[[필기자료]]Ⅰ. 기계재료 - 3. 재료의 시험과 검사 (3)

[황효숙(이레나)]

Ⅰ. 기계재료

   3. 재료의 시험과 검사 (3)

    [3]재료의 조직검사

3. 금속의 조직검사

   : 금속의 조직검사는 동일한 화학성분이라도 주조, 가공, 열처리 조직이 다르므로 결함을 파악하는데

     가장 많이 사용되고 있다. 금속의 조직을 검사하는 방법에는 육안으로 검사하는 매크로 시험법(macro test)과

     금속현미경으로 검사하는 마이크로 시험법(micro test)으로 나눌 수 있다.

 3.1 매크로 시험법

  • 10배 이내의 확대경을 사용하거나 육안으로 직접 관찰하여 금속조직을 시험하는 방법

시편

➞

연마

➞

알콜 세정

➞

건조

➞

70℃ 가열

➞

매크로부식액

➞

수세 건조

➞

현미경 조직검사

  • 매크로 조직시험에 의해 알 수 있는 사항

   ① 재료에 포함된 함유 원소의 편석에 의한 불균일한 조직

   ② 슬래그, 황화물 및 산화물과 같은 비금속 물질의 개재

   ③ 결정 입자의 크기와 결정 성장의 방향 파악

   ④ 압연 및 단조 등의 기계 가공에 의한 재료의 상태

   ⑤ 균열, 기공 또는 편석 등의 금속 결함

  • 강의 매크로 조직시험법은 KS D 0210으로 규정

  • 종류 : 파단면법, 매크로 부식법, 설퍼 프린트법

  • 매크로 조직시험에서 나타나는 조직 및 결함

구 분	조직 및 결함
강괴	파이프, 피트(pit), 편석, 수지상정 조직, 비금속개재물 등
열간가공재	균열, 홈. 결정립, 섬유조직(fiber flow)
열처리재	균열, 변형조직, 결정립, 침탄층, 질화층, 표면처리층 등
기타	용접부 조직, 열영향부, 냉간가공변형 등

  • 부식제: 철강 시료에 널리 쓰이는 것으로 염산 50ml를 물 50ml에 섞은 용액이다.

  1) 매크로 조직 검사의 종류

   (1) 파단면 검사

     • 파단면 검사법 : 검사할 재료의 끝부분 또는 목적 한 부분에 정이나 톱으로 자국을 낸 다음 해머로 쳐서 파단하고,

       그 파단면의 결정 상태, 열처리의 상태, 백점의 유무, 피로 파면 등을 검사하는 방법

     • 파단면을 관찰함으로서,

      ① 재질적인 측면 외에도 파괴 기점의 위치와 방향, 인장과 전단 하중의 종별, 그리고 피로파괴, 취성파괴 등에 대한

          판별이 가능

      ② 파단면에 생긴 슬래그(slag), 기공(blow hole), 조대한 입자도 발견

      ③ 주철에서는 회주철과 백주철의 구분 그리고 조직의 밀도 등을 판정

      ④ 가단 주철에서는 침탄 상태와 열처리의 결과를 판정하는 데 응용

   (2) 매크로 조직 시험

    • 매크로 조직 시험(macro structure detecting) : 단조 또는 압연한 강재 등의 시험편을 가공 연마하고 적당한

       부식액으로 부식하여 표면의 흠, 수지상 조직, 가공에 의한 결정립의 흐름, 기포, 편석, 개재물, 모세 균열 등을

       육안 또는 확대경으로 검출하는 시험법

    • 강재의 매크로 조직 시험법의 보기 (표)

     (가) 강산부식에 의한 매크로 조직시험

      • 매크로 부식(macro etching) : 강산부식제에 의한 강의 매크로 조직시험 방법

        - 제강품의 품질 판정, 필요에 따라서 사고 발생 손상품의 원인 규명을 위해 손상부의 횡단면에 대해 시험

        - 제강, 조괴, 분괴, 압연 또는 단조 등에서 열간 소성가공 이전에 있어서의 강재의 성상, 즉 수지상결정,

          잉곳의 종류, 중심부 편석, 파이프, 흠집 등의 내부결함과 주변 흠 등의 표층결함 검출 가능

        - 검출된 매크로 조직의 구분은 KS D 0210에서 규정

      • 강산부식에 의한 매크로 조직(그림)

