재료과학 교과목의목적 : 재료의성질에대한기본개념들의소개와이해 교과목의주요내용 : 1. 재료의분류와그유형의이해 2. 재료활용과문제해결능력배양 3. 최신신소재에대한응용부품이해 교과목의학습목표 : 적절한재료활용능력 재료가관련되는설계문제의해결능력
주교재 : 교재 Materials Science and Engineering: An Introduction W.D. Callister, Jr. and D.G. Bethwisch, 8th edition, John Wiley and Sons, Inc. (2011). ( 번역서 : 재료과학과공학, 박인규외공역, 시그마프레스, 2007 년 3 월 ) 부교재 ( 참고교재 ): 수업계획서참조
재료공학원리의 4 가지구성요소 공정 (processing) 구조 (structure) 성질 (properties) 성능 (performance) (1) 재료공학은위의 4 가지구성요소간의관계가서로긴밀하게연관되어있으며, 어느한가지요소가바뀌면나머지요소도변화한다. (2) 그로부터얻은지식을실생활에활용하는학문분야
금속 (Metals): 고강도, 연성 고열전도도, 전기전도도 불투명, 빛을쉽게반사 재료의분류 세라믹스 (Ceramics): 취성, 고탄성 부도체 ( 절연체 ), 낮은열전도도 고분자 (Polymers/plastics): 저강도, 연성, 저밀도 ( 가볍다 ) 열및전기의절연체 광학적으로반투명또는투명 - 원자결합방식의차이로부터기인한구조의차이에서재료는위와같이분류된다.
재료의분류 복합재료 (Composites): 서로다른두가지이상재료의조합 Strong( 강성 ), ductile( 연성 ) high thermal & electrical conductivity( 금속 : 자유전자 ) opaque( 불투명 ), reflective( 반사 ) 신소재 (Advanced Materials) a 반도체 (Semiconductors)- 도체와절연체의중간적성질 ( 재료내불순물농도및분포를제어하여재료의전기적특성조절 ) 생체재료 (Biomaterials)- 인체무해, 인체조직과의조화 ( 금속, 세라믹, 폴리머, 복합재료, 반도체 ) 스마트재료 (Smart Materials)- Sensor+Actuator ( 형상기억합금, 압전세라믹, 자기변형재료, 자성 / 전성유체 ) 나노재료 (Nanoengineered Materials)- 크기에의해분류 (Nano=10-9 m, 물질의물성적 / 화학적성질은입자의크기가원자크기에접근하게되면현격히달라짐 )
재료의전기적성질의예 구리의전기비저항 (Electrical Resistivity of Copper) 비저항 Resisti vity, r 10-8 Oh hm-m) 6 5 4 3 2 at%: atomic percent Adapted from Fig. 18.8, Callister 7e. (Fig. 18.8 adapted from: J.O. Linde, Ann Physik 5, 219 (1932); and CA C.A. WertandRM R.M. Thomson, Physics of Solids, 2nd edition, McGraw-Hill Company, New York, 1970.) ( 1 0-200 -100 0 온도 T ( C) - 구리와니켈은 100% 전율 solid solution( 고용체 ) 를만드는물질이며, 이렇게되면순수한구리의자유전자가이동할때용질로들어간니켈에부딪혀전도도의방해를받게되고저항은증가하는형태가된다. 또한, 재료를가공을하게되면, 재료내부에다량의전위가발생하게되며전위에의해자유전자의산란이발생하여전기전도도는감소하게된다. ( 금속의경우회복과재결정과정은전기전도도증가를유도하는한가지방법이다. )
재료의열적성질의예 구리의열전도도 (Thermal Conductivity) uctivity K) 400 300 Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e. (Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.) Therm mal Cond (W/m- 200 100 Cu 0 0 10 20 30 40 Composition (wt% Zinc) Zn - 열을전달하는자유전자의움직임이방해받아열전도도가감소한다.
자화 재료의자기적성질의예 규소강의투자율 (Magnetic Permeability) 변화 ization Magnet < 철과규소강의자화곡선 > Fe+3%Si Fe Adapted from C.R. Barrett, W.D. Nix, and AS A.S. Tetelman, The Principles i of Engineering Materials, Fig. 1-7(a), p. 9, 1973. Electronically reproduced by permission of Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey. Magnetic Field 자기장 - 변압기에들어가는 core 가규소강판으로구성된다. 이는발전소에서전력손실을줄이기위해고압으로전달되는전력을가정으로보내기직전에전압을낮출목적으로변압기내부재료로사용된다.
