[재료역학] 회복, 재결정 및 결정립 성장에 대하여

회복, 재결정 및 결정립 성장

융점보다 상대적으로 낮은 온도에서 다결정 금속시편에 소성변형을 가하면 ①결정립 모양의 변화②변형 경화 ③전위 밀도의 증가 등과 같은 미세 구조의 변화 및 재료의 성질의 변화를 일으킨다. 변형에 쓰여진 에너지의 한 부분은 새로이 생성된 전위의 변형장(인장, 압축 및 전단)과 관련된 변형률 에너지로 금속 내부에 저장된다.

 

또한 소성변형으로 전기 전도도와 부식 저항성도 변화를 일으킨다. 이와 같이 변화된 미세 구조 및 재료 성질은 적절한 열처리를 통하여 가공 전의 상태로 복귀시킬 수 있다. 높은 온도에서 나타나는 복귀 과정에는 회복과 재결정이 있으며, 뒤따라 결정립 성장으로 이어진다.

 

회복

회복 과정 중에는 높은 온도에서 활발해진 원자 확산에 따른 전위의 움직임(외부의 작용 응력은 없는 상태에서)에 의해 내부에 저장된 변형률 에너지가 제거된다. 전위 수는 감소하고, 전위의 배열 상태도 낮은 변형률 에너지를 갖는 배열로 바뀐다. 또한 전기 전도도와 열 전도도와 같은 재료의 물리적 성질은 가공 전의 상태로 회복된다.

 

재결정

회복이 완료된 후에도 결정립들은 아직 대체로 높은 변형률 에너지 상태에 있다. 재결정이란 가공 전의 상태의 특징인 낮은 전위밀도를 갖는, 변형률이 없는 새로운 등방형 결정립을 형성하는 것이다. 이러한 새로운 결정립 구조를 형성하는 구동력은 변형된 재료와 변형되지 않은 재료 사이의 내부 에너지 차이다.

 

새로운 결정립의 핵이 생성된 후에 근거리 확산 과정을 통하여 기존 재료를 완전히 바꿀 때까지 성장을 계속한다. 그러므로 냉간가공된 재료의 재결정을 통하여 결정립을 미세화 할 수 있다. 또한 냉간 가공으로 변화된 기계적 성질은 재결정 동안에 원상태로 돌아온다. 즉, 재료는 더 무르고, 약하고, 연하다.

 

재결정을 통한 기계적 특성의 변화를 목적으로 열처리를 행하기도 한다. 재결정은 시간과 온도의 함수이다. 재결정의 정도는 시간에 따라 증가한다. 특정 금속 합금의 재결정 거동은 재결정 온도로 규정하는데, 재결정 온도란 1시간 안에 재결정이 완결되는 온도이다.

 

냉간 가공률이 증가할 수록 재결정 속도가 빨라지므로 재결정 온도는 낮아지며 높은 가공률에서는 일정 한계값에 접근한다.

 

결정립 성장

재결정이 완료된 후에 금속 시편을 높은 온도에 높아두면 변형률이 없는 결정립은 성장을 계속하는데 이 현상을 결정립 성장이라고 한다. 회복이나 재결정 과정은 결정립 성장의 선취조건은 아니며, 결정립 성장은 모든 금속 및 세라믹과 같은 다결정 재료에서 일어난다. 입계는 에너지를 갖는다.

 

결정립 크기가 증가함에 따라 총입계 면적은 감소하므로 총에너지의 감소 효과를 가져오며, 이것이 결정립 성장의 구동력이 된다. 입계의 이동으로 결정립은 성장한다. 그러나 모든 결정립이 성장하는 것이 아니라, 작은 결정립은 소멸되고 큰 결정립들이 성장을 계속한다.

 

그러므로 평균 결정립 크기는 시간에 따라 증가하며, 어느 특정 순간에는 여러 크기의 결정립이 나타난다. 입계의 이동은 단지 한 입계에서 다른 입계로의 근거리 원자 확산에 의해 진행되며, 입계 이동 방향과 원자 이동 방향은 반대이다.