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탄소공구강의 여러조직들을 현미경 관찰을 통해 알아보고 열처리에 의한 변화를 알아본다. 평가A+최고예요

1. 이론적 배경1) 일반 탄소강과 탄소공구강의 차이를 설명하고 탄소공구강의 종류를 조사하라.탄소강은 철과 탄소의 합금으로 0.05∼2.1%의 탄소를 함유한 강을 말하며, 탄소공구강은 0.9 ~ 1.5% 정도의 탄소를 함유한 고탄소강을 말한다. 탄소강은 normalizing을 하여 표준조직으로 만들어서 사용하며, 탄소공구강은 quenching, tempering을 해서 사용한다. 그리고 탄소강은 탄소량이 많을수록 전기저항, 인장강도, 경도, 항복강도, 항자력이 증가하는 반면 전기전도도, 열전도도, 인성, 밀도, 용융온도는 감소한다. 또 한 탄소공구강은 탄소량이 많을수록 내마모성, 절삭능력이 증가하며 탄소량이 적을수록 인성이 좋다.표 1 탄소공구강의 종류 및 용도종류기호CSiMnPS용도제1종SK11.3~1.50.35이하0.5이하0.030이하0.030이하경질바이트, 면도날, 줄제2종SK21.1~1.30.35이하0.5이하0.030이하0.030이하바이트, 드릴 소형 펀치, 면도날제3종SK31.0~1.10.35이하0.5이하0.030이하0.030이하대형 면도날, 게이지제4종SK40.9~1.00.35이하0.5이하0.030이하0.030이하목공용 칼, 대형 면도날제5종SK50.8~0.90.35이하0.5이하0.030이하0.030이하각인, 프레스형제6종SK60.7~0.80.35이하0.5이하0.030이하0.030이하각인제7종SK70.6~0.70.35이하0.5이하0.030이하0.030이하각인, 프레스형,칼탄소공구강은 가격이 싸고 성형 및 기계가공성이 좋으며 용접성이 양호한 등의 이점이 있어 아직도 공구소재로 많이 이용되고 있다. 예를 들면 목공용 공구, 석고용 공구, 금속절삭용 바이트, 드릴, 커터, 광산용 공구 등을 만드는데 사용하고 있다. 그리고 탄소공구강의 종류는 아래 표와 같다. 아래 표와 같이 탄소의 함량에 따라 7가지 종류로 나눌 수 있으며 탄소의 함량에 따라 용도도 각 각 다름을 알 수 있다.2) 탄소강의 열처리 중 다음을 그 목적과 함께 간단히 설명하라.2)-1. Qu시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료가 연화된다. 이러한 목적을 위한 열처리 방법을 풀림이라 부른다. 풀림의 목적은 단조나 주조의 기계 가공에서 발생한 내부 응력 제거, 열처리로 인해 경화된 재료의 연화, 가공이나 공작으로 경화된 재료의 연화, 금속 결정 입자의 미세화 등이 있다.2)-4. Normalizing(불림)불림의 목적은 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조 등으로 인한 내부 응력을 제거하며 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다. 강을 불림 처리하면 취성이 저하되고 주강의 경우 주조 상태에 비해 연성이나 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선된다. 재료를 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 다음 일정 시간 유지시킨 후 공기 중에서 냉각시킨다. 이렇게 하여 미세하고 균일하게 표준화된 금속 조직을 얻을 수 있다.3) Fe-C 이성분계에서 열처리에 따라 나타날 수 있는 조직들을 적고 간단히 설명하라.3)-1.페라이트(ferrite)1) 체심입방격자로 된 α-Fe 고용체(δ-Fe 고용체)의 조직이다.2) 순철(0.0 ~ 0.008%C)의 상온조직이며, 아공석강의 서냉시 초석으로 석출된다.3) 상당히 연한 조직이며 경도는 HB = 90 ~ 100정도이다.4) 질산알코올용액 또는 피크린산 알코올용액에 부식이 잘 되지 않기 때문에 현미경조직 은 밝은 다각형의 집합조직으로 나타난다.아공석강(C 0.77% 이하)을 오스테나이트(austenite) 상태에서 서냉하면 A3 변태점에서 초석페라이트가 나타나고 A1 점에서 나머지의 오스테나이트가 펄라이트로 공석변태하여 조직이 된다. 냉각을 어느 정도 빨리(공냉)하면, 오스테나이트가 과냉되어 변태점이 저하하기 때문에 불림 조직은 로냉조직 보다도 다소 페라이트 양이 적다.탄소량이 약 0.25% 이하의 아공석강은 급냉(quenching), 템퍼링(tempering)을 실시하면 기계적 이것을 다시 탄소 이외의 다른 원소를 하나 더 첨가한 합금강으로 하면, 첨가하는 원소에 따라서 이 변화가 완전히 멈추 어 면심입방의 철이 상온까지 가져올 수 있다.3)-3. 시멘타이트(cementite)1) Fe₃C로 구성된 금속간화학물의 조직이다.2) 철강에서는 재료전체가 균일한 시멘타이트로 된 조직은 얻을 수 없고, 석강의 서냉시 초석으로 석출된다.3) 모든 조직 중에서 가장 경하고 취약하며, 경도는 HB = 820정도이다.4) Fe₃C는 상대적으로 귀(noble)하기 때문에 국부전지(galvanic cell)상 음극으로 작용하 므로 질산알코올용액 또는 피크린산 알코올용액에 부식이 잘되지 않으며, 현미경 조직상 밝게 나타난다.5) 사방정계에 속하며 피크린산 2g+ 가 성소오다 25g+ 물 100cc에 끓이면 갈색 또는 흑 색으로 변화한다.