아주대 재료공학실험1 금속재료의 미세조직 관찰 보고서

문서 내 토픽

1. 미세조직

미세조직이란 광학현미경 또는 전자현미경으로 관찰한 결정립 크기 및 형태, 결함 유무, 상분포, 분포 형상, 편석의 형태에 대한 이미지이다. 재료의 성질이나 특성은 그 재료의 내부조직과 관계가 있다. 현미경으로 관찰한 금속재료의 조직은 돌담 모양을 한 결정립의 집합체로 결정립의 집합상태와 격자결함의 양, 상태 등에 따라 금속의 기계적, 물리적, 전기적 물성에 영향을 끼친다.
2. S45C

S45C는 탄소의 함량이 약 0.45wt%인 탄소강을 의미한다. Fe-C System에서 eutectoid point(0.76%C)를 기준으로 0.76%C보다 C의 조성이 낮은 조성은 아공석강, 높은 조성은 과공석강이라고 한다. S45C는 0.45%C 조성이므로 아공석강에 속한다. 아공석강을 고온의 균질한 오스테나이트(austenite gamma FCC구조)상에서 775℃까지 충분한 시간을 두며 서서히 냉각하면 0.76%(공석 조성) 보다 낮은 조성에서 생기는 페라이트인 초석 페라이트(proeutectoid ferrite)가 오스테나이트의 결정립계(grain boundary)에서 불균형하게 핵 생성하기 시작하고, alpha 입자들이 성장하여 오스테나이트상과 페라이트(ferrite alpha BCC구조)상이 공존하는 상태에 도달한다. 그 상태에서 공정 온도에 도달하기 직전까지 냉각하면 남아있는 오스테나이트의 탄소 함량은 0.76 wt%로 증가하며, 727℃(공석 온도)에서 남아있는 오스테나이트는 공석 반응을 일으켜 펄라이트(pearlite)가 된다.
3. Al2024

Al2024는 2000계로 Al(FCC구조)을 기본으로 하여 Cu 4.5%, Mg1.5%, Mn0.5%, 그리고 극소량의 Ni, Cr, Pb, Bi, silicon zinc를 포함하는 알루미늄 합금이다. 알루미늄은 밀도가 작고 높은 전기, 열전도성을 가지며 대기 중에서 좋은 내부식성을 갖는다. 또한 용융점(660℃, 1220℉)이 낮아주조가 용이하여 다른 금속과 잘 합금되어 그 합금의 종류가 매우 다양하다. Al2024는 Al P/M의 분말합금으로 분말 가루를 압축시킨 후 소결하여 만들었기 때문에 그 과정에서 만들어진 구멍들이 미세조직에서 빈공간인 pore로 관찰된다.
4. 시편 준비

시편 준비 과정에는 Sectioning (Cutting), Mounting, Grinding, Polishing, Etching이 있다. Sectioning은 금속 시편을 커터로 목적에 맞게 적당한 크기로 자르는 단계이다. Mounting은 grinding이나 polishing 할 때 시편을 손으로 쥐고 다루기 편하도록 합성수지를 이용하여 일정한 크기의 단순한 모양으로 만들어 주는 것이다. Grinding은 절단 과정에서 열 등에 의해 발생한 손상을 제거하는 작업으로 손상이 적은 평편한 표면을 얻어 polishing 작업과 현미경 관찰을 쉽게 하기 위함이다. Polishing은 편평하고 grinding 작업에서 생긴 미세한 스크래치를 제거해 손상을 최소화한 마치 거울 같은 높은 반사의 표면을 얻는 단계이다. Etching은 미세조직을 선명히 관찰하기 위해 표면의 변질층을 제거하여 미세조직을 노출시키는 것이다.
5. 현미경 관찰

미세조직을 관찰하기 위해 OM(optical microscope)와 SEM(scanning electron microscope)을 사용한다. OM은 관찰에 700~400nm의 파장을 가진 가시광선을 이용하며 최대 1000배율로 관찰할 수 있다. SEM은 전자를 이용하여 관찰하며 분해능이 0.2nm로 2Å까지 확대가 가능하다. SEM은 OM에 비해 더 높은 배율, 수차 적음, 자세한 성분 및 구조 파악이 가능하다는 장점을 갖지만 색을 관찰할 수 없고 전자를 이용하기에 살아있는 생물체의 관찰이 어려우며 장비의 가격이 많이 나간다는 단점을 가진다.
6. 미세조직 분석 방법

미세조직 분석 방법으로 Circle 법, 직경측정법, ASTM No법이 있다. Circle 법은 사진 위에 임의의 원을 그린 후 원 내부에 들어가는 입자 수와 원호에 걸리는 입자 수를 이용해 평균 입자 면적을 구하는 방법이다. 직경측정법은 사진 위에 평행선을 여럿 그은 후 선상의 결정립 개수를 이용해 입자의 평균 직경을 구하는 방법이다. ASTM No법은 사진 위에 사각형을 그린 후 축척을 이용해 실제 면적을 측정한 후 면적에 들어있는 결정립 개수를 측정하고 1mm^2으로 환산하여 ASTM No를 확인, 결정립의 크기를 결정하는 방법이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 미세조직

