1강 .금속재료의 특성

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가연 방
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1 1 장. 금속상태도와조직 -목차- 1.1 금속재료이해 1.2 상태도해설 1.3 철강상태도와조직 학습목표 : 금속재료기초지식습득및강의상태도 해석과활용에필요한기본개념습득 학습내용 : 금속의구성원리와각합금간의영향, 상태도해석및철강재료의조직판독학습 미리생각해보기 : - 병원에서암조직을보는이유는? - 금속조직은왜바뀌는가? - 조직을보고금속의성분, 생산공정을파악할수있는가? 재결정단계의현미경사진 ( 황동 ) 1

1.1 금속재료이해 1.1.1 금속의공통적특성 1) 상온에서고체이며결정체이다. ( 단, Hg는제외 ) 2) 열과전기의양도체이다. 3) 비중이크고금속적광택을갖는다. 4) 소성변형이있어가공하기쉽다. 5) 이온화하면양 (+) 이온이된다.

2 1.1 금속재료이해 금속의공통적특성 1) 상온에서고체이며결정체이다. ( 단, Hg는제외 ) 2) 열과전기의양도체이다. 3) 비중이크고금속적광택을갖는다. 4) 소성변형이있어가공하기쉽다. 5) 이온화하면양 (+) 이온이된다. 결정구조와해당되는금속 BCC( 체심입방격자 ) 구조 : Ba,Cr, 알파 -Fe, Mo,Nb FCC( 면심입방격자 ) 구조 : Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pb, Pt HCP( 조밀육방격자 ) 구조 : Be, Cd, Mg, Ti, Te, Zn V,Ta 2

3 1.1.2 결정구조해석 * 결정구조해석과실무이해 1. 방향 (direction) 표시 : [xyz] --- 방향족 < > 2. 면 (plane) 표시 : (xyz) --- 면족 { } 그림 b 그림 c 그림 a 슬립면이해하기 3

4 알고갑시다! 슬립 (Slip) 에대하여알기쉽게이해하기 단결정의슬립 가공된금속의슬립밴드 4

의결정격자속으로들어가균일한단상 ( 單相 ) 을이루고있을때이를고용체 (solid solution) 이라한다.

5 1.1.3 순금속과합금 - 순금속 : 단일금속 - 합금 : 2 종이상의금속또는금속과비금속을혼합한재료 합금의구조 (3가지) 1) 고용체 : 고용체란어느금속이타금속 ( 비금속포함 ) 과혼합 ( 합금 ) 될때에수용되는금속 ( 용질원자 ) 은한개한개의원자가되어수용하는금속 ( 용매원자 ) 의결정격자속으로들어가균일한단상 ( 單相 ) 을이루고있을때이를고용체 (solid solution) 이라한다. 2) 공정 : 응고할때 A,B금속이융합되지않고, 단순히혼합될때 3) 금속간화합물 : A금속과 B금속이화합물을구성할때 Al-Si 합금에서관찰된 α 상과공정조직 Al-Si 합금에서관찰된초정 Si 과공정조직 5

6 1.1.4 합금구조알기쉽게이해하기 상 (Phase) 과고용체 (Solid Solution), 화합물의구조 상의이해와합금구성원리 Cu-Ni 합금에서의액상, 고상,& Cu-Zn 의화합물 6

7 1.2 상태도해설 개요공학재료에대한연구에서특정금속과합금에대한용도가커짐에따라재료의본질적인성질을밝히는것과함께화학조성의차이점, 불필요한특성을나타내는성분유무, 온도, 압력, 조성이변할때의여러현상에대한재료성질을파악하고자할때 평형상태도이용. 상 (Phase) 물리적으로독특하고, 화학적으로동질이며, 기계적으로분리할수있는물질. 평형상태도 (equilibrium phase diagram) 3 가지중요한변수 : 온도 (temperature), 압력 (pressure), 조성 (composition) 액체금속은냉각되어융점에이르면응고가시작되며각이온은結晶을구성하는일정한格子點에고정되므로이제까지의운동에너지가열의형태로방출 ( 응고의潛熱 ) 되며, 액체전부가응고할때까지온도가일정하게유지. 7

8 1.2.2 냉각곡선과용해도연구 냉각곡선 용해도연구 ` < 소량의액체동의응고에대한시간 - 온도곡선 > <Al-Ag 평형상태도에서석출을나타낸다 > 8

9 1.2.3 상태도연구 ( 예로서 A,B 금속을액상에서혼합하여합금하는경우 ) 고용체 共晶 금속간화합물 9

10 예 ) 공정조직의이해 Pb-Sn 합금의공정조직 10

11 좀더알아보기 고용체와석출의차이점을알자 11

12 * 석출물, 분산입자에의한강화 a. 탄소강에 V, Mo, W, Cr, 또는 Nb 등을첨가하면템퍼링과정에서 2차경화를일으키고강도가향상된다. 이것은 550 부근의템퍼링으로 V4C3 또는 C, WC, Cr7C3,NbC 등의탄화물이석출되기때문이다. b. Al 합금에서의 T6열처리 ( 아래그림참조 ) 상태도와열처리싸이클 12

