금속재료 일반

1. 일반적 성질

금속은 고체상태에서 집합체의 결정으로 되어 있고 원자의 결합방법에 따라 금속결합, 이온결합, 공유결합, 분자결합으로 분류되며 멘델레프의 원소주기율에 따라 같은 족의 원소는 성질이 비슷하며, 원자량 순서에 따라 규칙적으로 변화한다. 자연계 중에 존재하는 원소 중에서 불활성가스 원소, 할로겐족 원소, 그 밖에 O, S, N, C, H 등을 제외한 68 종의 원소가 금속이다.

금속이 가지는 일반적인 성질은 다음과 같다.

o 상온에서 고체이며 결정체이다.

o 열과 전기의 양도체이다.

o 비중이 크고 금속적 광택을 갖는다.

o 이온화하면 양이온이 된다.

o 연성과 전성이 우수하다.

2. 금속결합과 결정구조

1) 금속결합

금속결합은 바깥쪽의 s 와 p 궤도에 불과 몇 개만의 전자를 가지는 원자들 간에서 일어난다. 이온결합과 공유결합과는 달리 금속내의 결합전자는 근본적으로 속박되지 않는 자유전자를 가지고 있는데 이러한 자유전자로 높은 전기전도도와 열전도도를 설명할 수 있다.

금속결합의 가장 간단한 모형은 각 원자들이 외각전자를 버려서 양이온이 되고 이들 양이온이 버려진 전자의 구름으로 둘러싸여 있는 기하학적 배열로 되어있다. 이러한 자유전자는 입사하는 광량자를 흡수했다가 낮은 에너지상태로 떨어지면서 에너지를 방출하기 때문에 금속은 불투명하다. 강한 방향성결합도 없고, 국소적 전하의 중성요건도 없어서 금속원자들이 아주 쉽게 미끄러질 수 있기 때문에 소성변형이 쉽다.

2) 결정

모든 금속과 세라믹 재료의 대부분 그리고 약간의 플라스틱은 액체에서 고체로 변화할 때 즉 응고할 때에는 결정화를 하게 된다. 결정이란 장범위 규칙을 만족하는 주기성을 가진다. 이로 인하여 한 부분의 원자배열은 3 차원상 공간으로 규칙적인 간격을 두고 계속하여 반복된다.

3) 결정계(Crystal System)

아래의 그림과 같이 3 개의 좌표축을 A, B, C 그 사이의 각을 α, β, γ라 하고 축상의 단위길이를 a, b, c 라고 하면 이들 단위길이와 각 사이에는 7 종류의 조합이 생기는데 이를 결정계(Crystal System)라고 한다.

그리고, 결정계의 기본이 되는 최소단위의 공간형은 14 개로 나눌 수 있으며 이를 Bravis 격자라고 한다.

4) 금속결정의 단위격자

금속원소는 비교적 단순한 결정구조를 가지는 것이 많으며 대부분 BCC, FCC, HCP 중 한가지에 속한다. 이 배열 중 FCC 와 HCP 가 BCC 보다 조밀 하다.

1) 체심입방격자(Body Centered Cubic Lattics, BCC)

    Ba, Cr, Cs, Fe, K, Li, Mo, Nb, Rb, Ta, V

2) 면심입방격자(Face Centered Cubic Lattics, FCC)

    Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ir, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Sr, Th

3) 조밀육방격자(Close Packed Hexagnal Lattics, HCP)

   Be, Cd, Co, Hf, Mg, La, Ti, Te, Zn, Zr

금속의 결정은 0K 에서 녹는 온도까지 같은 결정구조를 갖는 것이 보통이나 일부 금속의 경우 온도에 따라 다른 결정구조를 갖기도 한다. 이와 같이 결정구조가 외적인 조건에 따라 변하는 것을 변태(Transformation) 또는 동소변태(Allotropic transformation)라고 한다. 온도 변화에 따라 변태가 일어날 때 그 온도를 변태점이라고 한다. 예를 들면 철은 상온에서는 BCC 구조이나, 900℃에서는 FCC 구조로 바뀌며 1400℃에서는 다시 BCC 구조를 갖는다. 다음은 금속의 동소변태와 변태점을 나타낸다.

3. 기계적 성질

재료에 기계적인 힘을 가하면 모양이 달라지고 어떤 경우에는 파괴가 된다. 이러한 재료의 기계적인 성질을 아는데 특히 중요한 것은 응력(Stress)과 변형(Strain)이다. 인장시험을 하면 힘의 크기와 시험편의 늘어난 정도를 얻을 수 있다.

인장력은 시험편의 단면의 단위면적당 힘의 크기로 나타내어 이를 응력이라고 하고 처음 길이를 기준으로 하여 늘어난 정도를 백분율로 표시한 것이 변형이라고 한다.

