재료과학 공학박사윤천한 chyoon@empal.com
금속재료의성질 1. 물리적성질가 ) 비중 (Specificsravity):4 의물의무게와똑같은부피를가진물체의무게와의비나 ) 열적성질 1) 용융점 (melting point) : 금속을가열하면녹아서액체가된다. 이때의온도를용융온도또는용융점이라한다. 2) 응고온도 : 액체상태의금속을냉각시키면원래의고체로돌아가는데, 이때의온도를응고온도라한다. 3) 비열 (Specific heat) : 물질 1g을 1 만큼높이는데필요한열량 (cal) 을비열이라한다. 4) 열팽창계수 : 물체의온도가 1 상승하였을때증가한물체의치수가팽창하기전의치수와의비를열팽창계수라한다. 길이의것을선팽창계수, 부피의경우를부피팽창계수라한다.
즉. 온도 t 에서길이 l 인물체가 t' 로가열되었을때그길이가 l' 로늘어났다고하면, 선팽창계수 α 는 l -ll α = l(t -t) 5) 열전도율 : 길이 1cm에대하여 1 의온도차가있을때, 1cm 2 의단면적을통하여 1초사이에전달되는열량을열전도율 (cal cm/cm 2 sec ) 이라한다. 은 (1.0)> 구리 (0.94)> 금 (0.71)> 알루미늄 (0.53)> 아연 (0.27)> 니켈 (0.22)> 철 (0.16)
2. 전기적성질 가 ) 전기전도율 : 전기의전도하는정도를전기전도율이라한다 나 ) 열기전력 : 두개의서로다른금속을접합하고, 각각의접점에온도차를주었을때발생된전위차를열기전력이라한다. 다 ) 자기적성질 : 철을자기장속에놓으면유도작용에의해서자화된다. 강자성체 :Fe,Co,Ni 상자성체 :Zn,Mg,Pt,Al 반자성체 : Cu, Au, Hg, Pb, Si, Zn 비자성체 : Ag, Hg, Si
상자성체 반자성체
3. 기계적성질 가 ) 연성 (ductility) : 물체가탄성한도를초과한힘을받고도파괴되지않고늘어나서소성변형이되는성질. 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금, 납, 아연, 철순이다. 나 ) 전성 (malleability) : 타격, 압연작업에의해얇은판으로넓게펴질수있는성질을말한다. 금, 은, 알루미늄, 철, 니켈, 구리, 아연순이다. 다 ) 인성 : 금속의질긴성질, 즉굽힘이나비틀림작용을반복하여가할때이외력에저항하는성질. 라 ) 탄성 : 외력을가하면변형되고외력을제거하면변형이제거되는성질. 스프링마 ) 인장강도 (tensile strength) : 인장시험에서인장하중을시험편평행부의원단면적으로나눈값바 ) 취성 ( 脆性, 메짐또는여림 : brittleness) : 물체의약간변형에도견디지못하고파괴되는성질. 물체가연성 ( 延性 ) 을갖지않고파괴되는성질. 사 ) 가공경화 (work hardening) : 금속이가공에의하여강도, 경도가커지고연신율이감소되는성질
아 ) 강도 (strength) : 물체에하중을가한후파괴되기까지의변형저항을총칭하는말로서보통인장강도가표준이다. 재료가외력에대하여저항력을표시하는세기이며, 인장강도, 압축강도, 전단강도등이있다. 강도는하중 / 단면적 (kgf/cm 2 or Pa) 로나타낸다. 자 ) 경도 (hardness) : 금속의표면이외력에저항하는성질. 주철-- > 경강--> 구리--> 알루미늄 차 ) 가단성 (malleability) : 단조, 압연, 인발등에의하여변형할수있는성질. 카 ) 가주성 (castability) : 가열하면유동성이좋아져서주조작업이가능한성질. 타 ) 피로 : 재료에인장과압축하중을오랜시간동안연속적으로되풀이하면파괴되는데이런현상을재료의피로현상이라하고파괴되지않는현상을피로강도또는내구한도라한다. 파 ) 크리프 : 재료를고온으로가열한상태에서인장강도, 경도등을말한다. 즉고온에서의기계적성질이다.