풀림 온도가 점차 높아지면 망상시멘타이트에 싸여진 오스테나이트의 결정립은 성장하고 조대화한다.탄소함유량이 0.77% 이상의 강을 과공석강이라 하며, 풀림의 냉각과정에서 시멘타이트는 오스테나이트의 입계에 망상으로 석출하고, 오스테나이트 기지는 펄라이트가 된다. 탄소량이 증가와 함께 시멘타이트가 증대하기 때문에 경도, 인장강도는 증가하지만 연신율, 충격지는 감소한다. 탄소함유량이 0.9% - 1.0%에 이르면 망상 시멘타이트는 확인하기 어려운 경우도 있으나 1.2% 이상이 되면 100배 정도의 저배율로 확실히 나타난다.3)-4. 펄라이트(pearlite)1) α-Fe와 Fe₃C의 기계적 혼합물로 된 층상 또는 입상조직이다.2) 공석강의 서냉시 100% 펄라이트 조직이 나타나며, 아공석강, 과공석강에서 공석반응 에 의하여 공석조직으로 나타난다.3) 모든 조직 중에서 기계적 가공성이 가장 우수한 조직이며, 경도는 HB = 225정도이다4) 내식성이 불량하기 때문에 질산알코올 용액 또는 피크린산 알코올요액에 부식이 잘 되 고, 현미경 조직은 검게 나타난다.펄라이트는 페라이트와 시멘타이트가 상호교대로 겹쳐서 구성된 층상조직으로서, 올 용액 또는 피크린산 알코올요액에 부식이 잘 되 고, 현미경 조직은 검게 나타난다.소입해서 얻어진 마르텐사이트 또는 투루사이트 조직을 다시 500-600℃에서 템퍼링하면 시멘타이트의 미세입자의 응집이 한층 딘행된 조직이 된다. 이를 소르바이트라고 한다.실질적으로는 투루사이트와 소르바이트도 함께 페라이트와 미세시멘타이트의 혼합물인데, 다만 그 응집된 양상을 달리하는 것으로 500℃ 이상에서 템퍼링하면 응집된 시멘타이트는 응결, 입상화 한다. 소르바이트는 투루사이트에 비해서 경도는 낮지만, 인성이 월등하고, 펄라이트에 비교해도 높은 경도와 강도를 지니고 있다. 일반적으로 소입과 고온 템펄링을 일관해서 작업하는 열처리를 조질이라 하는데 이것은 인성이 튼 소르바이트를 얻기 위한 조작이다. 기계부품 등에 사용하는 0.25-0.55%C의 탄소강은 조질을 하여 기계적 성질을 향상시킨다.3)-6. 투루사이트(troostite=fine pearlite)1) α-Fe와 Fe₃C의 기계적 혼합물로 된 매우 미세한 층상 또는 입상조직이다2) 오스테나이트로 된 강을 유냉하여 변태가 550~600℃에서 완료되었을때 공석반응에 의 하여 생성하거나 마르텐사이트로 된 강을 400℃로 템퍼링하였을 때 나타난다.3) 경도는 HB = 400정도로 마르텐사이트보다 떨어지나 인성은 크다4) 내식성이 불량하기 때문에 질산알코올 용액 또는 피크린산 알코올요액에 부식이 잘 되 고, 현미경조직은 검게 나타난다.1차 소입에 의해서 발생한 마르텐사이트를 템퍼링하면 100-150℃ 사이에서 고용된 탄소는 탄화물로서 석출한다. 템퍼링 온도가 상승함에 따라 석출탄화물량은 늘어나며, 점차로 안정된 탄화물이 되고, 350-400℃에 있어서는 페라이트와 미세한 시멘타이트의 혼합물로 된다. 이것이 투루사이트로서, 산에 의해 쉽게 부식되어 흑색으로 된다.템퍼링에 의해 강의 경도는 저하하지만, 강트성을 증대시킨다. 이 투루스타이트는 마르텐사이트에서 석출한 미세탄화물과 페라이트와의 층상혼합물이다. 특히 300℃ 부근에서는 경 풍부하다. 특히 소입템퍼링을 한것과 동일한 경도의 오스템퍼한 것과 비교하면 신율, 조임성, 충격치에 있어서는 오스템퍼 한것이 우수한 성질을 나타낸다.3)-8. 마르텐사이트(martensite)1) α-Fe(ferrite)에 탄소가 과포화상태로 고용된 체심정방격자(BCT : 0.3%C이상 탄소강) 의 균일과 포화고용체이다(α-martensite).2) 열처리조직 중에서 경도가 가장 크며(경도는 HB = 720정도) 취약하고 연성이 적다.3) 탄소강을 오스테나이트화 온도로 가열, 유지한 후 수냉했을 때 나타나는 조직이다.4) 균일한 고용체이며, 질산알코올용액 또는 피크린산알코올용액에 부식이 잘 되지 않는 다.마르텐사이트는 100℃ 정도의 템퍼링에 의해 템퍼링마르텐사이트가 되지만 거의 조직의 변화는 없다. 표준조직은 마르텐사이트의 삼엽상(마의 잎 형태)을 확실하게 나타나게 하기 위해 표준인 790℃보다 높은 850℃에서 수냉하였다.이 조직은 강재를 오스테나이트 영역(A1점 이상)에서 급냉해서 얻어지는 삼(마) 잎 모양의 침상조직으로 대단히 높은 경도를 특색으로 한다. 마르텐사이트는 펄라이트 변태와 달라서 탄소의 확산이 충분히 이루어지기 전에 격자의 변태로 된 조직으로, 하나하나의 침상 마르텐사이트 결정의 성장에 요하는 시간은 극히 짧다.템퍼링 마르텐사이트는 급냉한 상태의 마르텐사이트 보다도 산에 부식되기 쉽다. 마르텐사이트의 경도는 탄소량에만 의존하므로 탄소량이 증가함에 따라 경도는 급격히 높아지나 0.6% 이상에서는 그다지 변하지 않는다.2. 실험목적탄소공구강의 여러 가지 조직들을 현미경 조직관찰을 통하여 식별할 수 있는 능력을 기르며 열처리에 의한 조직변화와 기계적 성질의 변화를 알아본다.3. 실험장치 및 시약박스퍼니스(왼쪽사진참고), 시편(SM45C, STC3 2개), cutter, sand paper(#220, #400, #800, #1200), 광학현미경, 물, polishing cloth, alumina colloid, mounting (Cold-mou닦는다.

