ASTM A1038 − 17 Standard Test Method for Portable Hardness … · 2019. 10. 4. · ASTM A1038 Portable Hardness Testing by the Ultrasonic Contact Impedance Method , [email protected]

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ASTM A1038 − 17 Standard Test Method for Portable Hardness Testing by the Ultrasonic Contact Impedance Method

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ASTM A1038 Portable Hardness Testing by the Ultrasonic Contact Impedance Method


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ASTM A1038 − 17 Standard Test Method for Portable Hardness Testing by the Ultrasonic Contact Impedance Method

1. 범위

1.1 Ultrasonic Contact Impedance Method(UCI 방법)를 적용하여 상대 경도의 측정을 다룬다.

1.2 SI 단위를 표준으로 사용하며 이 표준에는 다른 측정 단위가 포함되어 있지 않다.

1.3 안전 문제를 다루지 않으며 사용자의 책임.

1.4 World Trade Organization Technical Barriers to Trade (TBT)위원회가 인정된 원칙에 따라 개발.

2. Referenced Documents 2.1 ASTM Standards

A370 Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products E10 Test Method for Brinell hardness of Metallic Materials E18 Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials E140 Hardness Conversion Tables for Metals Relationship among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, Scleroscope Hardness, and Leeb Hardness E177 Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods E384 Test Method for Microindentation Hardness of Materials E691 Practice for Conducting an Interlaboratory Study to Determine the Precision of a Test Method

3. 용어 및 식

3.1 정의

3.1.1 Calibration - 교정된 경도시험기 또는 일련의 인증된 기준 시편에 의해 표시된 값과 비교하여 UCI 기기의

중요한 변수의 특정 값 결정.

3.1.2 Surface finish -본 시험방법에서 표면조도에 대한 모든 기준은 표면조도(즉, Ra = 평균 조도 값)로 정의.

3.1.3 UCI hardness test– 시험재료 표면에 대해 일정한 힘으로 정의된 Indenter (예: Vickers Diamond)가 있는

Resonating rod를 눌러 교정된 기기를 사용하는 경도시험방법.

3.1.4 UCI method—1961년 Claus Kleesattel 박사에 의해 침투 시 Indenter와 시편 사이 유한 접촉 영역의

본질적인 탄성 특성에 의해 발생하는 Resonating rod의 주파수 Shift 측정에 기초하여 개발된 경도시험방법인

초음파 접촉 Impedance

3.1.5 Verification –본 시험방법에 적합하도록 UCI 기기의 점검 또는 시험.

3.2 식

3.2.1 일련의 n 측정 x1, x2, ..., xn의 평균 x̅는 다음과 같이 계산.

x1, x2, ..., xn 은 indentation의 개별 값

3.2.2 교정된 기준에 대한 각 경도 수준에서 초음파 접촉 Impedance 경도시험이기 성능오차, E는 다음과 같이

결정된 절대 퍼센트 오차로 계산.

x̅ = average (see 3.2.1) of n measurements made on a standard reference block as part of a performance verification xref = certified reference hardness reported for the standard reference block.

4. 의의 및 사용

4.1 재료의 경도는 스케일이 많고 시험 시행 방식에 따라 달라지는 정의된 물성.

새로운 경도 Scale을 포함하는 새로운 방법을 피하기 위해 UCI 방법은 일반적인 경도(예: HV, HRC 등)로 변환.

4.2 UCI 경도시험은 표면의 경도 조건만 측정하는 표면 측정으로 특정 위치 결과는 다른 표면 위치의 특성을

나타내지 않으며 표면 아래 위치의 재료에 대한 정보를 제공하지 않는다.

4.3 UCI 경도시험은 다양한 장소에서 크고 작은 부품에 사용될 수 있다.

기아의 측면이나 뿌리와 같이 접근하기 어려운 위치에서 경도 측정에 사용.

A. UCI 경도에 대한 장비 및 시험 절차에 대한 설명

5. 장치

5.1 UCI 경도시험에 사용되는 기기는 (1) E384 (그림 1 참조)에 따라 접촉부에 부착된 규정된 Indenter (예:

Vickers Diamond)가 있는 Rod가 포함된 Probe (2) 진동 장치 (3) 진동 측정수단 (4) 수치 평가를 위한 전자

장치 (5) 측정된 경도를 나타내는 Digital Display로 구성




5.2 UCI Probes —UCI 경도시험에 사용할 수 있는 여러 Probe가 있으며 1 ~ 98 N 범위의 정적 하중을 포함.

부록 X1 참조.

특수 용도를 위해 더 길고 짧은 다양한 크기의 Sensor rods 제공.