재료의광학적성질의예 Polycrystal 단결정 ( 다결정 ): (single crystal) low porosity polycrystal: high porosity 이온결합성세라믹스 (ex: Al 2 O 3 ) Adapted from Fig. 1.2, Callister 7e. (Specimen preparation, P.A. Lessing; photo by S. Tanner.) 동일한재료임에도불구하고광학적성질이다른이유는구조가다르기때문이다. 다시말해가시광선이투과하게되면투명한특성을나타내며, 기공에서산란현상으로인해그대로투과하지못하게되면불투명한특성을나타내는것이다.
배워야할주요내용 11 장금속과합금 금속과합금의분류와그활용 금속과합금의일반적인가공기술 열처리에의한금속과합금의성질변화 금속 (Metal)- 고체가되었을때광택이나고, 전기및열전도가우수, 전성 ( 展性 ) 및연성 ( 延性 ) 을가진홑원소물질 ( 자유전자 ) 합금 (Alloy)- 하나의금속에다른금속이나비금속원소가첨가되어고용체를이뤘을때합금이라고칭한다. 금속간화합물 (Intermetallic compound)- 두개이상의금속이간단한정수비로결합한화합물. ( 강도는높고, 고온특성도우수하나취성이강하다.)
금속재료의분류 : 철계와비철금속 금속재료 <1.4wt%C C 철계 강철 ( 탄소강 ) Cast 주철Irons 3-4.5 wt%c C 비철금속 Cu Al Mg Ti Adapted from Fig. 11.1, Callister 7e. 1600 δ 1400 1200 1000 α ferrite 800 600 T( C) γ+l γ austenite 727 C 2.1 wt% Eutectoid: 0.76 1148 C L γ+fe 3 C 공석점 α+fe 3 C 4.30 L+Fe 3 C Eutectic: Adapted from Fig. 9.24,Callister 7e. (Fig. 9.24 adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) Fe3C cementite (Fe) 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 < 철 - 탄소상태도 > C o, wt% C 2
철강의상변태총정리 오스테나이트 ( ) 서냉 펄라이트 ( + Fe 3 C 층상조직 + 초석상 ) 중간속도냉각 베이나이트 ( + Fe 3 C 판상 / 침상 ) 급냉마르텐사이트 (BCT 상 ) 무확산변태 재가열 강도 마르텐사이트템퍼드마르텐사이트베이나이트미세펄라이트조대펄라이트스페로이다이트 연성 템퍼드마르텐사이트 ( + 매우미세한 Fe 3 C 입자 ) - 조직을 control 할수있다는것은강철의강도, 연성, 경도등을제어할수있음을의미한다.
저탄소 <0.25wt%C 철강재료 (Steels) 저합금탄소강 중탄소 0.25-0.6wt% C 첨가하는합금원소량에따라분류 고탄소 0.6-1.4wt% C 고합금탄소강 명칭 활용분야 일반 첨가원소 none auto struc. sheet 고강도저합금일반열처리가능 Cr,V Ni, Mo none Cr, Ni Mo 예 1010 4310 1040 4340 1095 4190 304 경화능 0 + + ++ ++ +++ 0 인장강도 - 0 + ++ + ++ 0 연신율 + + 0 - - -- ++ bridges towers press. vessels crank shafts bolts hammers blades pistons gears wear applic. none wear applic. increasing strength, cost, decreasing ductility 일반공구강스테인리스강 Cr, V, Mo, W drills saws dies Cr, Ni, Mo high T applic. turbines furnaces V. corros. resistant Based on data provided in Tables 11.1(b), 11.2(b), 11.3, and 11.4, Callister 7e. 3
경화능 = 경화능은결정립도와화학성분에따라달라지며, 경화능을증대시키는원소로는 C, Mn, Cr, Mo, Ni 등이있다. 경화능은표면압입에대한저항정도를의미한다. 인장강도 = 시험편이파단날때까지의최대인장하중 (W max ) 를시험전시험편의단면으로나눈값 연신율 = 길이 l 0 인봉 ( 棒 ) 의양끝을크기 F 인힘으로잡아당겨늘렸을때에봉의길이가 l 로되었다고하면, Δl=l-l 0 은봉이늘어난길이이다. 이렇게늘어난길이를퍼센트로나타낸양, 즉 (Δl/l 0 ) 100 이연신율이된다. 스테인리스강 = 마르텐사이트계열 (Cr) 페라이트계열 (Cr+Mo) 오스테나이트계열 (Cr+Mo+Ni etc.) Dual-Phase 계열 (ferrite+austenite) Ni- 내식성과강도를좋게함. 하지만가격이높음.