                

   (나) 약산부식에 의한 매크로 조직시험

    • 약산부식에 의한 매크로 조직시험이 적용 대상

     ① 편석, 백점의 흠, 모세균열 등의 내부결함이나 균열, 금 등의 결손부를 관찰

     ② 시험편의 표면을 부식하거나 확대과장하지 않은 그대로의 상태를 매크로적으로 관찰

     ③ 탈탄층, 침탄층, 담금질 경화층의 분포, 용접부위 및 인접한 열영향 변질층의 상태나 연삭표면의 과열점 확인

       - 재료를 거시적으로 보아 문제의 위치 파악, 재료의 제조이력, 부재의 사용경력 등의 인과 관계를 고증하는 데

         매우 중요한 시험공정

      - 열처리 부품이나 용접구조재 등의 실물에 대해 표면의 큰 파손 없이 조직의 분포를 시험 검사에 이용

    • 그림: 단조과정에서 형성된 단조품의 냉간가공 조직의 흐름을 보여주는 매크로조직

              

   (3) 그 밖의 매크로 검사

    (가) 철강의 설퍼 시험

      • 강의 설퍼 시험(sulfur print test) : 화학적 검사법으로 철강재에 있는 유황(S)의 편석이나 분포 상태를 비교적

        간단하게 검출하는 방법

       - 유산수용액에 담근 사진용 인화지를 강재 단면의 표면에 밀착시켜 첩사, 강 중에 함유된 유황(S)의 분포나

         그 편석의 정도를 검사하는 매크로 시험법

       - 강산부식에 의한 매크로 시험법과 같이 강재의 결함 검출을 위한 시험법으로 중요시

       - 유황(S)은 대부분의 경우 망간(Mn)과 화합한 유화망간(MnS) 또는 유화철(FeS)로 존재

황의 편석 설퍼 프린트 시험결과

분류	기호	비 고
정편석	SN	일반 강에서 보통 볼 수 있는 편석, 황이 강의 외주부로부터 중심부로 향하여 증가하여 분포되고, 외주부보다 중심부의 방향에 짙은 농도로 착색되어 나타나는 것. 림드강의 림드 부분은 특히 착색도가 낮다.
역편석	SI	황이 강의 외주부로부터 중심부로 향하여 감소하여 분포되고, 외주부보다 중심부의 방향으로 착색도가 낮게 된 것.
중심부편석	SC	황이 강의 중심부에 집중되어 분포되며, 특히 농도가 짙은 착색부가 나타난 것.
점상편석 선상편석	SD SL	황의 편석부가 짙은 농도로 착색된 점상으로 나타난 것 황의 편석부가 짙은 농도로 착색된 선상으로 나타난 것
주상편석	SCO	형강 등에서 볼 수 있는 편석, 중심부 편석이 주상으로 나타난 것.

    (나) 주변 흠의 육안 시험

      • 주변 흠(seam laps) : 시험편의 표면을 일정한 규격으로 절삭 가공하여 흠(결함)이 되는 기포, 핀 홀 등의 흠,

         비금속 개재물에 의한 흠 등을 육안으로 검사하는 시험 방법

       - 강재의 품의를 판정할 때 적용

       - 검사 대상은 Ø50∼200㎜의 압연재를 사용

       - 원형 단면이 아닌 것은 원형 단면으로 단조 후 절삭 가공하여 시험

       - 시험 결과의 판정은 육안으로 판정할 수 있는 가공된 각 단의 피검면에 나타난 흠에 대하여 그 길이와 개수를 검사

       - 길이 방향의 거리가 0.5㎜이하이거나 서로의 간극이 0.2㎜이하인 경우는 1개의 흠으로 간주

       - 주변 흠의 생성 원인은 핀 홀, 기포, 및 비금속 개재물 그리고 모래, 벽돌, 내화물의 이물질 개재물 등에 의한

         선모양의 흠

      • 그림 : 균열예상 부위에 특수세제를 분사하여 피니언 기어에 생기는 균열을 검사하는 보기

                 