두 가지 버전, 즉 수동 또는 자동시험을 위한 Servo motor type이 개발.

5.3 시험방법 요약 - E10 및 E384에 따른 Brinell 또는 Vickers 시험과 같은 기존의 경도시험에서, 경도는

Indenter 제거 후 규정 시험하중에 의해 생성된 재료의 Indentation 크기에 의해 광학적으로 결정. 그러나 UCI

방법에 따라 가해진 하중 하의 이동 경도시험에서, 생성된 오목 부의 크기는 광학적으로 결정되지 않는다.

접촉 면적은 전자적으로 측정된 초음파 공명 주파수의 시프트로부터 도출.

UCI 시험을 위해 Indenter가 있는 Rod가 포함된 Probe는 Piezoelectric 세라믹에 의해 약 70 kHz의 세로 방향

초음파 진동으로 여기- 소위 제로 주파수라는 Indenter가 공기 중에서 진동할 때 발생.

5.3.1 Probe 내부의 스프링이 지정된 시험하중을 가하면 진동 Tip이 재료에 침투하여 탄성 접촉을 일으켜 공진

Rod의 양의 주파수 전이가 발생. 이 변화는 Indent 영역 (재료와 Indenter의 접촉 영역)의 크기와 관련.

크기는 주어진 탄성계수, 예로 식3에 따른 HV (UCI)에서의 재료의 경도에 대한 측정값.

5.3.2 Indenter는 시험 재료에 깊숙이 침투하지 않아서 Indentation이 작기 때문에 경질 재료의 주파수 전이는

상대적으로 작다.

5.3.3 Indenter가 재료에 더 깊숙이 침투하여 중간 경도를 나타내는 경우 주파수 편이가 커진다.

이와 유사하게 부드러운 재료 시험 시 주파수 이동이 가장 커진다(그림 2 참조)

5.3.4 기기는 지속적으로 공진 주파수를 모니터링하고 Handheld Probe의 경우 내부 스위치가 해당 측정

주파수를 Trigger한 후 또는 특정 유지 시간이 경과 후 지정된 시험 Rod에 도달했을 때 주파수 이동을 계산.

모터 구동 Probe의 경우 기기는 평가 및 계산을 시행하고 경도(예: HV (UCI))를 즉시 표시.




5.3.5 주파수 Shift는 측정 시스템의 주어진 탄성계수에서 정의된 Indenter, 예를 들어 Vickers Diamond의

Indentation 크기의 함수.

5.3.6 식 3은 Vickers 경도 값의 정의와 비교하여 기본 관계를 설명.

∆f = Frequency shift A = Indentation area Eeff = Effective elastic modulus (contains the elastic constants of both the indenter and the test piece) HV= Vickers hardness value, F = Force applied in the hardness test.

5.4 탄성 계수의 영향 - 식 3에서 알 수 있듯이 주파수 전이는 접촉면적의 크기뿐만 아니라 접촉하는 재료의

탄성계수에 따라 변화.

Young 's modulus의 차이를 허용하기 위해, 다양한 재료 그룹에 대해 기기를 교정.

보정 후 UCI 방법은 해당 Young 's modulus을 갖는 모든 재료에 적용.

5.4.1 제조된 UCI 기기는 비 합금 및 저 합금강, 즉 E384에 따라 인증된 경도 기준 Block에서 교정.

이 외에도 고 합금강, 알루미늄 또는 티타늄과 같은 금속의 경우 시험장소에서도 일부 기기를 신속하게 교정.

6. 다른 재료에 대한 보정

6.1 특정 재료의 시편이 필요. 시험방법 및 정의 A370에 따라 Vickers, Brinell 또는 Rockwell과 같은 교정된

경도시험기로 경도 값을 결정. 최소 5회 측정하고 평균 경도를 계산하는 것을 권장. 10.6의 지침에 따라

시험재료에 대해 최소 5회 단일 UCI 측정을 시행하고 표시된 평균값을 재료의 측정 전 경도로 조정한 다음

원하는 경도 스케일 및 범위의 재료에 대한 추가 측정에 필요한 교정 값을 결정.

6.1.1 일부 기기는 다른 재료의 경도시험을 위해 모든 보정 데이터 및 조정 변수를 저장할 수 있다.

7. 다른 경도시험방법과 비교

7.1 기존의 저 하중 경도시험이기와 달리 UCI 기기는 UCI 방법에 따라 현미경으로 Indentation 크기를

평가하지 않고 전자적으로 평가.

UCI 방법은 시편의 탄성계수에 대한 의존성을 고려하여 비교 경도측정을 산출.