13 Al-Cu 합금에서의 T6 열처리후 - 전자현미경으로조직관찰 13

14 1.3 철강상태도와조직 *** 가장많이사용하고있는금속 : Fe 과그합금 재료의구비조건 1 쉽게구할수있는재료 ( 경제성 ) 2 가공이용이한재료 ( 가공성 ) 3 기계의성능을장기간유지할수있는재료 ( 성능유지성 ) 철강의분류및 Fe-C 상태도 - 학술적 - - 공업적 - 철강...1) 순철 : % 이하 ( 상온에서는 0.008% 이하 ) 0.05% 이하 2) 강 : ~2.11%C 0.05~1.50%C 아공석강 ~0.77%C 공석강 %C 과공석강 ~2.11%C 3) 주철 : 2.11~6.68%C 2.5~3.8%C 아공정주철 ~4.3%C 공정주철...4.3%C 과공정주철...4.3~6.68%C 14

15 1.3.3 철강상태도이해하기 금속간화합물 Fe3C 지금까지배운합금의구성요건이철 - 탄소상태도에서어떻게활용되는지 확인해보자. 철의상태도 포정반응 공정반응 고용체 포정 공정 공석 금속간화합물 공석반응 15

1) 상태도 / 조직판독에필요한지식 철강상태도에대한충분한이해가필요. 오스테나이트로부터펄라이트형성을나타낸개략도 1534 0.

16 1) 상태도 / 조직판독에필요한지식 철강상태도에대한충분한이해가필요. 오스테나이트로부터펄라이트형성을나타낸개략도 % 용융액 1394 온 도 ( ) 912 오스테나이트 γγ 철 % % 0 탄소량 (%) 16

17 생각해보기 예 :FCC 결정에서의침입공간 침입공간을찾자! BCC 결정구조에서침입구조를찾아보자! a a 17

18 2) 각구간별상의변화및원소간의반응 아공석강의변태 과공석강의변태 18

19 3) 왜열처리가되는가 ( 열처리원리 ) a) 철과탄소의역할 b) 냉각속도에따라조직이바뀐다. 합금원소와냉각속도와의관계를이해하자 19

20 4) 강의가열변태 Pearlite 로부터 Austenite 로의변태를이해하자! A1 변태 가열시의오스테나이트변태원리를이해하자 20

21 5) 강의성질에미치는 Austenite 입도의영향 오스테나이트가퍼얼라이트로변태할때는오스테나이트결정립의표면에서일어난다. 따라서오스테나이트결정립이미세할수록그표면넓이가커지고퍼얼라이트변태가촉진된다. 강의담금질에있어서는오스테나이트결정립이미세할수록냉각속도를빠르게해서퍼얼라이트변태를저지하도록한다. 21

22 6) 변태에의하지않은강을가열할때의조직변화 a) 강이상온가공경화되었을경우에 A1 변태점이하의가열에의해재결정이일어난다. b) A1 변태점바로아래의온도로장시간가열하면시멘타이트의구상화가일어난다. ( 아래사진 ) 22

23 7) 냉각변태 (TTT 곡선의활용 ) TTT 곡선이란오스테나이트 (γ) 상태의강을 A1 변태점이하의일정온도로급냉하여그온도에서유지하면 γ 相은어느시간변하지않고준안정상태로있다가변태를시작하여어느시간후에변태를끝낸다. 이와같이 γ 相을일정온도로유지한채변태시키는처리를항온변태또는등온변태라하며이의곡선을 TTT 곡선 (Time-Temperature Transformation Diagram) 또는 S 곡선이라한다. 23

24 TTT 곡선활용하기 변태곡선의 활용연습 조직제어예 공석강에서다음과같은미세구조를얻는데필요한과정의개략적인시간ㆍ온도다이어그램을그려라. (a) 조대한펄라이트 (b)50% 펄라이트와 50% 베이나이트 (c)80% 마르텐사이트와 20% 펄라이트 24

25 연습문제풀기 오른쪽그림에서 (a) (b) (c ) 의 조직이바르게된것은? 1) (a) 100% 베이나이트 (b) 50% 펄라이트 50% 베이나이트 (c) 100% 마르텐사이트 2) (a) 100% 베이나이트 (b) 100% 마르텐사이트 (c) 50% 펄라이트 50% 베이나이트 3) (a) 100% 마르텐사이트 (b) 100% 베이나이트 (c) 50% 펄라이트 50% 베이나이트 25

알아보기 1 TTT 변태과정 : 1727 이상에서 γ 는안정된相이며 2727~566 까지는 γ 는펄라이트인 α+ 탄화물로변태 온도가내려감에따라변태에걸리는시간이감소 ( 왜냐하면核생성이용이해지기때문 ) 낮은온도에서의빠른핵생성은더욱미세한펄라이트 (HBS 170~400) 를만든다.