 3.2 마이크로 시험법

  • 금속을 대상으로 하는 마이크로 조직시험(microscopic testing)

   1) 광학금속 현미경 : 많이 사용

   2) SUMP법 : 대형의 부재에 사용

   3) 전자현미경 : 특별하게 상세한 관찰이 요구될 때 사용 현미경 조직 검사

  • 조직검사 방법 : 시료 채취 → 연마(가공) → 부식 → 세척 → 검사

  • 현미경 조직 시험으로

   1) 금속 입자의 크기, 모양, 배열 상태, 그리고 금속 중의 여러 가지 상과 조직을 확인

   2) 금속의 조직에 미치는 열처리의 영향, 가공 및 기타 처리의 결과를 판단할 수 있고, 또 기계적 성질과의 관계도

       추정 가능

  • 현미경으로 관찰 시험되는 부분은 아주 작은 부분에 불과하므로, 관찰 결과를 가지고 재료 전체를 판별하는 것은

    오판의 우려가 있으므로 넓은 범위를 대상으로 매크로적 관찰을 한 후, 평균적인 점에 대한 마이크로적인 관찰을

    하도록 유념

  • 그림 : 광학 금속현미경과 배율 결정을 위한 현미경렌즈

         

 3.3 연마제와 부식제

  1) 연마제

    - 많이 사용되는 것으로는 제2산화철(Fe2O3), 알류미나(Al2O3), 마그네시아(MgO)를 많이 사용하며,

      철강에는 산화크롬(Cr2O3)를 사용

  2) 부식제

주요 금속 재료의 부식제

분 류	부 식 제	용 도
철강용	질산 1~5%+ 알코올 용액	탄소강, 중․저합금강의 결정경계의 부식에 사용
	피크린산 5%의 알코올용액	탄소강, 저합금강에서 펄라이트의 부식
	피크린산 소오다액	페라이트와 시멘타이트의 판별
	염산 +피크린산+알코올	열처리강 가열(200~370도): 주철에 유효
합금강용	염화 제2철+염산+물	청동합금에 사용
	시안화나트륨+과산화암모늄의 수용액	Ni합금
알루미늄 및 그 합금용	가성소오다+물	Al 및 Al합금
마그네슘 및 그 합금	에틸렌글리콜+증류수+질산
아연 및 그 합금	5% 염산 수용액
	무수크롬산+물
연 및 그 합금	빙초산의 혼합물
주석 및 그 합금	질산 혼합물

  3.4 비파괴검사

    • 재료를 파괴하지 않고 시험하는 방법으로 재료, 구조물 중에 존재하는 결함 (불순물, 기포 및 표면의 균열 등)을

        검출하기 위하여 발달한 방법

     - 재료의 물리적 성질이 결함의 존재로 변화하는 것을 이용하여 결함의 존재를 추정하는 검사기술

     - 시험편이 아닌 직접 제품을 상대로 결과를 얻을 수 있어 신뢰도가 높음

     - 결함의 종류, 크기, 위치 또는 검사목적에 따라 검사방법이 선택되어야 하므로 폭넓은 전문 지식 요구

    • 비파괴 시험은 고압 증기 보일러, 항공기용 알루미늄 주물 및 단조품 등의 부분품을 파괴하지 않고 완성된 제품을

      대상으로 결함을 검사 가능

    • 비파괴시험법 : 방사선 투과시험, 초음파탐상시험, AE법, 자기적 탐상시험, 전기적 탐상 시험, 침투탐상시험,

      열적탐상시험, 누설시험, 광학적 시험, 진동적 탐사시험, 비파괴적 탐상시험 등

   1) 비파괴 검사의 종류

    (1) 방사선 투과시험

     • 방사선 투과시험(radiographic test : RT) 또는 방사선 탐상법시험

       : 재료에 X선 또는 코발트(60Co) 등에서 발생한 선 등의 방사선을 조사하게 되면 재료의 건전한 곳과 결함부에

         따라 투과 후의 감도에 차가 발생하는 원리를 이용하여 사진 필름에 감광시켜 결함을 찾아내는 탐상법.