7.2 시험하중 제거 후, Vickers Diamond를 Indenter로 사용하고 시험 스탠드에 장착한 UCI Probe에 의해

생성된 Indentation은 실질적으로 동일한 하중의 시험기에 의해 생성된 Vickers Indentation과 동일.

E384에 따라 힘을 가하도록 주의하고 UCI Probe에 Vickers Indenter가 사용되는 경우 표준 Vickers 시험에

따라 Indentation을 광학적으로 측정할 수 있다.

이 경우 UCI Probe의 실제 시험하중을 검증하기 위해 특수 장치 또는 Probe 부착물을 사용.

8. 시편

8.1 표면준비 - 적용된 시험하중(선택된 UCI Probe)은 응용 분야뿐 아니라 표면품질 및 거칠기와 적절해야

한다. 부드럽고 균일한 표면은 낮은 시험하중으로 시험할 수 있지만 거친 표면은 높은 시험하중이 필요.

표면에는 불순물 (오일, 먼지 등)과 녹이 없어야 한다.

8.1.1 표면 거칠기는 다음과 같은 경우 관통 깊이의 30 % 미만(Ra ≤ 0.3 × h)

8.1.2 특정경도(HV) 및 시험하중(N) 에 대한 Vickers Diamond 피라미드의 관통 깊이는 식 4.

8.1.3 표1은 Vickers Indenter를 사용하는 특정 UCI Probe에 권장되는 최소 표면 거칠기를 제공.

표면 준비가 필요한 경우 과열 또는 냉간 가공으로 표면 경도를 변경하지 않도록 주의.

Paint, Scale 또는 기타 표면 코팅은 완전히 제거.

적절한 표면조도를 제공하지 않으면 측정 값이 불안정하며 거친 마무리는 측정값을 낮추는 경향이 있다.

8.2 최소두께 — Bulk 재료의 얇은 코팅 또는 표면 층은 사용된 Indenter (Vickers Indenter의 경우 그림 3

참조)의 Indentation 깊이의 최소 10배 이상의 최소 두께를 가져야 한다. Smin = 10 × h

8.3 최소 벽 두께 — 시험재료가 공명 또는 공명 진동(예를 들어, 얇은 Block, 튜브, 파이프 등)으로 여기되는

경우 시편두께가 약 15 mm 미만인 경우 변화가 발생할 수 있다. 가장 문제는 진동 Tip에 의해 자극되는 굴곡

진동으로 적절한 수단으로 억제한다. 때때로 점성 Paste, Grease 또는 유막을 사용하여 시편을 무거운 금속

Block에 부착하여 굴곡파형을 제거. 그럼에도 불구하고 최소 벽 두께는 2 ~ 3mm를 권장.

8.4 진동의 영향 - UCI 방법은 주파수 이동 측정에 기초. 약 300g 미만 부품은 자체 진동으로 잘못되거나




불규칙한 값을 유발. 최소 두께 또는 최소 무게 미만의 임의 시험 중량은 UCI Probe 진동에 저항하기 위해

두껍고 무거운 비 소성 표면에 견고한 지지 및 결합이 필요.

적절한 지지와 Coupling을 제공하지 않으면 실제 경도 값보다 낮거나 높은 시험 결과를 유발.

8.5 표면 곡률 — 곡면 시편은 Probe 수직 위치를 보장하기 위해 시편의 곡률반경이 적절한 Probe 및 Probe

부착과 일치하도록 볼록 또는 오목 표면에서 시험.

8.6 온도 — 시편 온도는 UCI 경도시험 결과에 영향. 그러나 측정시간 동안만 Probe가 고온에 노출되면 UCI

기기의 성능에 영향을 주지 않으면서 실온보다 높은 온도에서 측정 가능.

9. 장치 검증

9.1 검증방법 — 각 교대 또는 작업 기간 이전에 기기는 Part B에 따라 검증.

Part B의 요구사항을 충족하지 않는 UCI 경도시험 기기는 제품의 합격시험에 사용 불가.

10. 절차

10.1 시험 절차 — 경도시험을 위해 Probe가 표시장치에 연결되고 기기에 전원 인가.

Probe는 시편에 수직 위치에서 축을 사용하여 (필요한 경우 Probe 그립을 사용하여) 단단히 고정. 최상의

결과는 양손으로 Probe를 고정하여 취득.

Loading 중 시편에 대해 일정한 압력을 가한다. 부하가 유효하면 수직 Probe 위치를 유지.

일부 장비는 음향 신호로 측정 종료를 표시하고 경도를 즉시 표시.

