[기계공학] 금속 강화기구에 대하여

금속 강화기구

금속의 강도란 소성 변형에 대한 저항성을 나타내는 말이다. 즉 어떤 강도를 갖는 재료를 영구 변형시키거나 가시적인 변형(소성 변형)을 일으키기 위해서는 어떤 응력이 필요하다는 것으로 이해할 수 있다.

 

그런데, 금속 결정들의 유동 응력이 이론적인 전단강도에 비해 상당히 낮게 나타난다. 그 이유는 금속 결정 내에 존재하고 있는 전위 때문인 것으로 밝혀졌다.

 

금속 결정에 외력이 가해지면 전위의 이동에 의해 변형이 일어나기 때문에 이상적인 전단 강도보다도 훨씬 작은 응력에 의해서도 금속 결정의 변형이 일어나는 것이다. 따라서 모든 강화 기구는 일반적으로 전위의 이동도(mobility)를 감소시키고, 전위가 결정 내에서 움직이는데 필요한 응력을 상승시키는 것이라 할 수 있다.

 

1) 결정립 미세화에 의한 강화

결정립 크기, 즉 평균 결정립 지름은 다결정 금속의 기계적 성질에 영향을 미친다. 입계를 공유하는 바로 옆 결정립은 결정방향이 다르다. 소성변형이 일어나는 과정에서 슬립 현상은 결정립 A에서 결정립 B로 입계를 가로질러 일어난다. 입계가 전위의 이동을 방해하는 이유는 다음과 같다.

 

1. 두 결정립의 결정 방향이 다르므로, 전위가 다른 결정립으로 넘어가기 위해서는 이동방향을 바꾸어야 한다. 결정 방향의 차이가 클수록 전위의 이동은 더 어렵다.
2. 입계 부위에서는 원자가 무질서하게 위치하므로 한 결정립의 슬립면은 다른 결정립의 슬립면으로 연속해서 이어지지 않는다.

 

2) 고용체 강화

금속을 단단하고 강하게 하는 또 다른 방법은 침입형 또는 치환형고용체 합금을 이용하는 것이다. 이른바 고용체 강화이다. 고순도 금속은 동종의 합금보다 항상 연하고 약하기 때문에, 이종 원소의 농도를 증가시키면 인장 강도와 경도는 증가한다.

 

합금의 이종(또는 불순물)원자는 주위의 기존 원자에 격자 변형률을 부과하므로, 합금은 순수 금속보다 더 강하다. 이러한 이종 원자의 격자 변형장과 전위의 격자 변형장의 상호작용은 결과적으로 전위의 움직임을 제한한다.

 

예를 들면, 기존 원자보다 작은 이종원자는 주위의 결정 격자에 인장 변형률을 야기시킨다. 반대로, 기존 원자보다 더 큰 치환 원자는 주위에 압축 변형률을 야기시킨다. 이러한 용질 원자는 전위의 주위에 모임으로써, 전위의 주위에 나타나는 변형률을 상쇄시켜 전체 변형률 에너지를 감소시킨다.

 

그러므로 작은 이종 원자는 이 원자에 의해 야기되는 인장 변형률로 전위의 압축 변형률을 부분적으로 감쇄시킬 수 있는 곳에 모이게 된다. 즉 칼날 전위의 경우에는 슬립면 윗부분의 전위선 주위에 위치하며, 더 큰 이종 원자는 슬립면의 아랫부분 전위선 주위에 위치하게 된다.

 

이종 원자가 전위 주위에 존재하면, 전위가 움직이기 위해서 이들로부터 벗어나야 하므로 전체 격자 변형률은 증가한다. 따라서 슬립에 대한 저항성은 더 커진다. 또한 소성변형 중에도 움직이고 있는 전위와 이종 원자 사이에 나타나는 격자 변형률의 상호작용은 계속 존재한다.

 

그러므로 고용체 합금에 소성변형을 일으키려면 더 큰 작용 응력이 요구된다. 즉,강도와 경도가 증가한다. 

 

3) 변형 경화

변형 경화란 연성 금속이 변형을 일으킴에 따라 점점 더 단단해지는 현상이다. 변형 정도가 증가할수록 금속의 전위 밀도는 증가하므로, 결과적으로 전위 사이의 간격은 좁아져 점점 가까운 위치에 놓인다. 평균적으로 전위와 전위 사이의 변형장은 서로 밀친다. 그러므로 한 전위의 움직임은 다른 전위에 의해 방해를 받으므로, 전위 밀도가 증가할수록 전위의 움직임에 대한 다른 전위의 방해는 점점 커진다. 따라서 가공의 양이 증가할수록 변형에 필요한 응력은 증가한다.

 

4) 석출강화 및 분산강화

금속은 기지에 미세하게 분산된 불용성의 제2상에 의해 효과적으로 강화된다. 이 때 분산된 제2상이 어떤 방법에 의해 도입되었는가에 따라 석출 강화(析出强化,precipitation strengthening)와 분산강화(分散强化,dispersion strengthening)로 구별하여 부르고 있다.

 

즉, 석출 강화란 열처리 과정을 통하여 과포화 고용체로부터 제2상을 석출시켜서 강화시키는 현상을 말하는 것이고, 분산 강화란 좀 더 일반적인 용어로서 제2상이 고용체로부터의 석출이 아닌 다른 과정이다.

 

예를 들면 분말 야금법이나 입자강화 복합재료에서처럼 제조 과정 중에 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물 등의 제2상을 인위적으로 첨가해서 강화시키는 현상을 말하는 것이다.

 

5) 시효경화

금속재료를 일정한 시간 적당한 온도 하에 놓아두면 단단해지는 현상이다. 상온에 방치해 두어도 단단해지는 경우와 어느 정도 가열하지 않으면 단단해지지 않는 경우가 있는데, 상온에서 단단해지는 것을 상온시효 또는 자연시효라 하고, 어느 정도 가열해야만 단단해지는 경우를 뜨임시효 또는 인공시효라 한다.

 

시효가 일어나는 까닭은 금속재료의 본래의 상태가 불안정하여 안정 상태로 변하기 때문인데, 이 변화를 일으키기 위해서는 금속 결정 속에서 원자가 필요한 만큼 움직여야 한다. 이 움직임이 상온에서도 가능하면 상온시효가 일어나지만, 온도가 너무 낮아 금속원자의 이동이 일어나지 않을 경우에는 어느 정도 가열해 줌으로써 변화가 일어나므로 인공시효가 된다.