금속의 강화 방법

9.5 금속의 4가지 강화 방법

앞 포스팅에서 금속의 전위와 슬립면을 통해 파괴가 일어나는 원리에 대해 다루었다. 그렇다면 그 원인을 제거하면 금속이 파괴가 일어나지 않게 조절할 수 있을 것이다. 일반적으로 파괴는 금속내에서 전위가 이동하기 때문에 발생한다. 그렇기에 이후 설명할 4가지 방법도 전위가 움직이는 것을 제한하는 방법의 일종으로 이해하여도 된다.

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1. 결정립 미세화

 

다결정 금속에서는 수많은 결정립이 존재하고 이는 전위의 이동을 방해한다. 만일 결정립의 크기를 작게하여 단위부피당 수를 늘린다면 전위의 이동이 효과적으로 막아질 것이다.

결정립계에 의해 전위의 이동이 방해받는 것에 대한 모식도

조금더 자세히는 두 결정립의 결정 방향이 다르므로 전위는 결정립계에서 그 방향을 바꾸어야 하고 방향의 크기가 클수록 이는 더 힘들다. 게다가 결정립계에서는 원자가 무질서하므로 슬립면은 연속해서 이어지지 않는다. 

 

참고로 전위는 결정립계를 넘어서 이동하는 것이 아니라 다른 결정립에 첨단에 응력 집중을 일으킴으로서 그 결정립에 새로운 전위를 만드는 방식으로 이동한다. 

Hell-Petch 관계식 

이를 수식적으로 Hell-Petch 관계식 을 통하여 이해할 수 있는데 ( d 평균 결정립 크기, Ky 재료상수 ) 대체로 결정립의 크기가 작을수록 강도가 세진다. (위의 그래프에서는 1/d 이므로 반대로 해석해야 한다)  

 

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2. 고용체 강화

 

금속을 단단하게 하는 또 다른 방법에는 다른 원소를 침입, 치환 시키는 방법이 있다. 합금에 의한 강화가 이러한 원리가 적용된다. 이른바 고용체 강화(solid-solution strengthen)이다. 보통 고순도 금속은 항상 연하고 약하기 때문에 이종원소의 농도가 증가하면 인장강도와 경도는 증가한다.   

작은 치환형 원소에 의한 인장 격자변형률

큰 치환형 원소에 의한 압축 격자변형률

작은 치환형 원소는 주변 격자가 안쪽으로 인장되고, 큰 원소는 격자가 밖으로 압축되어 격자에 변형이 생긴다. 이종원소가 전위 주변에 존재하면 전위는 이를 피해가야 하므로 격자 변형률은 더 커지고 이는 전위의 이동을 방해한다. 즉, 강도와 경도가 증가한다. 

구리의 도핑에 대한 인장강도(tensile)와 항복강도(yield)의 증가

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3. 석출 강화 (Precipitation)

 

고용체 강화와 비슷한 개념으로 석출강화라는 방법도 존재한다. 석출강화는 금속에 세라믹 물질을 석출시켜 표면에 박다움으로서 전위의 이동을 제한하는 방법이다.  

비행기의 날개에 사용되는 알루미늄에 세라믹을 첨가하여 강화하는 것이 대표적이 예이다.

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4. 냉간 가공 ( cold working, strain hardening )

 

냉간 가공은 상온에서 금속에 변형을 일으킴으로서 점점 단단해지는 현상이다. 금속에 응력이나 압축을 가하면 전위들은 서로 가까워지게 되고, 전위에 존재하는 변형장이 서로 밀쳐내며 서로의 움직임을 방해하게 된다. 따라서 냉간 가공이 증가할수록 필요한 응력이 커진다. 

 

냉간 가공의 4가지 방법

냉간 가공률의 정의

 

냉간 가공이 진행되면 일반적으로 재료의 항복강도와 인장강도가 강해진다. (즉 강도가 세진다) 또한 이와 동시에 연성은은 감소하게 되는데 이는 변형에 대한 주요한 특성이다.  

 

 

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9.6 열처리에 의한 회복, 재결정, 결정립 성장

지금까지 금속의 강화를 위한 방법에 대해 다루었다. 이에 의해 발생한 미세구조는 다시 변화할 수 있을까? 이에 대한 해답이 바로 열처리(annealing)이다. 열처리가 진행되면 금속은 가공전의 상태로 돌아가게 되는데, 회복 -> 재결정 -> 결정립 성장 단계를 거친다. 이에 대해 더 자세히 알아보자.

1. 회복 (recovery)

 

열처리가 진행되면 활발해진 원자 확산에 의해 내부의 변형률에너지가 감소한다.

 

2. 재결정 (recrystallization)

 

열처리에 대해 회복 과정이 지나면 변형된 재료와 변형되지 않은 재료의 에너지 차이로 인하여 새로운 결정립의 핵을 생성한다. 이런 결정립들은 기존의 재료를 완전히 바꿀때까지 커져 결국 원래 재료의 상태로 돌아오게 만든다. 냉간 가공으로 변화한 특성은 이때 원래대로 돌아온다.

 

3. 결정립 성장 (grain growth)

 

재결정후 금속을 고온상태에 유지시키면 결정립은 계속 성장한다. 결정립계의 존재에 의해 모여진 변형률에너지가 풀리는 과정이므로 이것이 구동력이 되어 결정립은 성장한다. 

시간에 따른 결정립의 변화에 대한 실험적공식