      - 비파괴 시험법 중에서 객관성과 기록성이 특히 우수하며 널리 이용

      - 주강품의 방사선 투과시험방법은 KS D 0227로 규정

      - 빛과 같은 성질을 갖고 있어서 물체를 투과하는 능력이 크므로 방사선에 의한 비파괴검사에 X선과 선이 많이 사용

     • X선 탐상시험(X-ray inspection test) : X선을 투과하여 소재를 검사하는 탐상법

      - 방사선을 시료에 쬘 때 두께의 차, 화학 조성 및 조성의 불균일 결함 등이 있으면, 방사선 투과시의 선의 흡수

         정도에 차이가 생겨 그 결과 시료의 뒷면에 놓은 형광판에 감광의 차이가 생기거나 사진판 위에 명암의 차가

         생기는 원리를 이용

      - 용접부의 불량, 주물의 기공, 파이프, 판재 내부 균열, 섬유 조직 등을 검출하는 확실한 방법으로 특히 선체, 교량,

        고압용기 등의 용접부의 탐상검사에 이용

      - 그림 : 용접시료의 뒷면에 놓인 형광판에 감광의 차이가 생기거나 사진판 위에 명암의 차가 되어 나타난

         X선 탐방의 보기

    (2) 초음파 탐상시험

     • 초음파 탐상시험(ultrasonic test : UT) : 비파괴 시험법으로 초음파의 특성을 이용하여 금속 및 비철 금속 등의

        내부 결함을 탐상하는 비파괴 시험

      - 직진성이 강한 높은 주파수의 초음파를 금속에 투사하여 금속의 끝면 또는 결함부에 초음파가 도달하면 반사하는

         특성을 이용한 탐상법

      - 0.5∼20㎒ 주파수의 초음파 사용, 경합금은 3∼9㎒, 구리합금은 0.5∼3㎒, 강재는 1∼5㎒ 정도의 초음파 사용

      - 두께 100㎜ 이상의 금속도 탐상 가능

      - 주파수가 높아지면 감도는 증가하여 미소결함도 검출할 수 있으나, 투과력이 약해지므로 지나치게 높은 주파수는

        사용하지 않음

      - X선법과 비교하여 경제적, 신속한 결함 위치 판별가능, 대형 강재에도 응용결함의 모양 판별 불가, 시료 표면의

        결함은 발견하기 어려움

     • 그림 : 초음파 탐상 시험의 보기와 초음파 탐사파형의 보기로 (a)는 결함이 없는 경우이고,

                 그림 (b)는 주물의 결함으로 기포가 있는 경우의 반사파형의 보기이다.

    (3) 자분 탐상시험

     • 자기 탐상법(magnetic inspection) 또는 자분 탐상시험(magnetic dust test)

      : 자성체 재료의 표면 가까이에 균열이 있을 때에 그 재료를 자화하면, 균열이나 비금속개재물 등의 결함이 있는

        것은, 결함의 근처에서 자속이 통과하기 어려워 표면으로부터 외부로 새어나가, 자속이 새는 부분이 생기는 원리를

        응용한 검사법

      - 오래 전부터 많이 이용, KS D 0213으로 규정

      - 자화된 철강 재료에 강자성체의 분말을 뿌리거나, 이것을 강자성체 분말의 액체 속에 담그면 결함이 있는 곳에

        누설 자장이 생겨 여기에 미세한 자성체 분말 또는 형광 자분액이 몰려 결함의 소재 위치 파악 가능

   

