1. 개요
경도(硬度)는 물질의 성질 중 하나이며 크게 두 가지를 뜻한다. 하나는 고체 물질의 굳기이며, 또 하나는 물에 녹아 있는 무기염류의 농도이다.2. 고체에서
Hardness, 굳기.쉽게 말해 표면의 딱딱한 정도인데, 엄밀히는 정의가 안된 성질. 고체에 힘이 가해졌을 때 영구적인 변형에 저항하는 정도라 뭉뚱그려 정의된다. 쉽게 얘기하면 긁혀서 자국이 남는 것에 저항하는 정도. (높을수록 긁혔을 때 흠집이 잘 나지 않는다).
경도가 높은 것은 초경재료라고 한다.
내마모성과도 관련이 있지만 같지는 않다. 이에 대해서는 도검용 강재 문서의 칼날 유지력 문단을 참조.
글자는 비슷하지만, 강도(strength)와는 다르다.[1] 강도의 경우 물체에 걸린 단위면적당 하중에 대해 영구변형 혹은 파괴되지 않는 힘의 한계를 의미하고 그 단위 자체가 압력의 단위와 동일하게 명확하게 정의되는 데 비해 경도는 얼마나 딱딱한 가를 나타내는 의미이지만 명확한 단위 기준 같은 게 존재하지 않고 그 때문에 경도의 측정 방법은 아래에서와 같이 제각각인 경우가 많다. 다만 강도 중 압축강도와 경도는 대체로 상당히 밀접하게 연관되어 있다.
친근한 예로 우리 치아는 모스 경도계 기준으로 경도가 5다. 강철 경도가 4이므로 치아가 훨씬 딱딱한 것이다. 치과에서 스테인리스 스틸로 만든 도구로 치석을 벅벅 긁어내도 치아의 에나멜질이 상하지 않는 이유는 치아가 더 딱딱하기 때문이다. 그러나 밥을 먹는 중에 음식 안에 섞여있던 강철 조각을 씹으면 치아가 부서질 수 있다. 강철의 강도(대개 350~420 MPa)가 치아(대개 44~98 MPa)보다 훨씬 높기 때문이다.
경도와 강도는 비례하지 않는다. 석고는 강도와 경도가 둘 다 낮고, 강철은 강도와 경도가 둘 다 강하다. 그러나 금속이나 아크릴 판처럼 강도는 강해도 경도는 낮은 것도 있고 유리 등 그 반대의 경우도 있다. 하지만 탄소강처럼 강도와 경도가 비례하는 경우도 있는데, 탄소강의 경우 강도의 3배 정도가 경도로 알려져 있다. 단, 경도계수가 인장강도나 항복점에 비례하는 경우 자체는 흔하다. 특히 합금의 BHN이 금속의 인장강도에 비례하는 경우는 많다.[2]
자연 물질 중에서 최상급의 경도를 가지는 것은 다이아몬드. 일찍이 모스 경도계에서 최상급인 10으로 자리매김하고 있다. 다만 다이아몬드는 강도로서는 최상급이 아니다. 강도의 정의에는 여러가지가 있으나, 대표적인 강도 기준의 하나인 항복강도(yield strength)[3]와 인장강도(tensile strength)[4]는 고강도 강과 비슷한 수준이다 (다이아몬드: 1600 MPa와 2800 MPa, 마르에이징 강: 2617 MPa와 2693 MPa) 재료별 항복강도 / 인장강도 참고.[5] 다만 인장강도가 강도의 일부일 뿐이며, 콘크리트처럼 인장강도는 꽝이지만 압축강도는 대단히 높은 물질도 있다는 점은 고려해야 한다. 그 밖에 경도와는 직접 연관은 없지만 파괴에 버티는 정도[6]인 인성(Toughness)이 낮아서 비교적 잘 깨진다. 다이아몬드가 비교적 잘 깨지는 이유는 분자구조상의 결함 등으로 인한 인장/전단강도의 저하와 지나친 강성으로 인해 충격인성이 떨어지기 때문에 그런 것이다.[7]
또한 강도와 마찬가지로 경도도 방향성을 갖는다. 이러한 방향성은 광물결정에서 두드러지게 나타나며, 일부 초경재료가 이러한 큰 경도 방향성을 가진형태로 존재한다.