공학/기술| 2009.11.26| 9페이지| 1,500원| 조회(1,268)

마운팅, 탄소강, 탄소강의 열처리, 조직관찰, sm45c, 현미경관찰, STC3, 탄..

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전기로와 열전대

1. 이론적 배경가. 전기로의 종류1) 저항로저항로에는 철크롬선·니크롬선 등의 전열선을 노 안에 시설하고, 이것에 전기를 흐르게 하여 피가열물을 가열하는 간접로, 탄소를 흑연으로 만드는 노와 같이 피가열물 자체에 전기를 흐르게 한 직접로가 있다. 간접로의 경우 노내 온도가 1,000℃ 이상 되는 노에서는 발열체로 탄화규소·칸탈(코발트·철·알루미늄·크롬의 합금)선을 사용한다. 전원에는 3상 200V 또는 단상 100V가 사용되며, 소형인 것에서는 변압기로 20∼40V로 낮추어서 급전하는 경우도 있다. 사용하는 전력은 수 kW∼100kW 이상의 것도 있다. 사용목적에는 용해·가열·소결·어닐링·담금질, 도자기 등의 소성 등 여러 가지가 있다. 노 안을 진공으로 하고 텅스텐을 발열체로 사용하여 3,000℃ 이상의 고온으로 할 수 있는 진공저항로도 있다.2) 아크로제강용으로 많이 사용되는 노이다. 노 안에 놓인 피용융재와 3개의 전극사이에 아크의 형태로 전류를 흘려서 가열하는 것으로서, 전원은 3상교류, 용량은 수백∼수천 kW에 이르는 대형의 것도 있다. 아크전류는 피용융재의 상황에 따라 변동하므로 전극의 위치를 항상 조정하여 아크전류를 가능한 일정한 값으로 유지하는 제어가 필요하다. 그렇게 해도 전류의 대폭적인 변동이 생겨서 같은 전원에 연결된 수용가에서 전압변동이 일어난다. 이것을 플리커현상이라고 하는데, 이를 줄이기 위한 대책이 문제가 된다.3) 유도로피가열물에 교류자기장을 가하여, 이 자기장에 의해서 피가열물 속으로 전류가 흘러 용융하는 것으로, 금속을 정제하는 데 사용되는 노이다. 따라서 유도로에는 이것을 둘러싼 코일이 있다. 이 코일에 보내는 교류의 주파수가 50∼60Hz인 것을 저주파 유도로, l만 Hz 이상의 것을 고주파 유도로, l만 Hz 이하를 중간주파 유도로라고 한다. 중간 및 고주파로의 전원은 10kHz까지는 고주파 발전기, 주파수가 그 이상인 것은 불꽃발진기·진공관발진기 등에 의한다. 발전기의 용량은 수kW에서 큰 것은 2,000kW급의 것도 있다.나. 발열체의 종류발열체에는 금속 발열체와 비금속 발열체가 있으며 각각 특징을 갖고 있다.발열체를 사용할 때에는 가열방식, 사용온도, 사용환경 등 가열조건에 적합한 것을 선정할 필요가 있다. 발열체의 사용 온도범위를 밑에 그림에 나타내었다. 또한, 발열체와 전기절연체를 일체화한 것(시즈 히터, 자가용 히터, 세라믹 히터, 코드 히터, 에칭 히터 등)도 발열체나 전열체라고 불리고 있다.1) 금속 발열체금속 발열체를 크게 나누면 합금 발열체와 단일 금속 발열체가 있다. 일반적으로 흔히 사용되는 것을 합금 발열체로서, 단일 금속 발열체는 극히 한정된 용도에 사용된다.합금 발열체는 철·크롬·알루미늄계와 니켈·크롬계가 있어 산소와 친화력이 강한 크롬이나 알루미늄을 함유하고 있다. 이들 원소가 고온에서 선택적으로 산화하고 표면에 산화크롬이나 알루미늄 피막을 형성하여 부식의 진행을 막는 역할을 한다. 또한, 치밀한 산화피막을 형성하기 위해 미량의 특수원소를 첨가하거나 재료의 순도를 높여 특성 개선을 꾀하고 있다.철·크롬·알루미늄계 발열체는 니켈·크롬계보다도 내산화성이 우수하며, 보다 고온(공기중에서 1,000℃∼1,400℃)에서 사용할 수 있다. 단, 인성이 떨어져 고온에서의 강도가 낮아 고온에서 사용하면 무르기 쉬운 경향이 있다는 결점을 갖고 있다.니켈·크롬계의 발열체는 공기중, 환원가스 중에서 1,000∼1,200℃까지 사용할 수 있으며 가공성이 좋고 고온에서의 강도도 철·크롬·알루미늄에 비해 우수하다.단일 금속발열체는 용융점이 높은 텅스텐, 탄탈, 몰리브덴, 백금 등이 보통 사용되고 있다. 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈은 1,300℃ 이상의 고온발열체로서 이용되지만, 비산화환경(공기, 수소 등 환원환경이나 질소 등의 중성환경)에서의 사용에 한정된다(단, 탄탈은 환원환경에서의 사용은 불가). 백금은 산화에 강하고 공기중에서 1,500℃ 정도까지 사용 가능한데, 매우 고가이고, 저항온도계수도 커서 특수한 용도에만 사용되고 있다.2) 비금속 발열체금속 이외의 발열체를 총칭하여 비금속 발열체라고 한다. 대표적인 것으로서 탄화규소, 이산화몰리브덴, 란탄크로마이드, 카폰·그래파이트 등이 있으며, 일반적으로 금속 발열체보다 고온에서 사용된다. 특수한 것으로서 PTC(Positive Temperature Coefficient)특성도 가진 티탄산배릴륨이 있다3)그밖에 발열체① 일반열선주로 전기장판에 사용되는 열선으로 현제에도 돌침대나 전기장판에 사용되어지고 있다. 전자파인 자기장을 차단할 수 없는 발열체이다. 일반열선은 발열체가 한가닥의 열선에 실리콘 피복으로 이루어져 있다.