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궁민 감
6 years ago
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1 Chapter 13. Types and Applications of Metals Ceramics, and Polymers ( 금속, 세라믹, 고분자재료의종류및응용 ) Metal alloys, ceramics, polymeric materials Ferrous alloys ( 철합금 ), nonferrous alloys ( 비철합금 ) Steels ( 강 ), cast irons ( 주철 )

2 Fig Metal alloys ( 금속합금 ) 의분류.

3 Ferrous Alloys ( 철합금 ) Iron ( 철 ) ~ 금속중가장널리사용 1) 풍부히존재 2) 비교적쉽게 extraction ( 선광 ), refining ( 정련 ), alloying ( 합금화 ) & fabrication ( 가공 ) 3) 다양한기계적, 물리적성질 단점 : corrosion susceptibility ( 부식에취약 )

4 Steels ( 강 ) Fe C alloys + other alloying elements C 함량이기계적성질에큰영향 Low-carbon steel ( 저탄소강 ) Medium-carbon steel ( 중탄소강 ) High-carbon steel ( 고탄소강 ) Plain carbon steel ( 순탄소강 ) ~ C 이외의다른원소는미량함유 Alloy steel ( 합금강 ) ~ 합금원소를특정농도만큼첨가

5 Low-Carbon Steels : C 함량이 0.25 wt% 미만 Microstructure ~ Ferrite 와 Pearlite 혼합상으로구성 ( 아공석 (hypoeutectoid) 조성이므로 ) Fe-Fe 3 C 상평형도참조 (Fig ) 특징 : soft, weak but ductility & toughness machinable ( 기계가공성 ), weldable ( 용접성 ) 강중에서가장저렴 용도 : 차체, I-beam, 앵글등구조물, pipe, 다리, can 류 c.f.) High-strength, low-alloy steels (HSLA steels), 고강도저합금강 : 저탄소강이면서 Cu, V, Ni, Mo 등합금원소를 10% 함유 순저탄소강보다강도, 경도, 내부식성우수

6 Eutectic point Eutectoid point Fig Fe-Fe 3 C 계의상평형도.

8 Medium-Carbon Steels : C 함량이 0.25~0.6 wt% 미만 Microstructure ~ Tempered martensite (austenitizing quenching tempering) 특징 : 저탄소강에비해강도, 연성, 강인성 용도 : 열차바퀴, 철로, 기어, 크랭크축, 기계부품, 고강도구조재 High-Carbon Steels : C 함량이 0.6~1.4 wt% Microstructure ~ Tempered martensite 특징 : 탄소강중에서가장강도, 경도, 연성 용도 : 높은내마모성이요구되는분야 ( 절삭공구, 칼날, 면도날, 톱날, 스프링 )

9 Stainless Steels : highly resistant to corrosion 주합금원소 ~ Cr ( 적어도 11 wt% 이상 ), Mn, Ni, Mo Microstructure ~ 주된상에따라분류 Ferritic stainless steels Austenitic stainless steels: Cr 및 Ni 농도가장높음 ( 내부식성가장강함 ) 비자성 (nonmagnetic) Martensitic stainless steels 특징 : 산화에강함, 기계적성질우수 ( 높은강도, 내부식성 ) 고온, 극한환경에서사용 용도 : gas turbines, 고온 steam boilers, furnaces 비행기, 미사일, 원자력발전부품

10 Cast Irons ( 주철 ) : C 함량이 2.14 wt% 이상 ( 보통 3~4.5 wt%) 용융온도비교적낮음 (1150~1300 o C) very brittle casting ( 주조 ) 이가장일반적인가공방법 C 농도가높아준안정상인 cementite 가상분리되어 ferrite 상및 graphite 상을형성하기도함 Fe 3 C 3Fe (α) + C (Fig. 13.2) Cementite Ferrite Graphite 1 wt% 이상의 Si 존재시흑연생성촉진 & 냉각속도느릴수록 C 가흑연상으로존재

11 Fig 준안정상 cementite 대신안정상 graphite 로나타낸 Fe-C 상평형도.

12 Types of Cast Irons : Gray (cast) iron, ductile iron, white (cast) iron malleable iron, compacted graphite iron 1) Gray iron ( 회주철 ) ~ graphite flakes, weak & brittle in tension stronger in compression, wear resistant 유동성우수 주물제조시유리금속재료중가장저렴, excellent vibrational damping Fig 진동흡수능의비교 : (a) steel, (b) gray iron.

