장재일 교수님 예비레포트(Strengthening mechanism, 강화기구, Carbon steel의 결정립 크기 및 phase 종류/분율을 변화시킬 수 있는 방법 및 원리)

소개

1. Strengthening mechanism
2. Carbon steel의 결정립 크기 및 phase 종류/분율을 변화시킬 수 있는 방법 및 원리

목차

1. Strengthening mechanism
1.1. 결정립 미세화 강화
1.2. 고용체 강화
1.3. 변형경화
1.4. 석출경화
1.5. 시효경화
1.6. 분산강화

2. Carbon steel의 결정립 크기 및 phase 종류/분율을 변화시킬 수 있는 방법 및 원리
2.1. 탄소 함유량 변화
2.2. 열처리 조건

Reference

본문내용

강화 기구(strengthening mechanism)에 있어서 전위의 움직임과 금속의 기계적 거동 사이 관계가 중요하다. 왜냐하면, 전위의 이동으로 금속이 소성 변형되기 때문이다. 즉, 모든 강화 기구는 전위의 움직임을 방해하여 재료를 더 단단하고 강하게 만드는 원리이다.

1.1. Strengthening by grain size reduction(결정립 미세화 강화)
결정립의 크기는 다결정 금속의 기계적 성질에 영향을 미친다. 일반적으로 인접한 결정립은 결정 방향이 달라서 결정립계가 존재한다. 소성 변형을 할 때, 전위의 움직임은 이 결정립계를 지나야 한다. 그러나 결정립계는 두 가지 이유로 전위의 움직임에 방해가 된다. 첫째, 두 결정립의 결정 방향이 다르기 때문에 전위가 결정립계를 넘기 위해서는 이동 방향을 바꾸어야 한다. 둘째, 결정립계 주위는 원자가 무질서하기 때문에 한 결정립의 슬립면은 다른 결정립의 슬립면과 불연속적이다. 따라서 소성 변형 시, 전위는 고각 입계(high-angle grain boundary)를 넘어가지 못 하고, 주위에 쌓이게(pile up) 된다.
미세한 결정립을 가질수록 결정립계의 면적이 더 넓기 때문에 더 단단하고 강한 재료이다. 많은 재료들은 다음과 같은 식을 따른다.
Hall-Petch equation : σy = σ0 + kyd-1/2
여기서 σy는 항복 응력, σ0와 ky는 재료에 대한 상수, d는 평균 결정립 직경이다. 결정립 크기가 너무 크거나 너무 작으면, 이 식은 적용되지 않는다.
그림1. 70 Cu-30 Zn의 황동 합금에서 항복 응력과 결정립 크기의 관계.
결정립의 크기는 액상에서 고상으로 냉각하는 속도나 소성 변형 후 적절한 열처리로 조절할 수 있다. 소각 입계는 양쪽 결정립의 결정 방향 차이가 작아 슬립 과정을 효과적으로 방해하지 못하지만, 이중 입계는 효과적으로 방해하여 재료의 강도를 높일 수 있다. 다른 상을 가진 결정 사이의 경계도 전위의 움직임을 방해한다.

참고자료

· William D. Callister, Jr. & David G. Rethwisch, Fundamentals of Materials Science and Engineering 4th edition, WileyPLUS 출판, 2013
· Reza Abbaschian & Robert E. Reed-Hill, PHYSICAL METALLURGY PRINCIPLES 4th edition, Cengage Learning 출판, 2008