② 무자계열선무자계카본선과 무자계열선으로 구분된다. 무자계열선이란 전자파인 자기장을 차단한다는 의미에서 그 이름이 붙여졌다. 전자파를 가장 완벽하게 차단할 수 있는 발열체로 현제 가장 많이 사용되고 있다. 무자계카본선은 발열체가 4중처리 되어 전기장과 자기장이 차단되는 발열체이다.③ 카본히터카본필름과 면상발열체로 구별되고 카본필름은 미국이나 캐나다에서 생산되며 미국 풀렉스와트의 카본필름은 미국의 UL(미국 전기안전협회) 마크와 CSA(캐나다 전기관리 협회)마크를 획득하고 특허되어 있는 우수한 카본히타방식이다. 면상발열체는 카본필름의 일종인데 영국제 카본히타로 면상에 카본을 뿌리고 코팅한 제품이다.④ 히트파이프히트파이프(Heat Pipe) 발열체: 히트파이프 발열체란 열선이 없으며 윅(Wick)과 작동유체(Working Fluid)가 들어있는 동관(Container)에 기화와 응축에 의해서 열이 발생하는 발열체로서 작은 열원에 의해서도 발열이 되며, 에너지 절약형의 발열체 입니다. 최근 선진국에서 많이 사용되는 히트파이프 발열체를 (주)대호바이오스톤에서 열판으로 제작하는 방법을 특허 출원하여 온돌침대와 바닥난방의 발열체로 사용하는 초절전형 발열체로써 미래형 발열체라고 할 수 있습니다. 유일하게 온돌나라 온돌침대만이 사용하는 발열체 입니다.⑤ 온수로 방식기존의 건축용 온열판넬이나 온돌침대용 온열판넬이 열선을 사용함으로써 전자파에 대한 우려가 커지고 있습니다. 이번에 개발된 건축용 및 온돌침대용 온수로 온열판넬은 신개념의 발열체로써 전자파가 없으며 열효율과 내구성이 뛰어나 앞으로 아파트, 오피스텔, 전원주택 등의 발열체로 널리 보급될 것입니다. 또한 온수로 온돌침대 전자파가 없는 침대로써 웰빙시대의 건강제품으로 현대인의 건강을 책임질 수 있게 되었습니다.다. 열전대의 원리(Seebeck전압, Peltier potential, Thomson potential)두 개의 서로 다른 금속 또는 합금선을 양단에 연결하고 이 접점의 온도를 변화시키면 그 온도차에 따라 양 접점 간에 전위차가 생긴다. 이와 같이 전류를 외부에서 공급하지 않고도 온도차에 의해 나타나는 기전력을 시백(Seebeck)전압이라 부른다. 시백(Seebeck) 전압은 서로 다른 두 금속의 접점에서 주울(Joule) 열 이외에 열의 방출 및 흡수에 따라 발생하는 펠티에 전위(Peltier potential)와 동일금속선에서 양 끝단에 온도차를 주고 전류를 흐르게 할 때 금속선 자체에서 주울(Joule) 열 이외에 가역적인 열의 흡수와 방출에 따라 발생하는 톰슨 전위(Thomson potential)의 합으로 나타난다. 따라서 톰슨 전위(Thomson potential)의 차를 일정하게 유지하기 위하여 한쪽 끝선에 기준점(Cold junction, 0℃) 설정이 필요하다. 열전대를 이용하여 온도를 측정할 때는 한 끝을 기준점에 유지하고 다른 한 끝은 측정점 (hot junction)에 놓고 기전력을 측정하면 측정점의 온도를 구할 수 있다. 열전대는 이와 같은 원리에 의한 온도계이다.라. 열전대의 종류1) B 열전대(백금, Rhodium 30%-백금- Rhodium 6%, 600~1700℃): Pt-30Rh/Pt-6RhPt 70%, Rh 30%의 PT 합금+ 측과, PT 94%, RH 6% PTRH 합금-측을 조합하여 만든 열전대이다. 내열성, 기계적 강도는 R 열전대 보다 우수하며 내열온도는 1800˚C까지도 사용가능하다.2) R 열전대(백금, Rhodium 13%-백금, 0~1600℃): Pt-13Rh/Pt87%의 백금과 13%의 로듐을 섞은 백금과 로듐 합금의 양단을 순백금의 음단과 결합한 열전대. 본 열전대는 고도로 정밀하고, 열저항과 안정성이 뛰어나며, 일반적으로 산화 환경에 사용된다. 이것은 환원성 환경 또는 금속성 증기가 있는 곳에서는 사용할 수 없다.3) S 열전대(백금, Rhodium 10%-백금, 0~1600℃): Pt-10Rh/Pt90%의 백금과 10%의 로듐을 섞은 백금과 로듐 합금의 양극선을 순백금의 음극선과 결합한 열전대이다. 다른 특징은 R타입과 동일하다..4) N열전대: Ni-Cr/Ni-Si니크로실(+측) 나이실(-측)로 불리우며, K 열전대와 조성 및 특성이 대단히 비슷한 열전대이다. K열전대의 개량형으로서 Si(규소)의 참가량을 늘려 내열성을 높다..5) K 열전대(chromel-Alumel, -200~1200℃): Ni-Cr/Ni-Al주로 니켈과 크롬으로 구성된 합금의 양극선을 주로 니켈로 구성된 합금의 음극선과 결합한 열전대. 다양한 공업 응용 분야에 널리 사용된 본 열전대는 환원 환경이나, 산화 환경에 저항성이 있다. 특히 일산화 탄소에 사용될 수 없으며, 산화 환경에 사요하기 적합하다.6) J 열전대(Iron-constantan, 0~750℃): Fe/Cu-Ni철의 양단을 열전대와 결합한 열전대는 환원성는 환경에 강하며, 또한 수소와 탄소에도 강하다. 그러나 철이 산화하는 환경에서 사용하면 안된다. 이 열전대는 상대적으로 비용이 저렴하고, 주로 중간 온도 레인지 응용에 사용된다.

