설계·인증 또는 재료 수락에 영향을 미치는 경우 직접 인장시험으로 확대하는 것입니다.

참고 문헌

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897