[재료과학과 공학] 9장 전위와 강화 기구 (4)회복, 재결정 및 결정립 성장

회복(Recovery), 재결정(Recrystallization), 결정립 성장(Grain growth)에 대해서 알아보겠습니다.

이는 열처리를 통해서 재료를 가공 전 상태로 복구하는 방법들입니다. 

회복, 재결정 및 결정립 성장

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회복

회복과정은  높은 온도에서 활발해진 원자 확산에 따른 전위의 움직임에 의해 내부에 저장된 변형률 에너지가 제거됩니다. 이때 전위의 움직임은 외부의 작용 응력은 없는 상태에서 일어난다. 전위 수는 감소하게 되겠고, 남은 전위들의 배열도 낮은 에너지(변형률 에너지)를 갖는 배열로 바뀌게 됩니다. 전기 전도도, 열전도도도 가공 전 상태로 회복되게 됩니다.

변형에너지: 변형을 일으키기 위한 일을 하기 위한 능력

 

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재결정

재결정: 가공 전 상태의 특징인 낮은 전위 밀도를 갖는 변형률이 없는 새로운 등방향 결정립을 형성하는 것을 말한다.

재결정은 시간과 온도의 함수이다. 특정 금속 합금의 재결정 거동(특징)은 재결정 온도로 규정하게 되는데, 재결정 온도는1시간 안에 재결정이 완결되는 온도를 뜻합니다.

그리고 재결정은 합금보다 순금속에서 더 빠르게 일어난다는 특징을 갖습니다.(합금은 아무래도 등방향 결정립을 형성하는데 어려움이 있겠죠?) 그렇기 때문에 합금 원소를 첨가하게되면 재결정 온도가 높아지게 됩니다.

재결정 온도 이상에서 소성 가공을 열간 가공이라고 합니다. 이때는 무르고 연하기 때문에 많은 변형을 일으킬 수 있게 됩니다.

 

 

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결정립 성장

재결정이 완료된 후 시편을 높은 온도에 놓아둔다면 결정립은 성장을 계속하게 된다. 이를 결정립 성장(Grain growth)이라고 부릅니다. 회복이나 재결정 과정이 결정립 성장의 선취조건이 아니기 때문에, 결정립 성장은 모든 금속 및 세라믹과 같은 다결정 재료에서 일어나게 됩니다. 결정립계(Grain boundary)의 면적이 클수록 높은 에너지를 가지게 되고 따라서 결정립 성장의 구동력은 결정립 크기가 증가함에 따라 총 입계 면적이 감소하여 에너지가 낮아지는 효과입니다. 이때, 모든 결정립이 성장하는 것은 아니며, 작은 결정립은 소멸되고, 큰 결정립들이 성장을 계속하기 때문에 평균 결정립 크기는 시간에 따라 증가하게 됩니다.

수식은 아래와 같습니다.

 

 

결정립 성장 수식

대부분의 다결정 재료에서 시간 t에 따른 결정립 지름 d의 관계는 위의 식으로 표현됩니다. d0는 초기(t=0)결정립 지름이고, K와 n은 시간에 의존하지 않는 상수이며, n은 일반적으로 2와 같거나 큽니다.(문제에서 보통 2로 줍니다. 계산때문에) 

보통은 K값을 모르니까 어떤 상황에서의 다른 값들을 모두 주고 K값을 구하게 한 후, 그 정보를 통해서 몇분간 몇도에서 가열했을 때 지름은 몇일까? 라는 문제가 출제가 됩니다. 수식만 알아둡시다. ~

 

 

열처리과정

 

길고 긴 9장 전위와 강화 기구를 마쳤습니다. 전체적으로 내용들이 단원내에서 연결되는 부분이라 유기적으로 학습하심이 좋을 것 같습니다. 10단원은 파손에 대해 알아보겠습니다. 감사합니다.