공학/기술| 2009.11.26| 8페이지| 1,500원| 조회(903)

열전대, 전기로, 열전대 원리, 열전대 실험, 전기로 분석

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Seebeck effect 측정 방법

1) 제목 (실험 Topic)Seebeck effect 측정 방법2) 목적두 개의 서로 다른 금속 또는 합금선의 양단을 연결하고 이 접점의 온도를 변화시키면서 그 온도 차에 따라 양 접점 간에 생기는 전위차를 seebeck effect에 의해 구할 수 있다.3) 이론- 기본 이론1821년 독일이 seebeck은 구리선과 비스무스선, 또는 비스무스선 안티몬선의 양쪽 끝을 서로 용접하고 접합부를 가열하면 전위차가 발생하고 전류가 흐르는 현상을 발견 하였다. 이 현상은 온도차에 의해 전압 즉, 열기전력이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르기 때문에 일어나는 것으로서 열전발전의 원리이며, seebeck효과로 불리운다. 이 효과는 특히 온도 측정 센서 분야에서 광범위하게 이용되고 있다. 또한 2차대전 이후부터 다양한 종류와 열전반도체가 개발됨을 따라 이들을 응용하여 폐열을 이용한 발전 설비(열전변환장치)의 실용화에 관한 연구, 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.1851년 영국의 Thomson은 Seebeck 효과와 Peltier 효과의 가역성을 열역학적으로 이론화하던 끝에 제벡 효과나 펠티에 효과 모두 전자들이 두 금속의 접합을 지나갈 때 평균운동에너지가 변화되기 때문에 일어나는 현상임을 증명하였으며 이러한 현상을 Thomson 효과라 부르게 되었습니다. 또한 Seebeck 효과, Peltier 효과와 Thomson 효과를 통틀어 열전 현상이라 한다.이 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와 두개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받지 않는다.따라서 특정 열전대의 온도에 따른 열기 전력을 미리 읽을 수 있으므로 온도 측정이 가능하다. 이 열전대의 온도측정범위, 측정 장소의 상황, 필요로 하는 정밀도 등에 따라 적당한 소선을 선택하여야 함은 물론, 장시간 연속 사용 할 때에도 항상 같은 성능 발휘하여야 한다.열기전력이 발생하는 원인은 다음가 같을 것으로 생각된다. 일반적으로 금속 속의 자유전자는 그 금 속의 종류나 온도에 특유한 에고 있다. 같은 종류의 금속이라도 고온의 것과 저온의 것을 접촉시키면 전자 에너지가 다르기 때문에 전자가 한쪽으로 이동해 가서 전위차가 생긴다.이 열기전력에 의해 전류를 흘리는 장치를 열전대라고 한다.열기전력은 금속의 종류와 두 접속점의 온도차에 의해 변하는데 온도차가 클수록 열기전력은 커진다.열전대는 온도 측정에 널리 이용되고 있다. 흔히 사용되는 것은 동과 콘스탄탄의 조합인 열전대의 저온측은 보온병에 빙수를 넣은 것을 사용하고 고온측은 온도를 측정하려는 곳의 단자가 된다. 그 때 발생하는 기전력을 전압계로 조사해서 온도를 잴 수 있는 것이다.예를 들어, 구리와 콘스탄탄의 조합을 온도차 100℃로 하면, 4.3mV의 기전력이 생겨, 전류는 고온부의 접점에 있어서 열전류가 높은 콘스탄탄에서 열전류 가 낮은 구리 쪽으로 흐르게 된다. 열전온도계는 이 현상을 온도측정에 이용한다Seebeck효과는 아래와 같은 식이 적용된다.여기서 αAB는 두 금속 A, B의 Seebeck 계수이다.A 와 B, C와 B의 Seebeck계수를 알고 있으면 C에 대한 A의 Seebeck은으로 정해진다.-열전대의 원리저온 접점을 기준으로 도선 A에서 B로 전류가 흐를 때 도선 A는 B에 대해 양극이 되고 이 때의 Seebeck 전압 VAB는 두 금속선의 특성과 양 접점의 온도 차에만 관계가 있다.여기서, αAB가 두 금속 A, B의 Seebeck 계수이다.A와 B, C와 B의 Seebeck 계수를 알고 있으면 C에 대한 A의 Seebeck은로 구할 수 있다.열전대의 원리는 종류가 다른 금속선 두 개의 양끝 단을 접속하여 만든 것으로 이 양끝단 접점에 온도 차가 발생 할 때 이 폐회로에 열기전력이 발생하여 회로에 전류가 흐른다. 이 열전기력의 크기와 극성은 양단의 온도와 두 개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받지 않는다. 따라서 특정 열전대의 온도에 따른 열전기력을 미리 읽을 수 있으므로 온도 측정이 가능하다. 한쪽 접합점을 떼어 미전압계를 연결할 때 기 수 있고 이기전력은 온도에 비례하므로 온도를 측정할 수 있다. 이러한 금속선을 열전대라고 하며 열전대의 접속단을 측정접점이라 하고 도선 또는 계기와의 접속단을 기준접점 이라고 한다. 측정접점의 온도가 기준접점보다 높을 경우에 전류가 측정접점에서 기준접점으로 향하여 흐르는 것을 +, 다른 쪽을 –라 한다.한쪽의 접점을 0°C 로 유지할 때 다른 쪽의 온도 0°C 와 열기전력 V 사이에는V= αθ+ 1/2β (α, β는 열전대를 만드는 금속의 고유한 상수)의 관계가 성립한다.