금속재료 개론 #1

1 금속원자의 특징
 1) 금속 원자의 최외각 전자들은 자유전자
   - 금속 원자들은 이 자유 전자들의 작용으로 결합되어 있다.
   - 금속이 변형되거나 열과 전기가 잘 통하고 광택이 나는 것은 자유전자 때문에 일어나는 현상
  2) 금속은 원자들이 규칙적으로 쌓여있는 결정체
   - 체심 입방 격자 ; BCC
   - 면심 입방 격자 ; FCC
   - 조밀 육방 격자
   - 최소 단위를 단위포 또는 단위격자라 함
   - BCC보다 FCC가 원자들이 치밀하게 배열되어 있음
   - 탄소원자가 자유롭게 침입할 수 있는 공간을 가진 상태는 FCC 상태이며 이때 탄소의 침입이 발생한다..

2 금속의 결함
 1) 결함의 발생

   - 실제의 결정속에는 많은 결함들이 있고, 결함의 종류는 점결함, 선결함, 면결함이 있다.

 2) 결함의 종류

   ① 점결함의 종류 ; 결함 주위의 결정은 왜곡되어 있음
     - 공공
     - 침입형 원자
     - 치환형 원자
   ② 선결함
    - 칼날 전위
    - 나사 전위
    - 복합 전위

 3) 전위의 발생(disloacation)
   - 금속속에는 공공과 경계면이 존재하고 이 공공과 경계면에서 전위가 생긴다.
   - 전위선의 끝 부분이 표면에 나타나기도 하고, 전위환의 모양으로 나타나기도 한다.
   - 전위 주위에 응력이 존재한다.
   - 전위가 증가하면 응력이 증가하고 전위가 감소하면 응력도 감소한다.
 4) 결정립계

   - 결정립과 결정립 사이를 결정립계라고 함

   - 결정립계 사이에는 상당량의 각종 결함이 있다. -> 변형저항으로 작용

3 실제 금속의 내부구조(응고)
 - 물을 매우 천천히 냉각하면서 열분석 곡선을 그려보면 물이 얼음으로 변하는 온도, 즉 상태가 변하는 온도에서 수평선이 생긴다.
 - 열분석 곡선에서 수평선이 나타나는 온도는 상태변화가 일어난다는 뜻이므로, 금속의 상태 변화를 알기 위해서는 열분석 곡선을 구하면 된다.
 - 실제로 금속을 냉각하면 응고 온도에서 응고하기 시작하는 것이 아니라, 응고온도보다 약간 낮은 온도에서 응고하기 시작한다. 과냉이 일어난다.
 - 빨리 냉각할수록 과냉도가 커지고 과냉도가 클수록 핵이 많아지고 핵이 많을수록 결정립의 크기는 작아진다.
 - 합금은 수지상정을 형성하면서 응고한다.
 - 금속을 긍고하면 벽에서 칠층→주상정→입상정
  * 주상정은 방향성을 가지고 있으므로 기계재료로 사용하면 안됨
  * 입상정 조직을 사용하여야 하며, 응고조직이 입상정조직이 많게하는 것이 좋음
  * 결정립계는 불순물과 공간이 많이 존재하므로 약하게 결합되어있다.
​
참고)
 - 적열취성(red shortness)
  * 강속에 다량 함유된 유황 때문에 발생
  * 철과 결합하여 황화철(FeS)을 생성함
  * 황화철은 결정립계에 모여있고 낮은온도에서는 고체상태이나, 가열되면 액체상태로 변한다.
  * 이로인해 결정립들이 액체위를 미끌어지면서 이동하는 slip이 발생하여 파괴된다.
 - 저온취성(cold shortness)
  * 인이 많이 함유된 강에서 많이 발생됨
  * 철과 인은 결함하여 인화철(Fe3P)를 생성함
  * 인화철이 충격이 발생할 경우 이 인화철이 깨저서 균열이 발생하고 이로인해 재료가 파괴됨.
  * 금속을 응고한 후 기계부품으로 사용하려면 균질화 처리하여 사용하여야 한다.
 - 균질화 ; 강재 전체의 성분이나 조직, 결정립의 크기등을 균일하게 만드는 방법.
  a) 응고한 강재를 고온에서 압연이나 단조하여 수지상정을 파괴한다.
  b) 결정립계에 있는 불순물을 매우 작은 크기로 잘게 부수고, 공간들도 압축하여 제거한다.
  c) 응고조직을 파괴한 후 적당한 온도에서 가열하면 재결정이나 확산현상이 일어나서 다른 조긱으로 변한다.

4 원자의 이동(확산)
 - 크기가 비슷한 원자들은 공공형 확산을 하고 크기가 매우 다른 원자들은 격자간 확산을 한다.
 - 확산하는 과정에는 많은 에너지가 필요하다.
  에너지=열(가열)
 - 확산온도는 용융온도와 비례한다. 확산온도는 용융온도의 2/3이상이다.

5 금속의 변형과 전위
 - 변형 ; 전위에 의해 조금씩 연속적으로 발생한다. 원자 전체가 동시에 일어나는 현상이 아니므로 원자간 결합에너지와 변형에너지에는 차이가 있다.
 - 금속은 칼날전위, 나사전위, 혼합전위에 의해 소성변형된다.
 - 동일한 슬립면에서 반대 부호의 전위가 만나면 두개의 전위가 소멸하고 완전 결정으로 된다. 그러나 같은 부호의 전위가 접근하면 응력이 더욱 증가한다. 그러므로 동일한 슬립면에서 같은 부호의 전위가 접근하는 것은 반발하고 다른부호의 전위가 접근하는 원한다.
 - 전위가 상승 또는 하강하면서 전위선이 위아래로 이동한다.
 - 교차하는 두 슬립면에서 두 전위선이 만나면 조그를 만들면서 통과한다.
 - 세 방향으로 향하던 전위선이 만나면 움직이지 않는 고정점이 생긴다. 전위가 많이 집적된 곳에 전위망이 생긴다.
 - 금속은 전위가 증식되면서 소성변형된다. 즉, 전위로 변형이 일어나는 동시에 전위가 발생한다(후랭크 리드 원)

6 금속의 성질이 변하는 기본원리
 1) 금속을 강하게 하는 방법
   - 전위를 고착시켜 변위가 발생하지 않도록함(코트렐효과)
   - 가능한 전위의 이동을 방해함.

 2) 합금에 따른 강도 조절 방법
   - 합금의 결정구조가 왜곡될수록 강도는 증가.
   - 딱딱한 석출물은 전위의 이동을 방해하여 강도는 증가.
   - 석출물 사이가 가까울수록 강도가 증가
   - 석출물의 모양에 따라 강도가 변함(원형 < 길이형)
   - 결정립계는 전위의 이동을 방해한다. 결정립의 크기가 작을수록 결정립계의 총길이는 길어지므로 강도가 증가함.

 

#용어정리
 - 고용 : A금속과 B금속을 합금하였을 때, 두 금속의 원자들이 고체 상태에서 균일하게 섞여 있는 현상
 - 고용체 : 고용에 의해 합금된 합금
 - 고용도 : A금속에 고용될 수 잇는 B금속의 최대량
 - 금속과 금속을 합금하였을 때 생기는 고용체 종류
   * 치환형 고용체
   * 침입형 고용체
 - 고용도에 따라 합금 상태는 달라진다.
   * 고용도 이하→고용체만 존재
   * 고용도 이상→고용체+석출물