13 2) Ductile (or Nodular) iron ( 연주철 or 구상주철 ) ~ Mg & Ce 을첨가, 흑연상이구상형태 회주철보다강도, 연성 3) White iron ( 백주철 ) ~ cementite 와 pealite 상, 백색, very hard but brittle 4) Malleable iron ( 가단주철 ) ~ 장미꽃형의흑연상, 상대적으로높은강도및연성우수 Heat-treated white iron at o C 5) Compacted graphite iron ( 조밀흑연주철, CGI) ~ Si 에의해흑연화촉진된주철 미세조직은회주철과연주철의중간형태 열전도도, 열충격저항성, 고온산화저항성 미세구조와기계적성질은조성및열처리가결정

14 Fig (a) 회주철, (b) 연주철.

15 Fig (c) 백주철 (d) 가단주철 (e) 조밀흑연주철.

16 Fig 주철의 Fe-C 상평형도와열처리에따른미세구조.

17 Nonferrous Alloys ( 비철합금 ) Ferrous alloy 의단점 : High density Low electrical conductivity Poor corrosion resistance 합금가공방식 : Cast alloy ( 주조합금 ) ~ too brittle, 소성변형어려운재료 Wrought alloy ( 단조합금 ) ~ 소성변형이가능한재료

18 Cu & Alloys Copper ~ Soft & ductile, corrosion resistant cold working ( 냉간가공 ) Brass ( 황동 ) ~ Zn이치환형불순물로첨가된합금, 35 wt% 까지가능 FCC 결정구조, soft & ductile, 냉간가공의복장식, cartridge case, 악기, radiator, 동전 Bronze ( 청동 ) ~ Sn, Al, Si, Ni 등을첨가시킨합금 Stronger than brass, 내부식성 Bearing, clutch disk, gears, springs, 용접봉

19 Al & Alloys Aluminum ~ Low density (2.7 g/cm 3 ) Steel (7.9 g/cm 3 ) 전기전도도 & 열전도도 내부식성, 연성 Al foil sheet 제조가능, T m = 660 o C, FCC Cu, Mg, Si, Mn, Zn 등을첨가하여합금 고용체강화 응용분야 : 비행기동체, 음료수 can, 버스차체, 자동차부품 (engine blocks, piston) 등 특수 Al 합금은 steel 보다 specific strength

20 Mg & Alloys Magnesium ~ Low density (1.7 g/cm 3 ) HCP 구조상대적으로연하고탄성계수 상온소성변형어려움, 보통 hot working ( 열간가공 ) T m = 651 o C, 비교적불안정 Fine Mg powder ~ 쉽게점화 Al, Zn, Mn 등을첨가해합금화 응용분야 : 비행기, 미사일, 가방, 휴대장비, 자동차부품 Audio-video-computer-communications 장비 ( 노트북, 캠코더, TV, 휴대폰 )

21 Ti & Alloys Titanium ~ ρ = 4.5 g/cm 3, T m = 1668 o C ( 낮은밀도, 높은용융점 ) 인장강도, 비강도, 연성, 내부식성 비행기, 우주선, 인공뼈, 석유화학산업 Refractory Metals ( 내화금속 ) Nb, Mo, W, Ta ( 매우높은용융점, 2468 ~ 3410 o C) 금속원자간결합력, 강도, 경도, 내부식성 W의용도 : 필라멘트, X-선관, 용접전극 Noble Metals ( 귀금속 ) Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Os ( 물리적특성이유사한 8종원소 ) 귀금속중에서흔함 : 산화와부식에강함, 고가, soft & ductile 금, 은 ~ 구리와고용체강화백금 ~ 촉매로사용, 고온측정용열전쌍 (thermocouple)

22 그밖의비철합금 Ni & alloys ~ 알칼리환경에서내부식성 부식방지용금속표면 Pb, Sn & alloys ~ Soft & weak, T m, 내부식성 Can 내부코팅 (steel과식품과의화학반응억제 ), 양철납땜재료 (Pb & Sn alloy) Zn & alloys ~ T m, 화학반응성, 부식에약함 Soft (100 o C 이상에서전성및연성우수 ) 주로합금으로사용 c.f.) Galvanized steel ( 아연도금강 ): 탄소강에아연층을도금한강 Zn이우선산화되어 steel을보호 ( 판재금속, 철망 함석 )

23 Types of Ceramics ( 세라믹의종류 ) Fig 응용면으로분류한세라믹재료.

24 Glasses ( 유리 ) Noncrystalline silicates ( 비정질규산염 ) ~ 주원료 Na 2 O, CaO, K 2 O, Al 2 O 3, B 2 O 3 등산화물함유 특징 : Transparent & easily fabricated

25 Glass-Ceramics Noncrystalline glass ( 비정질유리 ) 고온열처리결정화 (crystallization) or 비유리화 (devitrification) Glass-ceramics ( 미세결정구조의다결정재료 ) 강도, 열전도도, 열충격저항 ( 열팽창계수 ), 제조간단 Ovenware, tableware, oven windows 등에사용