- 실험에 관련된 그림 및 도표 (참고)This shows the net charges after the respective electron densities in the two materials have reached equilibrium. The thing to note is that the electric fields point in the same general direction so that a current "goes with" one E-field and "goes against" the other.Seebeck effect는 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 접속한 2점 사이에 온도 차를 주면 기전력이 발생하여 전류를 흘리는 현상이다. (ΔT→E)열전기변환기는 열에너지를 fan을 돌릴 수 있는 전기에너지로 변환하기 위해 전기 전자의 종류를 사용한다. 각각의 전지는 반도체이다.실험 시 열은 전자 안으로 들어가서 전자의 에너지 수준을 높인다. 전자가 고 에너지 상태가 되면 결정 내에서 정공을 남기고 자유롭게 이동한다. 저 에너지 전자는 자유롭게 이동할 수는 없으나 정공 사이를 뛸 수 있다. 이런 식으로 정공 또한 반도체 물질을 통해 이동할 수 있다. 전자는 N형 반도체 물질을 통해서 이동하고, 정공은 P형을 통해 이동한다.(N형과 P형은 실리콘결정에, 전자와 정공의 이동을 쉽게 하는 즉, 전기전도성을 증가하게 하기 위해 특별한 불순물 첨가한 도핑처리 된 물질이다.)르는 전자는 fan모터를 가동하고, 회로 끝에서 나오는 전자는 다시 전지로 들어가 P형 반도체 안의 정공을 채운다. 이 현상은 찬 부분 끝에서 일어난다. 전자가 정공을 채우면서 약간의 초과된 에너지는 포기하고 열은 유지한다. 온도 차가 있을 때는 전자와 정공의 계속된 이동으로 양전극이 유지되고 fan은 계속 회전하다. 그러나 온도 차가 없으면 과잉 에너지를 포기할 장소가 없어서 전자와 정공의 결합은 없다. 따라서 열전기 전지는 열역학 제2법칙이 성립한다고온부에서 많은 전자가 충만대에서 전도대로 이동되고 저온부 쪽으로 확산된다. 이에 따라 상대적으로 고온부에서 저온부 쪽으로 향하는 전기장이 생기므로 반도체 내부의 에너지 준위가 경사를 이루고 양측 금속의 페르미 준위 사이에 온도 차가 생겨 고온부가 양전위의 열기전력이 생긴다.- 실험 장치에 대한 다양한 그림Tube furnace voltmeter4) 실험 기구 및 장치─ thermocouple (thermopile)─ voltmeter, multiplying resistor─ 1 ohm resistor─ 1000ohm resistance box─ voltmeter, battery, thermometer5) 실험 방법 및 절차ⅰ) 그림에서처럼 장치를 구성하라.ⅱ) thermocouple의 한 접합면을 얼음물로 넣고, 다른 접합면은 비이커의 끊는 물에 담근다.ⅲ) 뜨거운 물을 10℃ 또는 15℃ 간격으로 냉각시키고 전압계와 온도계의 눈금을 기록한다.ⅳ) 두 접합면이 0℃가 될 때까지 ⅲ)을 반복하라.ⅴ) 결과에 따라 온도에 대한 전압 곡선을 결정한다.6) 예상 되는 결과- 실험 결과에 대한 기존의 자료 Data (표)-필수- 변수 (온도, 주파수, 인가 전압 등)에 따른 특성 변화 예측기존의 자료 Data에 의하면 위의 그림과 같이 온도가 증가함에 따라 열기전력도 상승함을 알 수 있다. 따라서 온도 변수에 따른 열기전력은 항상 비례한다.7) 고찰재료공통실험1 마지막 과제의 Topic으로 우리에게는 Seebeck ef 방법이 주어졌다. 여러 가지 생소한 Topic들 가운데 Seebeck effect란 Topic은 생소하지 않았다. 이 실험은 앞서 수행하였던 열전대 실험을 통하여 이미 학습한 부분이 있었기 때문에 친근하게 느껴졌고 이번 과제가 다시 복습할 수 있는 기회가 되었다. 열전현상(열과 전기와의 상호적인 관계에 의해 발생하는 현상)은 세가지(Seebeck effect, Peltier effect, Thomson effect)로 나눌 수 있는데 우리는 그 중 하나인 Seebeck effect 의 측정방법에 대해 공부해 보았다. 이번 과제는 아쉽게도 실험을 할 수 있는 시간과 준비가 안된 관계로 서적이나 인터넷 등을 통하여 자료를 찾고 레포트를 작성하는 방식이었다. 하지만 우리 Topic은 2주차 실험에서 이미 수행하였으므로 seebeck effect에 대해여 이해하기가 좀 더 수월했으며, Seebeck effect 에 관련된 여러 가지 그림 자료가 있어 더욱 쉽게 이해할 수 있었다. 측정 방법에 대하여 학습하는 과정에서 우리는 Furnace 사용법과 voltmeter를 이용하여 기전력을 측정하는 법도 익힐 수 있었다. 또한 seebeck effect 대하여 여러 참고서적이나 자료 등을 통하여 학습하면서 어떤 원리에 의하여 seebeck effect를 측정할 수 있는 것인지 알게 되었다. 직접 실험을 하지 못하여 아쉬움이 남지만 그래도 열전대와 seebeck현상에 대하여 확실하게 알 수 있는 좋은 기회가 되어 뿌듯하다.8) 참고 문헌- 실험 절차가 포함된 참고 문헌-필수- 재료공통실험- 재료공통 실험 강의자료- HYPERLINK "http://blog.naver.com/codam99/140006034066" http://blog.naver.com/codam99/140006034066- HYPERLINK "http://grape894.tistory.com/entry" http://grape894.tistory.com/entry- http://blog.naver.com/da9

공학/기술| 2009.08.20| 10페이지| 1,000원| 조회(1,114)

Seebeck effect, 제백효과, Seebeck effect 측정, 제백..