철강의제련 BLAST FURNACE - 고로 ( 내화벽돌 ) gas refractory vessel layers of coke and iron ore 철광석 slag air Molten iron 코크스석회석 제철 - 제선공정과제강공정으로나눌수있다. 가열과정 C( 코크스 )+O 2 CO 2 (g) 철광석의환원과정 CO 2 +C 2CO ( 일산화탄소 ) 3CO+Fe 2 O 3 2Fe+3CO 2 (g) 정제과정 CaCO 3 CaO+CO 2 CaO + SiO 2 + Al 2 O 3 slag 4
철계합금 금속원소 Fe(Iron) 를함유하는소재 : 강철 (Steels) 과주철 (cast irons) AISI & SAE에의한명칭부여 10xx 일반탄소강 (Plain Carbon Steels) 11xx 일반탄소강 (resulfurized for machinability) 15xx Mn (10 ~ 20%) 40xx Mo (0.20 ~ 0.30%) 43xx Ni (1.65-2.00%), Cr (0.4-0.90%), Mo (0.2-0.3%) 44xx Mo (0.5%) xx 는탄소함량을나타냄 (wt% C x 100) 예 : 1060 steel 0.60 wt% C 일반탄소강스테인리스강 (Stainless Steel) -- >11% Cr 5
주철 (Cast Iron) 탄소함량이 2.1 wt% C 을초과하는철계재료 통상적으로 3-4.5 wt% C 함량의철계재료 융점이낮아주조공정에적합 미세조직을구성하는시멘타이트 (Cementite) 가분해하여페라이트 (ferrite) + 흑연 (graphite) 구조를형성 Fe 3 C 3 Fe (α) + C (graphite) 6
Fe-C 의실제평형상태도 흑연형성은다음과같은조건에서더욱촉진된다. Si > 1 wt% 서냉 (slow cooling) Adapted from Fig. 11.2,Callister 7e. (Fig. 11.2 adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.- in-chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) α + γ 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 90 (Fe) T( C) γ Austenite 0.65 γ +L 2.1% 1153 C L 4.2 wt% C γ + Graphite α + Graphite Liquid + Graphite 740 C C o, wt% C 100 7
주철의종류 (1) 회주철 (Gray iron) 흑연이박편 (flakes) 형태로존재 인장응력조건에서강도가약하고취성을나타냄 ( 흑연의구조적특성때문 ) 압축응력에서는높은강도 매우우수한진동감쇠능력 (vibrational dampening) 우수한내마모성 ( 흑연의윤활제역할때문 ) (2) 연주철 (Ductile iron)= 구상주철 (Nodular iron) 회주철에 Mg 이나 Ce 을첨가 박편의흑연이구상으로변화 기지조직은보통펄라이트이나열처리로페라이트로바꿀수있음. 펄라이트일때연성이더우수 / 페라이트일때강도가우수 Adapted from Fig. 11.3(a) & (b), Callister 7e. 8
주철의종류 (3) 백주철 (White iron) 낮은규소농도의주철 급속냉각으로흑연대신시멘타이트를형성 ( 강도가매우높음 ) 기계가공이불가능할정도로강하고취성이강함 (α+cementite 형태 ) 가단주철생산의중간과정 (4) 가단주철 (Malleable iron) 백주철을 800-900ºC 에서열처리 시멘타이트를흑연으로 냉각속도에따라응집형 (cluster) 이나장미형 (rosettes) 으로존재 강도는조금떨어지나연성이좋음 Adapted from Fig. 11.3(c) & (d), Callister 7e. 9
주철의생산공정요약 Adapted from Fig.11.5, Callister 7e. 10
철계소재활용의제약 1) 밀도가높다 (= 무겁다, 7.87g/cc) 2) 전기전도도, 열전도도가상대적으로낮다 3) 내식성이좋지않다 (= 녹이잘발생한다 ) 11
비철금속재료 (Nonferrous Alloys) 구리 (Cu) 합금 황동 (Brass): 아연 (Zn) 과의치환형고용체. 동전, 장신구. 내식성우수청동 (Bronze): Sn, Al, Si, Ni 등원소와의치환형고용체. 청동조각상, 기어, 부식부품. 베릴륨동 (Cu-Be): 석출경화형동합금강도가매우높음. 타이타늄 (Ti) 합금 - 낮은밀도 : 4.5g/cm 3 - 고온반응성높음 (but, 산화막을쉽게만듬 ) - 우주항공분야 -Ti-6Al-4V ( 생체재료, 임플란트 ) 비철금속재료 귀금속 (Noble metals) -Ag, Au, Pt -내산화/ 내식성우수 알루미늄 (Al) 합금 - 낮은밀도 : 2.7g/cm 3 경량화적합 - 합금원소 : Cu, Mg, Si, Mn, Zn - 고용강화또는석출강화 구조용재료, 항공기재료, 자동차용경량화재료, 패키징재료로활용 마그네슘 (Mg) 합금 - 매우낮은밀도 : 1.7g/cm 3 - 활성이커서불안정 - 항공, 미사일 내열 (Refractory) 금속 - 고융점 ( 원자들간의결합력이매우크다는의미 ) -Nb, Np- X, Ta Based on discussion and data provided in Section 11.3, Callister 7e. 12