      - 재료에 결함이 있을 때 자속선에 방향의 변화가 생기는 현상을 이용한 방법으로 미세 철분을 착색하여 여러 가지

        색깔로 할 수 있으며 시험물에 따라 색깔을 조절

      - 재료를 자화는 영구 자석 또는 전자석 이외에 코일 및 전극을 사용

      - 자기 결함 검사 후에는 탈자 작업(demagnetizing)이 필요

      - 자분탐상법의 종류

       (1) 습식성(Wet method) : 자분과 등유를 혼합한 매액을 사용, 널리 사용,

       (2) 건식법(Dry method) : 건조 상태에서 자분만 뿌리는 방법

     • 그림: 자장의 형성과 자기탐상

 3.5 금속 재료의 감별법

  1) 불꽃 시험

    • 생산 현장에서 많이 활용되고 있는 철강재의 감별법

     (1) 그라인더 불꽃 시험법 : 강재를 그라인더로 연마하여 그때 발생되는 불꽃의 분열 상태와 색상 등에 의하여 비교적

          쉽게 강의 종류를 판별하는 방법

     (2) 분말 불꽃 시험법 : 시험편을 줄로 쓸어서 가루를 만들고, 이것을 소형 전기 가마 또는 불꽃 중에 낙하시켜서

          감별하는 방법, 그라인더법보다 불꽃을 잘 관찰할 수 있음

    • 불꽃의 모양과 특징

     - 불꽃을 관찰할 때에는 불꽃의 뿌리, 중앙, 선단 부분의 유선의 색, 밝기, 길이, 굵기, 개수 등을 그리고 파열색과

       모양, 크기, 단수 등의 특징을 주의 깊게 관찰, 표준 시편의 불꽃 등과 비교하여 강의 종류를 추정

     - 불꽃의 뿌리 부분에서는 C, Ni을, 중앙의 유선 부분에서는 불꽃의 밝기와 모양이나 개수에 따라 C, Ni, Cr, Si를,

       선단에서는 유선의 끝 모양, 색상, 파열로부터 C, Mo, W, Cr 등의 함유량 추정 가능

  2) 표면 경화층 및 탈탄층 깊이 측정 검사

    • 표면 경화층 및 탈탄층 깊이 측정 검사법 : 침탄, 질화 또는 고주파경화 등의 표면 처리한 기계부품의 표면 경화층과

       열간 압연, 열간 단조 또는 열처리 등으로 고온에서 가열한 강재표면의 탈탄층 깊이를 측정하는 방법

      - 강의 침탄 경화층 깊이 측정방법은 KS D 0215, 강의 탈탄층 깊이 측정방법은 KS D 0216으로 규정

     (1) 강의 침탄 경화층 깊이 측정

       : 강의 경화층 중에서 특히 침탄 후 담금질 또는 질화 후 담금질한 경우의 경화층 깊이를 측정하는 방법

        - 측정방법 : ① 경도시험, 매크로 조직시험, ② 화학분석시험, ③ 현미경조직시험

            → 일반적으로 경도와 매크로 조직시험에 의한 방법이 채용

     (2) 강의 탈탄층 깊이 측정 검사

       ① 현미경 조직시험, ② 경도시험, ③ 화학 분석시험,

       ④ 불꽃 시험, ⑤ 쇠줄 시험, ⑥ 파면 시험, 부식 시험 등

[정리하기]

  • 금속의 조직검사는 동일한 화학성분이라도 주조, 가공, 열처리 조직이 다르므로 결함을 파악하는데 가장

    많이 사용되고 있다. 금속의 조직을 검사하는 방법에는 육안으로 검사하는 매크로 시험법(macro test)과

    금속현미경으로 검사하는 마이크로 시험법(micro test)으로 나눌 수 있다.

  • 비파괴검사는 재료를 파괴하지 않고 시험하는 방법으로 재료, 구조물 중에 존재하는 결함 (불순물, 기포 및

    표면의 균열 등)을 검출하기 위하여 발달한 방법으로 재료의 물리적 성질이 결함의 존재로 변화하는 것을

    이용하여 결함의 존재를 추정하는 검사하는 기술이다.

  • 비파괴시험법에는 방사선 투과시험, 초음파탐상시험, AE법, 자기적 탐상시험, 전기적 탐상 시험,

    침투탐상시험, 열적탐상시험, 누설시험, 광학적 시험, 진동적 탐사시험, 비파괴적 탐상시험 등이 있다.

홀로서기가 아닌 함께 만들어가는 카페를 지향하며 여러분의 적극적인

활동을 부탁드립니다.