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금속재료조직실험(현미경실험) 평가B괜찮아요

1. 이론적 배경? grain: 원자가 규칙적으로 배열하여 이루어진 다면체. 일반적인 금속재료는 수많은 grain 으로 되어있다.? grain boundary: 다결정에서 결정립과 결정립 사이의 경계. 결정립의 성장은 주위의 결정립과 접촉하여 성장을 멈출 때까지 자라게 된다. 이때, 각 결정립은 다른 결정 방위를 가 지게 된다. 또한, 두 결정립이 만나는 계면에서 원자의 불일치가 존재하게 되는데, 이를 grain boundary라고 한다. 결정립계에는 많은 경우 제2의 원소들이 편석하는 경우가 많으 며, 또 한 결정립 내부보다 에너지가 높은 상태이기 때문에 산으로 에칭하면 우선 부식되 어 현미경으로 관찰시 검은 선으로 나타난다. 그리고 소성변형 시 소성변형을 억제하는 역 할을 한다.?grain size 구하는 방법: 결정립 크기는 다음과 같은 교차법을 이용하여 결정된다. 우선 여러 장의 결정립 구조 사진 위에 같은 길이의 직선을 그린 후, 그려진 각 선을 교차하는 결정립의 개수를 세어, 선의 길이를 결정립의 평균 개수로 나눈다. 결정립의 평균 지름은 사진의 실제 배율로 위의 결과를 나누어서 결정한다.? polishing: 어떤 재료의 미세조직을 관측하고자 고체의 표면을 다른 고체의 모서리나 표면으로 문질러 매끈하게 하는 것을 말하며 조직은 연마를 거치면서 점점 미세해지고 경면화 된다. 또 한, 연마재를 사용하여 연마의 효율을 높일 수 있는데 연마재로는 알루미나 분말 수용액, 산화크롬 분말 수용액, 마그네시아 분말 수용액, 다이아몬드 유용페이스가 있다.? 광학현미경: 광학현미경은 광원으로부터 나오는 빛을 집속렌즈가 모아 시편에 조사하면 대물렌즈에서 일차 확대상을 만든 후 대안렌즈에서 최종배율인 확대된 상을 결정하여 눈으로 관찰할 수 있게 하는 것을 원리로 한다. 또 한, 대게의 경우 40～400배 정도의 배율을 가지며 특수장치를 이용하면 1000～2000배 정도의 배율도 가능하다. 하지만 가시광선이 갖는 한계로 인하여 그 이상의 배율은 얻기 힘들다.2. 실험목적금속조직을 검사하는 방법을 알아서 제조과정에서 일어나는 조직의 변화와 그 재료의 조직과 성질과의 상호관계를 연구 한다. 재료의 기본적 물성 평가를 위한 기초 단계로서 시료를 준비하는 방법 중 polishing에 대해 배운다. 또 재료의 미세조직 및 상 관찰을 위한 기초 단계로서 광학현미경 관찰에 대해 배우고 조작해 본다. 현미경으로 금속입자의 크기, 모양, 배열을 볼 수 있고, 또 탄소 함유량과 조직사진의 관계에 대해서도 알 수 있다. 또한 금속의 조직에 미치는 열처리, 가공 및 기타 처리의 영향을 알 수 있다.3. 실험장치 및 시약-시편(SM20C,세라믹), cutter(시편절단기:SM20C, 정밀절단기:세라믹), sand paper(#220, #400, #800, #1200), 광학현미경, 물, polishing cloth, alumina colloid, mounting (Cold-mounting), 부식액 (질산5%, 에탄올95%), 알콜, ultrasonic(초음파)세척기, 스케일바4. 실험순서①. 시편준비-20C의 금속을 cutter를 사용하여 1cm 정도의 크기로 자른다.②. 마운팅-자른 금속을 Cold-mounting 하고 굳을 때까지 기다린다.③. 폴리싱-Cold-mounting이 굳으면 금속을 잡아 sand paper에 대고 물을 조금씩 부어가 며 한방향으로 연마한다. (sand paper는 낮은 번호부터 높은 번호 순서로 사용.) 단계가 올라갈 때마다 수직방향으로 돌려서 연마하며 Scratch가 없어지고 거울처럼 빛날 때 까지 연마(polishing)한다. (연마시 발생하는 시편과 연마지의 분말을 제거해주지 않으면 scratch가 발생할 수 있기 때문에 단계가 올라갈 때마다 ultrasonic세척기로 수시로 세척해주는 것이 좋다. )④. sand paper로 연마가 끝나면 polishing cloth에 alumina colloid를 사용하여 경면이 거울처럼 빛이 날 때까지 연마(polishing) 한다.⑤. 경면이 거울처럼 빛이 나면 알코올 용액으로 세척하고 Scratch가 나지 않게 주의하며 휴지로 물기를 닦는다.⑥. 에칭-물기를 닦아낸 후 부식액(질산 5%, 에탄올 95%)을 사용하여 10~15초정도 부식시킨다.⑦. 부식이 된 금속을 알코올을 사용해서 세척하고 휴지로 물기를 닦는다.⑧. 완성된 금속을 광학현미경을 사용하여 표면미세조직을 관찰한다. (저배율에서 고배율로 관찰한다.)(세라믹도 같은 방법으로 실험한다.)5. 결과-광학현미경으로 본 20C 금속의 표면미세조직 (2000배)6. Discussion? 탄소함유량과 조직사진의 관계에 대해서 조사하라.철에 탄소가 0.1% 이상 함유되어 있으면 페라이트(ferrite) 이외에 펄라이트(pearlite)가 뚜렷이 나타나게 되는데 위에 사진에서 알 수 있듯이 20C조직도 탄소가 0.2% 함유되어 있기 때문에 페라이트와 펄라이트가 뚜렷이 나타난다. 