금속가공 (Metal Fabrication) How do we fabricate metals? Blacksmith( 대장장이 ) - hammer (forged-단조) Molding - cast ( 주조 ) Forming Operations Rough stock formed to final shape Hot working( 열간가공 ) vs. Cold working( 냉간가공 ) T high enough for well below T m recrystallization work hardening Larger deformations smaller deformations - 재결정온도를기준으로그이상이면열간가공, 그이하이면냉간가공으로분류한다. 열간가공을하게되면변형을많이시켜도재료가파괴되지않는다. 13
금속가공 I 성형공정 FORMING 단조 (Forging,Hammering, Stamping): wrenches, crankshafts Force Ao die blank Force 인발 (Drawing) :rods, wire, tubing Ao die die Ad Ad tensile force often at elev. T die must be well lubricated & clean 주조 CASTING 압연 (Rolling, Hot or Cold) : I-beams, rails, sheet & plate Ao force Ao ram 접합 JOINING roll roll 압출 (Extrusion) : rods, tubing container billet container Ad Adapted from Fig. 11.8, Callister 7e. die holder extrusion die ductile metals, e.g. Cu, Al (hot) 14 Ad
금속가공 II 성형공정 FORMING 주조 CASTING 접합 JOINING 주조 (Casting) 노안에서금속을녹이며, 이때합금원소등을추가. 용융금속을주형 (mold) 에부어 (cast) 넣음 가장일반적이고경제적인가공법 비교적복잡한형태의제품을얻기위해서도우수한공정 강도가약하고내부결함이존재하는것이단점 연성이나빠 ( 취성이강해 ) 다른가공이어려울때적합 - 주조의경우급냉하기가어렵기때문에비교적천천히응고가되어조직이크고강도가약하다. 그리고주형표면에는냉각속도가빠르고주형내부는냉각속도가느리기때문에서로다른조직이형성되어불균일한조직이형성된다. 게다가재료내부에기포가갇혀서배출되기힘들기때문에수축공이발생하기쉽다. 이렇듯내부결함이문제가된다. 15
금속가공 II 성형공정 FORMING 사형주조 (Sand Casting) (large parts, e.g., auto engine blocks) 주조 CASTING 접합 JOINING 다이주조 (Die Casting) (low T alloys) Sand Sand Investment Casting (low volume, complex shapes e.g., jewelry, turbine blades) plaster die formed around wax prototype molten metal wax 연속주조 (Continuous Casting) (simple slab shapes) molten solidified 16
금속가공 III 성형공정 FORMING 분말야금 (Powder Metallurgy) 용접 (Welding) ( 연성이낮거나융점이높은재료 ) ( 하나의대형부품으로불가능할때 ) point contact at low T pressure densify heat area contact densification by diffusion at higher T 주조 CASTING 접합 JOINING piece 1 piece 2 unaffected unaffected 열영향부 (HAZ) (Heat affected zone) ( 용접과정에서미세조직변화가일어난영역 ) filler metal (= 용가재, melted) base metal (melted) fused base metal heat affected zone ( 열영향부-조직변화발생 ), 열영향부를최소화하는것이 중요. Adapted from Fig. 11.9, Callister 7e. (Fig. 11.9 from Iron Castings Handbook, C.F. Walton and T.J. Opar (Ed.), 1981.) 17