σ = F / A

ε = Δl / l

이 응력이 변형사이의 변화를 나타내는 그림을 응력-변형곡선(Stress-strain curve)라고 한다.

실제로 모든 BCC 전이금속은 연강과 비슷한 곡선으로 나타나고 소성변형을 나타내는 거의 모든 결정질재료(FCC, HCP 금속, 이온결정 등)은 알루미늄과 같이 정성적으로 비슷한 곡선을 나타낸다.

요업재료, 콘크리트, 몇가지 금속(주철과 고강도강)과 같이 취약한 재료의 경우 탄성영역에서 파괴가 일어날 수 있으며 거시적인 소성변형은 나타나지 않는다. 이러한 재료들의 최대탄성변형은 보통 0.5%이하이다. 고무와 같은 고분자재료는 때때로 100%이상의 탄성변형을 나타내기도 한다.

1) 탄성변형과 소성변형

응력-변형곡선을 2 부분으로 나눌 수가 있는데 힘을 제거하면 힘을 가하기 전의상태로 돌아오는 탄성변형(Elastic deformation)의 영역과 힘을 제거한 후에도변형이 영구적으로 남는 소성변형(Plastic deformation)의 영역이 있다.

(1) 탄성변형

탄성변형의 영역에서는 변형은 응력에 따라 가역적이다. 응력과 변형이 정비례가 되며 Hook 의 법칙이 적용된다.

σ = Eε

여기서 E 는 탄성율(Young’s modulus) 또는 탄성계수라고 한다. 이 값이 높다는 것은 비교적 단단하여 휘지 않는다는 것이다. 또한 이 값은 온도에 영향을 받는다.

변형이 세로방향으로 생기면 가로방향으로는 수축이 생기는데 이를 포아송비(Posson’s ratio)라고 한다. 금속일 경우 포아송비는 보통 0.2 ~ 0.4 이다.

(2) 소성변형

소성변형은 응력이 일정한 한도를 넘어서 원자가 그 이웃원자로부터 영구적으로 이동함에 따라 발생하는데 이는 비가역적이다.

소성변형이 일어나기 시작하는 부분을 항복점이라고 하며 항복점에 해당하는 응력을 항복강도(Yield Strength)이라고 한다. 그러나 항복현상이 명백히 나타나지 않는 경우에는 0.2%(0.1% 또는 0.5%)의 변형량을 탄성변형에 평행하게 만든 직선과 응력-변형량선도와 만나는 점으로 결정한다.

견딜 수 있는 최대응력값은 인장강도(Tensile Strength) 또는 극한인장 강도(Ultimate Tensile Strength)라고 하며 UTS 라고 쓰기도 한다. 인장강도를 넘어 재료가 파단되었을 때의 변형량 크기를 연신율(Elongation)이라고 부르며 이값으로 연성을 나타낸다.

2) 강도

재료에 따른 강도의 특성이 커다란 차이가 있는데 이는 다음과 같다.

o 재료의 강도는 일반적으로 탄성계수에 비례

o 재료의 강도는 미세조직에 크게 좌우

o 재료의 강도는 시험온도와 절대용융온도 Tm 과의 비에 좌우

재표의 강도를 측정하는 방법으로 인장시험, 압축시험, 굽힘시험 등이 있다. 인장시험은 원통형 또는 판형의 규정된 시험편을 사용하여 시험기에 고정한 후 파단시까지 잡아당겨 얻어진 단면적과 힘으로 구한다. 굽힘시험에는 굽힘에 대한 저항력을 조사하는 항곡시험과 굽힘에 대한 파열여부를 조사하는 굴곡시험이 있다. 낮은 온도와 중간온도(절대용융온도 Tm 의 1/2 이하)에서 소성변형은 인가된 응력에 대해서만 변형정도가 결정되고 하중이 걸려 있는 시간과는 무관하다.

고온(절대용융온도 Tm 의 1/2 이상)에서의 소성은 시간과도 관계가 있다. 이런 온도에서 일정한 응력이 단면적의 변화에 관계없이 계속 일정하게 유지되면 응력이 항복응력과는 무관하게 일정기간에 걸쳐 변형이 일어난다. 이러한 변형을 Creep 이라고 한다.

아래그림은 결정질 재료에 대한 Creep 곡선이다. 초기 응력이 가해질 때의 초기변형뒤에 이어 3 단계에 걸쳐 진행된다. 1 단계에서는 변형율이 감소한다. 2 단계에서는 변형율의 변화가 거의 없다. 3 단계에서는 파괴가 일어날 때까지 변형율이 급격히 증가한다. Creep 은 응력이 커지거나 온도가 높아지면 가속되어 그만큼 파괴수명도 짧아진다.

