본문내용
1. 금속재료의 조직관찰 및 기계적 특성 평가
1.1. 금속재료의 구조와 특성
금속재료의 구조와 특성은 재료의 특성을 결정하는 근본이 된다. 금속재료는 원자들로 구성되어 있으며, 원자들의 배열 및 결합 형태에 따라 다양한 구조와 특성을 보인다.
금속재료는 일반적으로 결정구조를 가지고 있으며, 원자들은 결정 격자를 형성하여 규칙적으로 배열되어 있다. 이러한 결정구조는 금속재료의 기계적, 전기적, 자기적 특성을 결정하는 주요 요인이 된다. 금속재료의 결정구조는 주로 면심입방구조(FCC), 체심입방구조(BCC), 육방밀집구조(HCP) 등이 있다.
금속재료의 특성은 순수 금속과 합금에 따라 크게 다르게 나타난다. 순수 금속은 결정 격자 내에 단일 원자로 구성되어 있어 상대적으로 단순한 구조를 가지며, 연성과 전기전도도가 우수한 편이다. 반면 합금은 두 가지 이상의 원소가 결정 격자 내에 혼합되어 있어 복잡한 구조를 가지며, 순수 금속에 비해 강도와 경도가 높지만 연성이 낮은 편이다.
합금을 구성하는 원소의 종류와 배합비에 따라 다양한 특성의 금속재료를 얻을 수 있다. 예를 들어 탄소강에 크롬, 니켈, 몰리브덴 등의 합금원소를 첨가하면 내식성, 내열성, 내마모성 등이 향상된 특수강을 얻을 수 있다.
금속재료의 미세조직 또한 재료의 특성을 결정하는 중요한 요인이 된다. 미세조직은 재료를 구성하는 결정립의 크기, 분포, 형태 등을 나타내며, 이는 열처리, 가공 등의 공정에 의해 조절될 수 있다. 미세조직의 변화에 따라 재료의 강도, 연성, 인성 등의 기계적 특성이 크게 달라진다.
종합하면, 금속재료의 구조와 특성은 재료를 구성하는 원자들의 배열 및 결합 형태, 합금 원소의 종류와 배합비, 미세조직 등 다양한 요인에 의해 결정된다고 할 수 있다.
1.2. 탄소강 및 합금강의 종류와 용도
탄소강 및 합금강의 종류와 용도는 다음과 같다.
탄소강(carbon steel)은 철에 탄소를 첨가해 강도를 높인 합금이다. 탄소함유량에 따라 극저탄소강, 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 구분된다. 극저탄소강(0.02~0.12%C)은 냉간 가공이 용이하여 프레스 성형용 박판에 사용된다. 저탄소강(0.13~0.20%C)은 절삭 가공성이 좋아 용접용으로 쓰인다. 중탄소강(0.21~0.50%C)은 단조, 주조, 절삭 가공 및 용접이 용이하여 차축, 기계구조부재 등에 사용된다. 고탄소강(0.51~2.11%C)은 내마모성과 고항복점이 높아 각종 공구에 쓰인다.
구조용 탄소강은 탄소함유량이 0.05~0.6%로, 건축, 교량, 선박, 철도차량 등의 판, 봉, 관, 형강 등으로 널리 쓰인다. 공구용 탄소강은 0.6~1.5%C를 함유하며, 경도가 크고 인성이 큰 재료를 선택하여 칼날이나 바이트 등 절삭용 공구와 단조용 공구에 사용된다.
합금강은 탄소강에 특수 원소를 첨가하여 특성을 개선한 강이다. 크롬강은 강도, 경도, 내마모성, 내식성 등이 향상되며 자동차 부품 등에 쓰인다. 니켈-크롬강은 기계적 성질이 크게 개선되어 크랭크축, 연결봉, 기어 등의 중요 부품에 사용된다. 스테인리스강은 크롬 10.5% 이상 함유하여 내식성이 뛰어나 다양한 용도로 사용된다. 니켈-크롬-몰리브덴강은 열처리 효과가 좋아 구조용 합금강 중 최고급품으로 쓰인다. 마그네슘강은 비중이 낮아 자동차, 항공기 등의 초경량 소재로 주목받고 있다. 티타늄 합금은 열전도도와 전기저항이 낮아 해양공업, 자동차, 의료, 스포츠 등 다양한 분야에 사용된다.
1.3. 기계적 성질 및 미세조직 분석
미세조직 관찰을 통한 기계적 성질 분석은 재료의 특성을 이해하고 향상시키기 위해 필수적이다. 금속재료의 미세조직은 응고 과정과 열처리 등을 통해 조절할 수 있으며, 이에 따른 기계적 특성의 변화를 파악할 수 있다.
먼저, 시편 제작 과정에서 연마와 에칭을 통해 미세조직을 관찰할 수 있는 평활한 표면을 준비한다. 연마 과정에서는 분사 연마, 분쇄 연마, 버프 연마, 전해 연마 등 다양한 기법을 활용하여 시편 표면의 결함과 변형층을 제거하고 거울면 광택을 얻을 수 있다. 에칭 과정에서는 화학적, 전해적, 열적 방법을 이용하여 미세조직의 대비를 높일 수 있다.