10.2 정렬- 오 정렬로 인한 오차 방지를 위해 UCI Probe를 느리고 안정적인 속도로 움직인다.

Probe는 표면에 대해 수직을 유지. 수직위치에서 최대 각도 편차는 5도 미만.

Probe Housing이 꼬이지 않도록 한다. Indenter에 횡력이 없어야 하며 미끄러짐을 피한다.

10.3 시험방향 – UCI 방법에 따른 경도시험은 하중에 따라 보정 필요 없이 모든 방향으로 시행.

UCI Probe의 제조업체 및 시험 부하에 따라 측정 방향이 경도 측정에 영향.

이는 진동 Rod의 질량으로 인해 측정방향에 따라 시험 부하에 영향을 줄 수 있다. 즉, Rod 질량은 위에서

아래로 그리고 그 반대로 측정할 때 하중을 증가. 이는 특히 10N 미만의 시험하중에 대해 고려해야 한다.




이 경우 사용자는 시험하중과 재료의 경도에 따라 경도 판독 값에 대한 시험 방향의 영향을 확인.

10.4 Indentation 간격- E384에 따라 대각선의 평균 길이와 관련하여 인접한 두 Indentation 사이의 중심 거리는

(1) 강철, 구리 및 구리 합금 양의 3배 이상 (2) 경금속, 납, 주석 및 그 합금의 6배. 인접한 두 Indentation

크기가 다양하면 최소 거리 계산은 더 큰 Indentation의 평균 Indentation 대각선을 사용.

동일 위치는 두 번 이상 측정되어서는 안 된다.

10.5 UCI 기기 판독- 기기의 전자 디스플레이에서 직접 경도를 측정. 일부 계측기기에서는 실제 판독을

나타내는 단일 값 또는 지금까지 측정한 경도 판독의 평균을 나타내는 평균 값으로 표시.

다른 스케일의 등가 경도는 경도변환표(12장 참조)를 사용하거나 6장에 따라 보정하여 취득.

10.6 측정 횟수 – 약 650 mm2의 영역에서 측정한 5개 측정. 시험되는 재료가 불 균일한 경우는 10회 측정.

NOTE 1 – 650 mm2는 대략 1 in.

2와 동일한 영역.

10.7 보고 — kgf 단위의 시험하중을 나타내는 접미사 번호가 있는 Vickers 판독의 경우 경도 다음에 UCI 시험

HV (UCI) 기호를 표시. 예: 446 HV (UCI) 10 = 10 kgf 하중에서 466의 UCI 경도. 경도가 6 장에 따라 교정에

의해 다른 스케일로 제시되는 경우, 45 HRC (UCI) 또는 220 HBW (UCI) 등으로 유사하게 보고.

변환된 값의 보고는 12 항을 참조.

11. 정밀도와 Bias

11.1본 시험방법의 정확성은 2009년에 시행된 실험실 간 연구를 기반으로 한다. 13개 실험실에서 각 5개 서로

다른 재료를 시험. 모든 "시험 결과"는 A1038의 10.6에 따라 5개 개별 측정 평균. 실험실은 서로 다른 두 가지

분석 구성 (손잡이 및 시험 스탠드) 각각에 대해 두 번의 반복 시험결과(단일 운영자로부터)를 보고.

데이터 설계 및 분석을 위해 E691을 적용.

11.1.1 반복성한계 (r) –한 실험실 내에서 얻은 두 개 시험결과가 해당 재료에 대한 ―r‖값 보다 큰 차이가

있으면 동등하지 않은 것으로 판단. "r"은 같은 실험실에서 같은 날 같은 장비를 사용하는 동일한 작업자가

얻은 동일한 재료에 대한 두 시험 결과 간의 임계 차이를 나타내는 간격.

11.1.1.1 반복성한계는 표 2 및 표 3 참조.

11.1.2 재현성 한계(R) – 두 가지 시험결과가 해당 재료에 대한 "R" 값보다 더 큰 경우 두 가지 결과가

동등하지 않은 것으로 판단. "R"은 다른 실험실에서 다른 장비를 사용하는 다른 작업자가 얻은 동일한 재료에

대한 두 시험 결과 간의 중요한 차이를 나타내는 간격.

11.1.2.1 재현성 한계는 표 2 및 표 3 참조.

11.1.3 상기 용어 (반복성 한계 및 재현성 한계)는 E177에 명시된 대로 사용.

11.1.4 11.1.1과 11.1.2에 따른 판단은 대략 95 %의 확률.

11.2 Bias — 표 4를 참조.

11.3 정밀도는 13개 실험실에서 5개 재료에 대한 258 개의 결과를 통계적으로 조사하여 결정.