26 Clay Products 저렴, 성형용이, 고온소성 (firing) 하면강도 Structural clay products ( 구조용점토제품 ) : 벽돌, 타일, 하수관 Whitewares ( 백자 ) ~ 소성후흰색으로변함 : 자기, 도기식기류 Refractories ( 내화물 ) 가혹환경에서도불활성상태유지고온에서용융 or 분해않음 Thermal insulation ( 단열 ) 내화점토, Alumina (Al 2 O 3 ), Silica (SiO 2 ), Zirconia (ZrO 2 ) 등 ex) Furnace linings, 유리제조, 금속열처리, 발전소

27 Cements 점토, 석회석 (CaCO 3 ), 석고 (CaSO 4 ), 석회 (CaO) 등을포함한혼합물 CaCO 3 CaO Ca(OH) 2 석회석생석회소석회 고온가열 H 2 O 물과혼합하면고착 (setting) 후경화됨 calcination 석고 ( 경화지연효과 ) Portland cement: 점토 + 석회석분말혼합포장 (SiO 2 +CaO) + 물고화

28 Types of Polymers ( 고분자재료의종류 ) Plastics ( 플라스틱 ), Elastomers ( 탄성체 ), Fibers ( 섬유 ) Plastics Thermoplastics ( 열가소성고분자 ) PE, PP, PVC, PS, PMMA, PA, ABS, PET Thermosettings ( 열경화성고분자 ) Epoxies, Phenolics, Polyesters 종류와성질이다양함 Ex.) Optical transparency: PS, PMMA Low friction coefficient: PTFE ( 고온에서내화학성 )

31 Elastomers SBR (Styrene-butadiene rubber) ~ 자동차타이어가황고무 (TS, 마모, 인열저항성 ) Carbon black 첨가로물성더욱향상 Silicone rubbers ( 실리콘계고무 ) ~ -90 o C까지높은유연성 (flexibility) 유지 250 o C까지안정성 (stability) 유지내수성, 윤활유에대한저항성

33 Fibers 섬유의조건 : length/diameter > 100 섬유는가공중 stretching, twisting, shearing & abrasion 겪음 TS, 탄성률 (E), 내마모성 (Polymer chain 의화학적특성과 drawing 공정에의해가능 ) MW, 결정화도, 선형사슬 인장강도 의류로의적합성은열적성질 (T g & T m ) 에의해좌우

34 Miscellaneous Applications Coatings ~ 재료의표면에도포하는얇은고분자필름 paint, varnish, enamel, lacquer 등 To protect materials from corrosion or deterioration To improve material s appearance To provide electrical insulation Adhesives ~ 두고체재료의표면을결합시키는데사용되는물질결합방식 : Mechanical ~ penetration into pores/crevices Chemical ~ covalent or van der Waals bonding Films ~ 식품및제품의내용물보호및포장목적 low density, high flexibility, high tensile & tear strengths, resistance to chemical/moisture attack, low gas permeability Foams 미세한기공을많이포함하고있는플라스틱재료

35 Advanced Polymeric Materials Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) 중량평균분자량 (M w ) ~ 4 x 10 6 g/mol 성질 : high impact strength resistance to wear/abrasion low coefficient of friction self-lubricating surface very good chemical resistance outstanding sound/energy absorption excellent electrical insulation UHMWPE 활용 : bullet-proof vests golf ball covers hip implants (acetabular cup)

36 Liquid Crystalline Polymers ( 액정고분자, LCP) : 액체상태에서도규칙적인배열이가능해결정성을보이는고분자 Fig 용융상및고체상고분자의분자구조 : (a) 결정성고분자, (b) 무정형고분자, (c) 액정고분자.

37 Thermoplastic Elastomers ( 열가소성탄성체, TPE) Styrene-butadiene block copolymer ( 스티렌블록공중합체 ) styrene hard component domain butadiene soft component domain Fig Styrene-butadiene-styrene (S-B-S) 열가소성탄성체의구조식. Fig S-B-S 열가소성 탄성체의모식도.

38 (Probs.) 13.2, 13.4, 13.6, 13.12, 13.14, &

06_PropsAppsOfMetals

06_PropsAppsOfMetals Chapter6 Properties and Applications of Metals 강의명 : 기계재료공학 (MFA9009) 정영웅창원대학교신소재공학부 YJEONG@CHANGWON.AC.KR 연구실 : #52-208 전화 : 055-213-3694 HOMEPAGE: HTTP://YOUNGUNG.GITHUB.IO Intro 새로운재료의개발이주업무가아닌엔지니어라면재료와관련된대부분의문제는특정한응용에필요한적절한특성을갖는재료를선택하는것이다.