준비된 시편을 광학 현미경이나 주사전자현미경으로 관찰하면 금속의 결정립 크기, 결정립계, 석출물, 조직 상태 등을 확인할 수 있다. 이를 통해 재료의 강도, 연성, 인성, 내식성 등의 기계적 성질과 미세조직의 상관관계를 분석할 수 있다.
일반적으로 결정립이 미세할수록, 고용 강화 및 석출 강화가 증가할수록 강도가 높아지며, 적절한 수준의 연성과 인성을 확보할 수 있다. 반면 결정립이 조대해지거나 취성 개재물이 존재하면 취성이 증가하여 인성이 저하된다. 또한 내식성은 표면 산화막의 특성에 따라 달라지며, 표면 거칠기와도 관련이 있다.
이처럼 미세조직 분석을 통해 재료의 기계적 거동을 이해하고, 이를 바탕으로 조직 제어 기술을 개발하여 소재의 성능을 향상시킬 수 있다. 최근에는 고분해능 분석 기법과 전산모사 기술의 발달로 미시적 관점에서 재료 특성을 더욱 심도 있게 규명할 수 있게 되었다.
2. 냉각곡선과 평형상태도
2.1. 가열 및 냉각곡선의 원리
모든 금속원자들은 액체 또는 고체 상태에 따라 서로 다른 양의 에너지를 갖고 있다. 금속을 용융점온도까지 가열하기 위해서는 일정량의 열에너지를 필요로 한다. 그러나 용융온도에서 금속은 전혀 용융되지 않는다. 이러한 금속을 비정질상의 액체 상태로 용융시키기 위해서는 각 원자가 인접한 격자점으로부터 뛰쳐나올 수 있도록 상당한 양의 열에너지가 요구된다. 예를 들어 1kg의 Al을 20℃로부터 660℃로 가열하기 위해서는 670 kJ의 열량이 필요하며 다시 660℃에서 온도의 상승 없이 고체로부터 액체로 변화하는데 g당 396 J이 요구된다. (용융잠열). Al원자는 고체-액체의 용융과정에서 상당한 에너지를 얻게 되며 이로 인하여 원자의 운동이 활발해진다. 따라서 원자는 고체 상태에서보다 액체 상태에서 높은 운동에너지를 갖는다. 이와는 반대로 용액의 응고과정을 보면 원자가 낮은 에너지를 갖는 결정 상태로 돌아가기 위해서는 용융점에서 냉각이 진행되는 동안 396J/g를 방출해야 한다. 이 응고잠열은 그 양에 있어서 용융잠열의 양과 똑같다. 금속의 용해곡선과 응고곡선을 그리면 이들은 서로 경면대칭이 된다. 한편 금속의 용융점(혹은 응고점)에서의 온도-시간관계는 시간적으로 지연되는 것을 볼 수 있는데 이는 금속이 용융 또는 응고되는 동안 전체 용융잠열을 흡수하거나, 전체응고잠열을 방출할 때 까지 온도가 변화하지 않음을 말한다.
2.2. 순구리의 냉각 곡선
순구리의 냉각 곡선은 용융상태의 구리가 고체상태로 변화할 때 나타나는 온도 변화를 시간에 따라 나타낸 곡선이다.
순구리의 냉각 곡선을 보면 가장 먼저 나타나는 평행한 부분이 응고가 시작되는 구간이다. 용융 상태의 구리가 서서히 냉각되다가 1,083°C에 도달하면 고체 구리가 생성되기 시작한다. b-c 구간에서는 용융 구리와 고체 구리가 공존하며, 응고잠열이 방출되어 온도가 일정하게 유지된다. c점 이후에는 고체 구리가 상온까지 냉각되는 과정을 보여준다.
이처럼 순구리의 냉각 곡선은 용해와 응고 과정을 잘 보여주고 있으며, 금속의 상태 변화가 일어나는 과정을 이해하는데 도움을 준다. 특히 응고잠열이 방출되어 온도가 일정하게 유지되는 b-c 구간을 통해 상변화 시 열 에너지의 변화를 확인할 수 있다.""
2.3. 상률과 자유도
상률과 자유도는 고체 물질의 성질을 이해하는 데 있어 매우 중요한 개념이다. 상이란 물질의 균일한 부분을 의미하며, 상의 변화에 따라 물질의 성질이 달라진다. 상률은 상의 수와 성분의 수, 그리고 자유도의 관계를 설명하는 법칙이다.
자유도란 상태변수(온도, 압력, 조성 등)를 변화시켜도 계가 안정적으로 존재할 수 있는 변수의 수를 의미한다. 상률에 따르면, 자유도 F는 성분의 수 C와 상의 수 P를 이용하여 F = C - P + 2로 계...
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