* 자연에존재하는원소 : 92종금속원소 68 종, 아 ( 준 ) 금속원소 7 종, 비금속원소 17 종 * 융점최저상온에서액체상태인수은 (Hg) -38.4, 최고 W 3410 * 비중최소물보다가벼운 Li 0.53, 최대 Ir 22.5 경금속 Al(2.7), Mg(1.74), Be(1.85), Ti(4.5) 중금속 Fe(7.87), Ni(8.90), Cu(8.96), Cr(7.19)
4. 화학적성질 가 ) 부식성 : 금속이산소, 물, 이산화탄소등에의하여화학적으로부식되는성질을부식성이라고하며, 부식성을이온화경향이큰것일수록크며 Ni, Cr 등을함유한것은부식이잘되지않는다. 나 ) 내산성 : 산에견디는힘을말한다.
제 2 장원자의구조와결합 1. 원자가. 원자핵과전자결정고체는원자가규칙바르게배열을한격자를짜고있다. 따라서, 물질 ( 금속 ) 의성질을규명하려면그구성물인원자의성질을알아야한다. 가장간단한모형으로서러더퍼드 (Rutheford) 의원자구조는양전기를띤원자핵 (automic nucleus) 과이것을싸고회전하는음전기를띤몇개의궤도전자 (obital electron) 로되어있다. 핵의지름은약 10-8 cm 에비하면약 10,000분의 1정도작다. 원자핵은양전기를가진양성자 (proton) 와전기를가지지않은중성자 (neutron) 로되어있으며, 중성원자에서양성자의수와핵외전자의수가같다. 원자의질량은대부분원자핵에있다. 양성자와중성자의질량은거의같으며, 각각 1개의질량 (1.6725 x 10-19 C) 을1로한다.
표 2-1 수소, 탄소, 질소, 산소등의원자구조 원자원소명양자의수중성자수전자수질량수 번호 1 H 1 0 1 1 6 C 6 6 6 12 7 N 7 7 7 14 8 O 8 8 8 16
가. 결합력에의한결정의분류원자들의결합방식에는다음 4가지종류가있다. 1) 이온결합 (ionic bond) : 양 ion과음 ion간에생기는정전기적인력에의한결합, 외력에의하여변형되기힘들고, 저온에서는전기전도도가거의없으나고온에서는 ion의이동, 즉 ion 전도에의한전기전도를나타낸다. 그림 2-2와 2-3은 NaCl의이온결합을나타낸것이다. 예 : NaCl, CsCl 그림 2-2 NaCl 의이온결합 그림 2-3 MgCl 2 이온결합
2) 공유결합 (covalent bond) : 이웃하는원자사이에서가전자를공유함에의하여상호원자간에발생되는인력에의한결합, 결합력이강하고결정이단단하며전기및열전도도는낮다. 그림 2-4 와 2-5 는원자의공유결합을나타낸것이다. 예 :diamond, SiC 그림 2-4 원자의공유결합 그림 2-5 Cl 의공유결합
3) 금속결합 (metallic bond) : 원자들이서로근접하면최외각전자궤도가서로중복되므로가전자는특정원자의주위에만한정되지않고결정전체에걸쳐서공통적으로운동하는영역이생겨이른바전자운 (electron cloud) 이형성되며가전자를상실한十 ion은이一전하의전자운간에작용하는인력에의하여결합된다. 금속결합의특징은자유전자의존재에있다. 그림 2-6 Fe 의원자구조 그림 2-7 금속의최외각자유전자의이동
4) Van der Waals force : 불활성 gas와같이최외각이충만된원자에서는 ion결합이나공유결합이일어날수없으나, 전체로서중성인원자라도집단체속에서는다른원자들의영향으로원자핵이보유하는十전하의중심과주위의전자 가갖는一전하의중심이완전히일치하지않고어긋나는현상즉, 분극현상을일으켜인력이생기게되며, 이인력을 Van der Waals force라한다. 이에의한결합은결합력이매우약하므로원자의열진동 이작은저온에서만이루어질수있으며, 유기화합물의분자간의결합에서흔히볼수있다. 예 ;A,CH 4 등 이온결합을이극결합 (heteropolar bond) 공유결합을등 이온결합을이극결합 (heteropolar bond), 공유결합을등극결합 (homopolar bond)
3. 금속의결정구조 1. 금속의결정가. 결정의특성금속과같이상온에서원자가규칙적으로배열하여있는것을결정이라고한다. 결정을구성하는원자는핵과전자로되어있으며, 금속의성질은핵에강하게결합되어있는전자와비교적자유롭게결정내에서움직이고있는전자로구성되어있다. 원자들사이에서의결합력은쿨롬 (Coulomb) 힘에의해원자간의평형위치가보존되고있다고할수있다.