이 5가지 재료는 다음과 같이 설명.

11.4 두 시험결과의 동등성 판단을 위해서는 시험재료에 가장 가까운 시험 Block 선택을 권장.

12. 경도 Scale 변환

12.1 경도 변환 — 일부 계측기기는 측정된 경도를 다른 경도 Scale로 자동 변환할 수 있다.

N / mm2로 측정된 다른 경도 값 또는 인장 강도로의 이러한 변환은 경도 변환 표 E140에 따른다.

따라서 경도변환표 E140에 지정된 변환 값 및 모든 제한 사항보고가 적용.




12.1.1 경도 사이의 변환은 특정 제한 사항만 가능. 다른 방법으로 측정한 경도는 확립된 수학적 관계로

상관될 수 없다. Indenter 형태와 재질, Indenter 크기 및 측정된 수는 사용되는 경도시험의 유형에 따라 다르다.

12.1.2 하나의 경도를 다른 경도 또는 인장강도 단위로 변환하는 것은 재료, 준비 및 표면 마감에 따라

부정확하거나 허용되지 않을 수 있다.

12.2 인장 강도로의 변환- 응력단위 N/mm2로의 변환은 98N 이상의 하중으로 제한.

B. UCI 경도시험기 검증

13. 범위

13.1 Part B는 적합한 경도 기준 Block을 사용하여 UCI 경도시험이기의 검증 절차를 다룬다. 제조업체는

직접검증을 시행.

14. 일반 요구 사항

14.1 기기 – UCI 기기 검증 전 기기는 (1) 표시 Unit의 배터리가 방전되지 않고 (2) Indenter가 깨끗함, 즉 먼지,

Grit, Grease 또는 오일 같은 이물질이 없는지 확인.

15. 경도 기준 Block

15.1 초음파 센서로 인한 기준 Block의 진동을 피하려면 충분히 커야 한다.

직경 80mm 이상, 두께 16mm 이상인 Steel Block을 권장.

15.2 각 Block은 E18에서와 같이 특정한 경도와 필요한 균질성를 제공하고 표면 경도분포의 안정성을

제공하도록 특별히 준비되고 열처리.

15.3 시험표면은 UCI 측정에 영향을 줄 수 있는 긁힘 및 기타 불연속성이 없어야 하며 Polishing 또는 미세

연마되어야 한다. 시험면의 표면 마무리는 최대 0.4µm를 초과하지 않아야 한다.

15.4 기준 Block의 시험 표면에서 재료가 제거되지 않도록 하기 위해, 교정 시 공식 표시 또는 ±0.025 mm의

정확도까지의 두께를 시험 표면에 표시.

15.5 경도 기준 Block은 E10, E18 또는 E384에 따라 표준 및 인증된 경도시험 장치를 사용하여 교정.

기준 Block의 시험 표면에서 5회 이상 무작위 분포 경도 측정을 시행하고 모든 측정값의 산술평균을 Block의

평균 경도로 사용.




15.6 각 Block에는 (1) Scale 지정 문자(예: HV, HRC, HRB, HBW, HBS 등)가 붙은 교정 시험에서 발견된 경도

값의 산술 평균이 표시. (2) 공급 업체의 이름 또는 Mark를 표시.

Block의 가장자리가 표시되면 시험면이 위로 향할 때 글자가 똑바로 보이게 한다.

16. 검증

16.1 선택한 경도 스케일의 표준 기준 Block에 3개 이상의 측정값을 균일하게 분배하여 UCI 경도시험 장비를

점검. 사용자가 측정 중 시험하중을 적용하는 동안 오차가 발생했다고 판단하면 최대 2개의 측정이 취소될 수

있다.

16.2 x1, x2, ..., xn을 개별 측정값으로 하고 x̅를 측정 평균으로 한다 (식1 참조).

측정 평균의 계산 (x̅, 식 1 참조)은 최소 3개의 측정을 기반으로 한다.

16.3 식2를 사용하여 초음파 접촉 Impedance 기기의 성능에서 오차 E를 결정.

오차는 표5의 허용오차 이내.

16.4 계산된 오차, E 값이 지정된 공차를 벗어나면 이는 마지막 검증 이후에 실시된 경도시험이 의심.

16.5 검증을 통과하지 못한 기기는 시험에 사용되지 않아야 한다. 필요한 경우 수리한 후 확인.

17. Keywords 17.1 portable hardness testing; superficial hardness; ultrasonic contact impedance (UCI); vickers diamond indenter

부록 (추가정보)

X1. UCI 장비의 선택 및 사용에 대한 지침