2.1. 측정 방식
힘을 가했을 때 물질의 반응은 제각각이기 때문에, 경도 측정에는 여러 방식이 있다. 주로 쓰이는 방식은 다음의 3가지 방식이다.- 긁어서 측정
긁었을 때 얼마나 잘 버티는가를 측정하는 방식이다. 딱딱한 물체는 부드러운 물체로 긁어도 자국이 안난다는 점을 이용한 것이다. 광물학에서 쓰이는 모스 경도계가 이 방식을 쓰는 대표적인 측정법이다. 구체적인 수치를 제시하는 것은 아니지만 어느 물질이 더욱 경도가 강한지, 긁히는지 여부를 손쉽게 결정할 수 있어서 진위여부가 중요한 보석/장신구류의 파괴검사에 사용된다. 다이아몬드의 진위를 따지기 위해 보라존 탐침으로 찌르는 것이 대표적이다.
- 눌렀을 때 파이는 정도를 측정
측정 대상을 눌렀을 때 파이는 정도를 측정하는 방식이다. 공학이나 야금학에서 많이 사용되는데, 이들 분야에서는 압력에 대해 버티는 정도에 관심이 많기 때문이다. 로크웰 경도계, 비커스 경도계, 쇼어 경도계, 브리넬 경도계, 누프 경도계 등이 이 방식으로 경도를 측정한다. 이들 경도계를 사용하면 경도를 비교적 손쉽게 인장강도로 전환해서 계산할 수 있다. 보통 인텐터를 물체의 표면에 접촉시켜 각인된 형태를 측정한다.
로크웰 경도계. 원뿔 모양 다이아몬드나 강철 구로 정해진 힘만큼 누른다음, 남은 자국의 깊이를 잰다. (출처: 위키피디아)
브리넬 경도계. 직경 1cm의 강철이나 탄화텅스텐 구슬로 정해진 힘만큼 누른다음, 남은 자국의 지름을 잰다.
2.2. 높이는 법
위에서 서술한 것 처럼, 경도 또한 강도처럼 원자간 결합의 강도와 배열에 영향을 받는다.금속의 경우 강도를 개선하는 방법과 크게 다르지 않다. 금속결합의 특징을 이용하여 물리적으로 압축하거나 열처리를 통해 배열을 바꾸거나, 다른 원소를 첨가하여 화학적 조성을 바꾸어 개선하는 방식들이 있다.
3. 액체에서
물에 녹아 있는 칼슘, 마그네슘 등 무기염류의 농도를 경도로 부르기도 하는데, 이에 따라 단물/센물이 갈린다.기준은 다음과 같다.
- 단물(연수): 무기염류 함량 75 mg/L 미만
- 약한 센물(아경수): 무기염류 함량 75 mg/L 이상, 150 mg/L 미만
- 센물(경수): 무기염류 함량 150 mg/L 이상, 300 mg/L 미만
- 매우 센물(초경수): 무기염류 함량 300 mg/L 이상
화강암질인 한국은 대부분의 먹는 물이 단물이지만, 석회질이 많은 유럽이나 중국 쪽은 먹는 물이 센물인 경우가 많다. 이 때문에 유럽에 가면 연수기나 세탁기용 용제 등을 많이 볼 수 있다.
[1] 사실 재료공학 관련 교육을 제대로 받지 않은 일반인들은 강도/강성/경도/탄성/소성/인성/전성/연성 등의 재료 물성에 대한 개념들을 잘 구분하지 못한다. 대표적인게 강도와 강성을 헷갈리는 경우이다.[2] 대체로는 비례하지만, 차이는 있다. 스테인레스강의 경우, 다른 철합금과 같은 인장강도를 갖더라도 경도수가 더 높게 나오기도 한다.[3] 재료이 소성변형(탄성 변형의 반대로, 원상복구되지 않는 변형) 되기 직전까지의 버티는 강도이다.[4] 재료를 잡아 당겨 완전히 끊어질 때까지 걸리는 힘이다.[5] 여기서 나온 것 중 인장강도가 가장 높은 물질은 그래핀. 탄소나노튜브가 그 뒤를 잇고 있다. 동생들 나빠요[6] 정확히는 부피당 견뎌낼 수 있는 외부 압력에 따른 변형 에너지(J/m^3)로 정의된다.[7] 동일 강도의 재료라도 강성이 10배인 재료는 내충격성이 1/10에 불과하다.[8] 해머가 낙하할 때 해머와 시료에 전혀 영구변형이 없으면 해머의 위치에너지가 변형에는 소모되지 않게 되고, 시험재료가 내는 소리에너지와 열에너지, 해머에 대한 공기저항에 의한 손실만 있게 되어 위치 에너지가 거의 그대로 보존되기 때문에 해머가 떨어뜨릴 때의 높이와 거의 같은 높이만큼 튀어오른다.