금속의 강화 - 결정립 미세화 / 고용체 강화 / 석출강화 / 가공경화

금속으로 구조물을 만들려면 적절한 강도와 연성이 필요한 합금을 만들어 주어야합니다.

여기서 전위의 중요성이 대두되는데, 금속의 강화와 소성변형은 큰 관련이 있기 때문입니다.

이번 포스팅에서는 금속의 강화 방안에 대해 알아볼 것인데,

크게 네가지로 나누어 보았습니다. 결정립 미세화, 고용체강화, 석출강화 그리고 가공경화 입니다.

 

결정립미세화는 전위와 큰 연관이 있는데, 그 이유는 결정립이 작아지면 곧 결정립계가 많아진다는 뜻이고,

이는 전위의 움직임에 장애물로 작용하여 슬립을 방해하게 됩니다.

그 이유는 결정립의 방향이 다르므로 전위가 진행하기 위해 운동방향을 바꾸어야하는데, 여기서 더 많은 에너지가 들어가고, 또한 무질서한 배열이 한 결정립에서 다른 결정립으로 가는 슬립면의 불연속을 초래하게 됩니다.

따라서 작은 결정립을 가진 재료는 큰 결정립으로 된 재료보다 총 결정립 면적이 커서 더 강하고 단단하게 됩니다.

재료의 항복강도 \(\sigma_y = \sigma_0 + K_yd^{-1/2}\) 이라는 식이 성립합니다.

여기서 d는 평균 결정립 지름이고 d가 작아지면 \(\sigma_y\) 값이 감소하게 됩니다.

또한 결정립의 크기를 작게하면 강도가 증가하며 인성 또한 증가하게 됩니다. 즉 파괴가 잘 일어나지 않게 됩니다.

결정립 크기는 액체가 식을 때 응고되는 속도로 규정할 수 있습니다.

 

두번째로 고용체 강화는 치환형 고용체나 침입형 고용체의 불순물을 추가하여 합금형태로 만들어주는 것을 의미합니다.

그림으로 표현해보면

고용체 강화

이러한 형태로 원자의 크기가 다르므로 주변의의 원자 배열이 튀틀리게 됩니다. (격자변형)

이러한 뒤틀린 상태에서는 전위의 이동이 힘들어지게 됩니다. 

이떄 강도가 증가하고, 항복강도가 증가하며 연신율은 하락하게 됩니다. 결정립미세화의 경우 강도가 증가해도

연신율이 떨어지지 않는 경우도 있답니다.

이러한 고용체 강화가 원자단위라면, 석출강화는 같은 원리이지만 큰덩어리 단위 입니다. 

따라서 슬립의 방해 정도가 훨씬 크게 됩니다.

 

마지막으로 변형경화에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

변형 경화란 연성금속에서 소성변형을 계속해서 일으켜 더 단단해지는 현상인데, 이는 가공경화라고도 합니다.

보통 상당히 낮은 온도에서 가공을 한다하여 냉간가공이라고 하는데,

가공을 하는 방식은 크게 4가지

Forging - 단조 / Rolling - 압연 / Drawing - 인단 / Extrusion - 압축 으로 나뉩니다.

냉간가공율은 냉간(cold)이므로 CW% = \(\frac{A_0-A_d}{A_0}x100\) 입니다.

여기서 \(A_0\)는 가공전 단면적 \(A_d\)는 가공후 단면적이 됩니다.

물론 가공후 단면적은 작아지게 될 것입니다.

이러한 가공 후엔 전위가 서로 얽혀 강도가 증가하는 것 입니다. 또한 전위가 점점 증가하며 전위밀도는 더욱 올라가게 됩니다.