26 알아보기 1 TTT 변태과정 : 1727 이상에서 γ 는안정된相이며 2727~566 까지는 γ 는펄라이트인 α+ 탄화물로변태 온도가내려감에따라변태에걸리는시간이감소 ( 왜냐하면核생성이용이해지기때문 ) 낮은온도에서의빠른핵생성은더욱미세한펄라이트 (HBS 170~400) 를만든다. 3566~216 까지는 γ 는베이나이트인 α+ 탄화물로등온변태한다. 온도가내려감에따라변태에걸리는시간이증가 ( 왜냐하면核생성이용이하더라도확산이느리기때문 ) 온도가감소함에따라높은핵생성은더욱미세한베이나이트 (HBS 400~580) 를만든다.4216~ - 46 까지는 Ms~ Mf 로 γ 는냉각함에따라마르텐사이트로변태한다. 26

27 알아보기 2 CCT 곡선이란오스테나이트를일정한냉각속도로연속냉각하여변태의개시점과종료점을측정해서온도와對數눈금의시간관계로도시한곡선을연속냉각변태곡선 (Continuous Cooling Transformation Diagram) 또는 CCT 곡선이라한다. CCT 곡선 27

28 8) 강의뜨임변태 담금질된강을뜨임하면 1. 정방정마르텐사이트의결정격자에서탄소원자의석출 2. 잔류오스테나이트의분해 3. 시멘타이트에로의분해 4. 시멘타이트의응집 템퍼링효과 28

29 1.3.4 강의명칭 강은합금원소의종류나용도, 제조방법에따라분류되고다음과같은명칭으로부른다. 1) 합금원소에의한분류 : 탄소강 주요합금원소로서탄소를함유한강합금강 특별한성질을주기위하여탄소이외의합금원소를첨가한강 2) 제강로에의한분류전로강 고로에서보내는용선을원료로전로에서정련한강전기로강 주로강설을원료로전기로에서정련한강평로강. 용선또는강설을원료로평로에서정련한강 3) 제조방법에의한분류압연강재 압연기에서열간압연을하여만들어진강단강품 강괴를단련하여만들어진강제품주강품 용강을주형에부어서주물로만들어진강제품 29

30 4) 탈산방법에의한분류 a. 림드강 주로 Mn 을용강에첨가하여가볍게탈산하여만들어진강 b. 킬드강 Mn 외에 Si, Al 을사용하여충분히탈산한강 c. 세미킬드강 림드강과킬드강의중간정도에서탈산하여만들어진강 Rimmed 강 Semi-killed 강 Killed 강 30

31 1.3.5 금속재료의기본성질 1) 물리적성질과원소의특성 ( 합금에서의역할 ) 금속원소기호융점 ( ) 밀도 ( 비중 ) g/ cm3 합금에서의특성 ( 역할 ) 니켈 Ni 1, 인성증가, 저온충격저항증가 크롬 Cr 1, 내마모성, 내식성 몰리브덴 Mo 2, 뜨임취성의방지 텅스텐 Mo, W 3, , 19.3 고온에서인장강도 / 경도증가 구리 Cu 1, 강중에서내산화성 실리콘 Si 전자기특성, 내열성 바나듐티타늄, 지르코늄 V Ti, Zr 1,900 1,668, 결정립의조절 31

32 2) 각종원소와금속 / 조직간의특성 특 성 원 소 페라이트강화성 P, Si, Mo, Ni, Cr, W, Mn 담금질효과침투성 V, Mo, Mn, Cr, Ni, W, Cu, Si 오스테나이트결정립의성장방지성 Al, V,Ti, Zr, Mo, Cr, Si, Mn 뜨임저항성 V, Mo, W, Cr, Si, Mn, Ni 탄화물생성 Ti, V, Cr, Mo, W 원소간의특성과조직관계 32

33 좀더알아보기 소성변형양식금속재료의탄성변형은원자사이의거리변화에기인하나, 소성변형은결정의변형에원인이있으며이에대한원리에는슬립, 쌍정이있다 슬립. 쌍정 33

34 재결정알아보기 가공된황동합금의소둔온도가인장강도와연성에미치는영향 34

35 1 장. 금속상태도조직요점정리 금속의결정구조에따라금속의성질이바뀐다. 합금의원리는고용체, 공정 ( 공석포함 ), 금속간화합물 3가지가있다. 철-탄소합금은탄소함유량에따라분류한다. 상태도를이용하여금속의조직변화를예측할수있다. 철에합금원소를첨가하여내부조직을개선, 원하는물성을얻을수있다. 철강의조직은고용체 - 페라이트, 오스테나이트공정 - 레데브라이트공석 - 퍼얼라이트화합물 - 시멘타이트가있다. 35

Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08

Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08 304 vs. 316 STS 비교 304 316 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S30400 316 S31600 0.08 0.08 1.00 1.00 Mn P S Cr 2.00 2.00 0.045 0.045 0.050 0.050 18.00 20.00 16.00 18.00 Ni 8.00 10.5