3) 경도

경도는 소성변형에 대한 저항의 척도로써 금속이 얼마나 쉽게 소성변형이 되는가에 따라 다르며 특정금속(예를 들면 연성재료)의 경도와 강도사이에는 경험적으로 비례한다.

경도측정은 측정방법에 따라 크게 3 가지로 나눌수 있는데 압입에 의한 방법, Scratch 에 의한 방법, 반발에 의한 방법이 있다. 이중 압입과 Scatch 에 의한 방법은 소성변형에 대한 저항을 반발에 의한 방법은 탄성변형에 대한 저항을 나타낸다.

(1) 압입경도

o 브리넬 경도(Brinell Hardness, Hb)

강의 소구를 압입하여 생긴 압흔의 면적으로 압입에 들어간 하중으로 나눈값이다. 이는 같은 재료라고 하여도 하중이나 강구의 지름을 변화시키면 다른값이 나오므로 경구와 압흔의 지름의 비가 일정하게 되도록 하중과 강구를 선택하여야 한다.

o 비커스 경도(Vickers Hardness, Hv)

경구대신 사각추의 다이아몬드를 사용한다. 따라서 하중이 변해도 항상 같은 경도 값이 얻어진다.

o 록크웰 경도(Rockwell Hardness, Hr)

강구 또는 다이아몬드의 원추를 압입하여 얻는 압흔의 깊이로 나타낸다. 압흔의 깊이가 직접 경도를 나타내므로 측정시 조건을 일정하게 하기 위하여 예비하중 10kg 을 가한 상태를 측정의 기준으로 한다.

다음은 경도측정방법에 따른 경도값의 비교이다.

(2) Scratch 경도

Mohs 경도가 대표적으로 주로 광물이나 암석 등을 긁어서 나타나는 형상을보는 정성적인 측정방법이다.

(3) 반발경도

쇼아경도(Shore Hardness)는 일정한 높이에서 낙하시킨 해머의 반발높이로구한다.

4) 피로(Fatigue)

항복응력보다 훨씬 낮은 응력에서도 반복적으로 하중이 작용했을 경우 파손이 발생하는데 이러한 현상을 피로라고 한다. 피로파괴의 경우 외형에는 거의 변형을 일으키지 않으므로 사전에 예방하기가 쉽지 않다. 주로 모서리, 노치 등 응력이 집중되는 점이나 결함에서 시작되어 주기적이고 반복적인 응력하에서 균열이 전파된다. 이때 균열의 모양은 조개껍질무늬나 해변의 물결자국등을 나타내게 된다. 하중이 지탱할 수 없을 정도로 단면이 작아지면 완전히 파괴가 일어난다.

따라서 피로강도를 증가시키려면 응력이 집중되지 않게 단면에 노치구멍, 홈, 뾰족한 부분은 없애고 표면은 경화처리를 하고 표면거칠기가 매끈할수록 피로강도는 증가한다.

5) 취성(Brittle)

금속이 소성변형을 하지 않고 파괴하는 성질을 취성이라고 한다. 이는 연성(소성변형 능력)과 인성(소성영역에서 금속이 파괴될 때까지 에너지 흡수 능력)과 반대되는 개념으로 이들 값이 작다는 것이다. 인장강도, 항복강도, 연신등의 값이 비슷해도 충격에 의하여 에너지가 흡수되는 정도는 사뭇 다르게 나타날 수 있다.

금속에서의 충격은 온도의 영향을 받는다. 연성에서 취성으로 바뀌는 부분의 온도를 연성천이온도라고 하는데 이 온도구역은 상당히 좁다. 따라서 연성 천이온도가 실온일 경우에는 주의를 해야 한다. 이 천이는 BCC 금속에서 주로 나타나며, FCC, HCP 금속에서는 별로 나타나지 않는다.

취성을 측정하는 방법으로 충격시험을 한다. 여기에는 샤르피시험과 아이조드시험이 있다. 해머를 일정각도로 올려 낙하를 하게하여 최하점에서 시험편을 파단하고 반대쪽으로 올라가는데 이 높이의 차이가 시험편의 파단에 필요한 에너지가 된다. 이 흡수에너지를 충격강도라고 한다.

6) 소성변형의 응용

금속에 소성변형을 주는 작업을 소성가공(Plastic Working)이라고 한다. 가공할때의 온도가 재결정온도를 기준으로 낮을 때는 냉간가공, 높을 때는 열간가공이라고 한다. 냉간가공을 하면 경화와 항복강도는 증가하나 연신은 감소한다. 즉 강도는 증가하나 인성은 저하된다. 가공법에는 압연(Rolling), 압출(Extrusion), 인발(Drawing), 프레스가공(Press-ing), 단조(Forging)등이 있다.