나. 결정격자와단위포 그림 3-1 금속의결정립내의원자배열
금속은그림3-1와같이다양한크기의결정입자 (grain) 가무질서한상태로집합되어있는다결정체 (polycrystal) 이지만각각의결정립을보면원자들이어떤규칙을이루면서배열되어있다. 그림 3-2 와같이이같은원자들의배열을결정격자 (crystal lattice) 또는공간격자 (space lattice) 라고한다. 이러한공간격자는그림 3-3 3 과같이최소단위인단위격자 ( 단위포 : unit cell) 로구성되어있다.
2. 금속결정의종류 결정을이루는원자의공간적배열은 3차원의좌표계를생각하면이해하기쉽다. 규칙배열인금속의원자공간에있어서의원자의위치는각각의좌표축에따른단위길이의평형이동의조합으로나타낼수있다. 그림 3-3 과같이 3개의좌표축을 x, y, z축으로하고그사이각이 α,β,γ 일때축에대한단위거리는a, b, c라고하면이들의단위길이와각사이에는표3-2와같이7 결정계와이들결정계의기본이되는최소단위의공간형은브라베이스 (Bravais) 의 14 결정격자형으로나타낼수있다. 금속원소의결정구조는비교적간단한것이많고대부분금속의단위격자는표 3-1과같이 3종류에속한다.
표 3-1 주요금속의결정격자와성질 결정격자금속일반적성질 체심입방격자 (BCC) Li, Na, K, α-ti, V, Mo 면심입방격자보다는, W, α-fe, δ-fe, Nb, 전연성이적으나금속 β-zr 자체는강하다. 면심입방격자 Ca, Sc, γ-fe, Ni, Pt, 전연성이크기때문에 (FCC) Cu, Ag, Au, Al 가공성이좋다. 조밀육방격자 (HCP) Mg, Zn, Be, Cd, Ti, Te 취약하며전ㆍ연성이 적다.
감람석 [ 橄欖石 ;olivine] 마그네슘, 철따위를함유한규산염광물. 사방정계에속하며, 감람색, 흰색, 회색따위를띠고, 빛깔이곱고맑은것은보석으로쓴다. 감람석의화학조성은일반적으로 A 2 BO 4 로표현할수있다. 감람석은온도가높을때만안정하게되며온도가낮고물이있으면쉽게열수변질 ( 熱水變質 ) 을받아서사문석 녹니석 자철석 활석등의광물이된다. 대부분의감람석은 1,500 이상의온도에서도잘녹지않으므로내화 ( 耐火 ) 벽돌을만들때종종쓰인다. 투명한녹색감람석은페리도트 (peridot) 라하며보석으로쓰인다. 완전히사문석화된감람암은흔히수석 ( 壽石 ) 으로이용된다.