여기서 펄라이트가 차지하는 면적은 탄소 함유량의 증가에 따라 증대하고, 펄라이트가 많아짐에 따라 경도, 인장강도는 증가하고, 반대로 신율, 충격치 등은 감소한다. 펄라이트의 부분은 검게 부식되기 쉽고 고배율로 보면 층상으로 보인다. 탄소량이 약 0.25% 이하의 아공석강은 급냉(quenching), 템퍼링(tempering)을 실시하면 기계적 성질이 좋아지고 강인성을 증대시켜 기계부품에 적합하게 되지만 저탄소강에서는 특히 질량효과가 크므로 두께가 두꺼운 부품에는 내부까지 경화시킬 수 없어 내부의 기계적 성질 향상은 바랄 수 없다.또 한, 탄소가 0.8%보다 적은 아공석강에서는 냉각함에 따라 오스테나이트 결정립계에서 초석페라이트가 석출하고, 남아있는 오스테나이트의 탄소농도는 공석조성에 가까워진다. 727°C의 온도에 도달하면 오스테나이트 중의 탄소농도는 공석조성인 0.8%가 되므로, 온도가 727°C 이하로 내려가면 오스테나이트는 공석조직인 펄라이트가 된다. 과공석강에서는 초석 시멘타이트가 오스테나이트의 결정립계에서 석출함에 따라 오스테나이트 중의 탄소의 함량이 감소하고 마찬가지로 727˚C가 되면 오스테나이트는 공석조성이 되어 공석변태를 하게 된다.? 관찰된 조직은 표준 조직과 비교, 대조해서 조직성분과 전체의 조직명칭 조사하라.표준조직-아공석강(0.45%C)표준조직-아공석강(0.2%C)관찰한 조직-아공석강(0.2%C)관찰한 조직에서의 백색과 흑색부분의 경계가 가장 뚜렷하지 않지만 세 조직 모두에서 백색과 흑색부분이 나타나는 것을 볼 수 있다. 세 사진에서의 백색부분은 페라이트, 흑색 및 층상부분은 펄라이트 이다. 세 조직 모두 탄소함유량이 0.8% 이하이기 때문에 아공석강이라고 한다.(Ferrite: 극히 연하고 연성이 크며 인장강도는 비교적 작다. 상온에서는 강자성이며 전기전도는 높다. 또 한 퀜칭에 의해서 강화되지 않는다.Pearlite: 페라이트에 비해 강하고 경하며 담금질에 의해 강화된다.)? 세라믹(mullite)조직 사진을 찾아서 분석하고 추가로 자신의 세라믹 사진과 비교하라.mullite조직사진관찰한 mullite조직사진? 일반적으로 세라믹의 결정립이 금속에 비해 조밀한 이유에 대해 설명하라.금속과 세라믹은 결합의 종류가 다르다. 금속의 결정립은 양이온이 되기 쉬운 원소들이 자유 전자를 내어 이 자유전자에 의해 결합한 금속결합으로 되어있고, 세라믹은 금속원소와 비금속 원소 사이의 결합으로 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의해 결합한 이온결합으로 되어 있다. 금속과 세라믹은 결합종류가 다르기 때문에 결합력도 다를 수밖에 없다. 금속결합보다 이온결합이 결합력의 세기가 더 세기 때문에 금속보다 세라믹의 결정립이 더 강하게 결합되어 있다. 그러므로 더 조밀한 구조를 갖고 있는 것이다.그리고 세라믹의 결정립이 금속에 비해 조밀한 또 다른 이유는 세라믹은 금속과 달리 소결을 한다는 것이다. 그럼 우선 소결에 대해 알아보자. 소결이란 분말 성형체 (powder compact)가 가열에 의해 조립화 (粗粒化, coarsening) 또는 치밀화 (緻密化, densification)를 이루는 과정을 말한다. 조립화라는 것은 기공이 많고 강도가 거의 없는 분말 성형체가 가열에 의해 밀도의 변화는 없이 입자끼리의 결합에 의한 표면적 감소와 높아진 강도를 나타내는 것이다. 그 좋은 예는 세라믹스 단열재나 세라믹스 촉매 담체의 소결이다. 그리고, 치밀화라는 것은 기공이 많고 강도가 거의 없는 분말 성형체가 가열에 의해 밀도의 증가(기공의 감소)와 함께 입자끼리의 결합에 의한 표면적 감소와 높아진 강도를 나타내는 것이다. 대부분의 고강도 세라믹스 제품의 소결은 여기에 해당된다. 그러나, 실제에서는 치밀화가 진행되면서 어느 정도의 조립화가 같이 일어나게 된다. 그러므로 소결을 통해 세라믹은 조립화되어 표면적은 감소하고 강도는 높아지기 때문에 금속보다 조밀한 것이다.참고적으로, 소결과정을 살펴보면 초기, 중기, 말 나누어 생각할 수 있다. 물론 소결수축이 없는 증발-응축 기구, 표면확산 기구, 격자확산 기구등에서는 초기단계의 넥크 형성만이 나타나는 것이 일반적이다. 소결수축이 있는 다른 기구에서도 이 3 단계가 완전히 구분되어 일어나는 것은 아니고, 서로 어느 정도 겹쳐서 일어나는 것이 보통이다. 각 단계에서 일어나는 주요 현상을 정리해 보면 다음과 같다.초기단계 (期段階, initial stage)는 입자와 입자 사이에 넥크가 형성되는 단계로써, 보통 소결수축이 약 3-5%까지 되는 단계를 말한다. 이 단계는 소결의 구동력이 크기 때문에, 소결이 빨리 일어나게 된다. 이 때, 기공들은 열린 기공 (open pore)으로 존재하기 때문에 빈자리의 소멸에는 아무런 문제가 없으며, 약간의 결정립 성장이 일어난다. 다만, 이 단계가 끝나면 분말의 표면적은 상당히 줄어진다.

공학/기술| 2009.08.16| 7페이지| 1,000원| 조회(3,448)

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