미세조직은 재료의 내부 구조를 나타내는 중요한 특성입니다. 재료의 기계적, 물리적, 화학적 특성은 미세조직에 크게 의존하기 때문에 미세조직 분석은 재료 공학 분야에서 매우 중요합니다. 미세조직 분석을 통해 재료의 성능을 예측하고 개선할 수 있으며, 제조 공정을 최적화할 수 있습니다. 또한 미세조직 분석은 재료의 결함 및 열화 메커니즘을 이해하는 데 도움이 됩니다. 따라서 미세조직 분석은 재료 개발, 제조, 품질 관리 등 다양한 분야에서 필수적인 기술이라고 할 수 있습니다.
2. S45C

S45C는 일반적인 탄소강 중 하나로, 중간 정도의 탄소 함량(약 0.45%)을 가지고 있습니다. 이 강종은 기계 부품 제작에 널리 사용되며, 적절한 강도, 인성, 내마모성 등의 특성을 가지고 있습니다. S45C의 미세조직은 주로 페라이트와 펄라이트로 구성되며, 열처리를 통해 다양한 미세조직 제어가 가능합니다. 예를 들어 퀜칭 및 템퍼링 처리를 통해 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있습니다. 이러한 미세조직 제어는 S45C의 기계적 특성을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 S45C의 미세조직 분석은 재료 특성 평가와 공정 개선을 위해 필수적입니다.
3. Al2024

Al2024는 항공기 구조 부품 등에 널리 사용되는 대표적인 알루미늄 합금입니다. 이 합금은 구리와 마그네슘을 주요 합금 원소로 함유하고 있어, 높은 강도와 내식성을 가지고 있습니다. Al2024의 미세조직은 주로 α-Al 기지 내에 분산된 CuAl2 및 Mg2Si 석출물로 구성됩니다. 이러한 미세조직은 시효 열처리를 통해 제어할 수 있으며, 이는 Al2024의 기계적 특성을 크게 향상시킵니다. 따라서 Al2024의 미세조직 분석은 합금의 특성 평가와 공정 최적화를 위해 매우 중요합니다. 특히 미세조직 관찰을 통해 석출물의 크기, 분포, 형태 등을 파악하는 것이 중요합니다.
4. 시편 준비

재료의 미세조직을 관찰하기 위해서는 적절한 시편 준비가 필수적입니다. 시편 준비 과정에는 절단, 마운팅, 연마, 에칭 등의 단계가 포함됩니다. 각 단계에서 시편의 손상을 최소화하고 미세조직을 효과적으로 드러내는 것이 중요합니다. 예를 들어 절단 시 열 및 기계적 손상을 방지하기 위해 저속 절단기를 사용하고, 연마 시 단계별 연마지 사용과 적절한 압력 및 회전 속도 조절이 필요합니다. 또한 에칭 조건 최적화를 통해 미세조직의 대비를 높일 수 있습니다. 이와 같이 시편 준비 과정의 세부적인 기술은 미세조직 관찰의 질을 크게 좌우하므로, 숙련된 기술이 요구됩니다.
5. 현미경 관찰

미세조직 분석을 위해서는 광학 현미경, 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 등 다양한 현미경 기술을 활용할 수 있습니다. 각 현미경 기술은 관찰 대상, 분석 목적, 분해능 등에 따라 적절히 선택되어야 합니다. 광학 현미경은 비교적 저렴하고 간단한 장비로 미세조직의 전반적인 특성을 파악할 수 있습니다. SEM은 높은 분해능과 다양한 분석 기능을 통해 미세조직의 상세한 정보를 제공합니다. TEM은 원자 수준의 분해능으로 미세조직의 결정 구조와 화학 조성을 분석할 수 있습니다. 이처럼 현미경 기술의 선택과 활용은 미세조직 분석의 깊이와 정확성을 결정하는 핵심 요소라고 할 수 있습니다.
6. 미세조직 분석 방법

미세조직 분석을 위해서는 다양한 방법론이 활용될 수 있습니다. 정성적 분석으로는 현미경 관찰을 통한 미세조직 특성 파악이 있으며, 정량적 분석으로는 이미지 분석을 통한 상 분율, 입자 크기, 분포 등의 측정이 있습니다. 또한 X선 회절, 에너지 분산 분광분석(EDS), 전자 후방 산란 회절(EBSD) 등의 분석 기법을 통해 미세조직의 결정 구조, 화학 조성, 결정 방위 등을 파악할 수 있습니다. 이러한 다양한 분석 방법들은 상호 보완적으로 활용되어 재료의 미세조직을 종합적으로 이해하는 데 기여합니다. 따라서 미세조직 분석 시 분석 목적과 대상에 맞는 적절한 분석 방법을 선택하는 것이 중요합니다.

주제 연관 리포트도 확인해 보세요!

[아주대학교 재료공학실험1] 금속 재료의 미세 조직 관찰 보고서 12페이지

2024.10.06· 12페이지