[재료과학과 공학] 9장 전위와 강화 기구 (3)금속의 강화기구

금속의 강화기구

이번 시간에는 금속의 강화기구에 대해 알아보겠습니다.

 

강화기구(strengthening mechanism)는 전위와 재료의 기계적 거동 사이의 관계를 기초로 합니다. 

경도와 강도는 소성변형의 용이성과 관련이 있기에, 금속 내부에서 전위의 이동을 방해함으로써 기계적 강도를 향상할 수 있다.  따라서 강화 기구는 전위의 움직임을 방해할수록 재료가 더 단단하고 강해진다는 원리가 있다고 받아들이면 이해가 더 수월할 것입니다.

 

 

결정립 미세화에 의한 강화

 

결정립의 크기는 다결정 금속의 기계적 성질(강도, 경도 등)에 영향을 줍니다.

결정립계가 전위의 이동을 방해하는 이유는 크게 2가지입니다.

1. 두 결정립의 결정 방향이 다르므로, 전위가 결정립 B로 넘어가기 위해서는 이동 방향을 바꾸어야 합니다. 결정 방향의 차이가 클수록 전위의 이동은 더 어려워지겠죠. 

2. 입계 부위에서는 원자가 무질서하게 위치하므로 한 결정립의 슬립면은 다른 결정립의 슬립면에서 연속해서 이어지지 않는다는 점.

 

결론적으로 미세한 결정립을 갖는 재료는 전위의 이동을 방해하는 결정립계(입계)의 면적이 더 크므로 미세한 결정립 재료가 더 단단하고 강합니다.

• 결정립: 일정한 방향으로 쌓인 결정 격자 모임
• 결정립계(입계_):결정이 쌓인 방향이 달라서 결정립이 마주치는 경계

 

 

고용체 강화

고용체 강화는 침입형 또는 치환형 고용체 합금을 이용하는 방법입니다. 고순도의 금속은 합금보다 항상 연하고 약합니다. 그래서 이종원소(impurity atom)의 농도를 증가시킨다면, 인장 강도와 경도는 증가하게 되겠습니다. 예를 들어 순수한 구리보다 구리-니켈 합금의 강도와 경도는 니켈의 농도 증가에 따라 늘어남을 확인할 수 있습니다.

니켈-구리 합금

고용체 강화의 경우에도 마찬가지로 전위의 움직임을 이종 원자가 방해하여 합금을 소성변형시키려면 더 큰 응력이 요구되는 원리입니다.

간단하게 설명하자면 이종원자는 에너지를 필요로 하기 때문에(인장 변형률을 발생시키기 때문), 순수 금속에 대비해서 합금이 더 많은 에너지를 필요로 하는 것입니다.

 

 

변형 경화

변형경화란 연성 금속이 변형을 일으킴에 따라 점점 더 단단해지는 현상입니다. 냉간 가공(cold working)은 변형이 일어나는 온도가 금속의 융점보다 상대적으로 낮기에 가공 경화라고도 부릅니다. 예를 들어보면, 금속을 소성 변형시키고 응력 제거 후에 다시 응력을 가해보면 전보다 더 높은 항복강도를 가지게 되는 것을 말합니다.

이 변형 경화효과는 어닐링 열처리에 의해 제거될 수 있다는 점을 알아두면 되겠습니다.

• 어닐링: 냉간 가공의 효과를 제거해 원래의 연한 상태로 회복시키는 열처리 방법. 연성을 다시 회복하여 다시 냉간 가공을 할 수 있게 만드는 과정입니다. 금속을 다듬는 과정에서 높은 온도로 가열하고 식히는 담금질 과정을 떠올리면 되겠습니다.

어닐링(annealing)

 

이러한 세가지 강화기구는 동시에 작용할 수도 있습니다. 고용체 강화 재료가 변형 경화를 일으킬 수도 있는 것이지요.

 

강의 재결정과 기계적 성질

 

다음시간에는 회복, 재결정 및 결정립 성장에 대해 알아보고 9단원을 마치겠습니다. 감사합니다.