금속의열처리 - 어닐링 ( 풀림, Annealing) 응력제거 (Stress Relief) -plastic deformation( 소성변형 ) -nonuniform cooling -phase transform. 구상화 (Spheroidizing) Make very soft steels for good machining. Heat just below T E & hold for 15-25 h. 공정어닐링 (Process Anneal) Negate effect of cold working by (recovery/ recrystallization) Types of Annealing 완전어닐링 (Full Anneal) Make soft steels for good forming by heating to get γ, then cool in furnace to get coarse P. 노멀라이징 (Normalizing) Deform steel with large grains, then normalize to make grains small. Based on discussion in Section 11.7, Callister 7e. 18
아공석강영역 과공석강영역
강의열처리 a) 어닐링 (Annealing) b) 급냉 T( C) 800 600 Austenite (stable) A P T E (Quenching) 400 A B c) 템퍼링 (Tempering) Adapted from Fig. 10.22, Callister 7e. 200 10-1 b) M + A M + A a) 10 10 3 10 5 time (s) 0% 50% 90% 19 c)
경화능 (Hardenability) 마르텐사이트 (martensite) 를형성하는능력 조미니시험 (Jominy end quench test) 으로측정 : 아래 specimen (heated to γ phase field) 24 C water flat ground Rockwell C hardness tests Adapted from Fig. 11.11, Callister 7e. (Fig. 11.11 adapted from A.G. Guy, Essentials of Materials Science, McGraw-Hill Book Company, New York, 1978.) 조미니시험결과예시 : 경도 vs. 급냉끝에서의거리 Hardness, HRC Distance from quenched end Adapted from Fig. 11.12, Callister 7e. 20
조미니시험곡선이나타나는이유 냉각속도 (cooling rate) 가위치에따라다르기때문 T( C) 600 400 200 0 Hardness, HRC 60 40 20 0 1 2 3 M(start) M(finish) A M 0.1 1 10 100 1000 distance from quenched end (in) 0% 100% Time (s) Adapted from Fig. 11.13, Callister 7e. (Fig. 11.13 adapted from H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for Metals, 1977, p. 376.) 위치에따라냉각속도가다르니미세조직도다르다! 21
경화능에미치는합금원소의영향 0.4 wt% C 를함유한탄소강에대한조미니시험결과 Adapted from Fig. 11.14, Callister 7e. (Fig. 11.14 adapted from figure furnished courtesy Republic Steel Corporation.) Hardness, HRC 60 40 합금강 (Alloy Steels) (4140, 4340, 5140, 8640) -- Ni, Cr, Mo 합금원소함유 (0.2 to 2wt%) -- 합금원소들이 TTT 곡선의 nose 부분을오른쪽으로이동시킴 -- 마르텐사이트형성이쉬워짐 ( 경화능이좋아짐 ) 100 10 3 20 0 10 20 30 40 50 Distance from quenched end (mm) 800 T( C) 600 400 200 A B 4340 2 0 10-1 10 10 3 10 5 Cooling rate ( C/s) 100 마르텐사이트 % 80 50 4140 8640 T E 5140 shift from A to B due to alloying M(start) M(90%) 1.85 Ni, 0.8 Cr, 0.25 Mo 1.0 Cr, 0.2 Mo 0.55 Ni, 0.5 Cr, 0.2 Mo 0.85 Cr Time (s) 22
냉매와시편크기, 형태의영향 냉매 (quenching medium) 의영향 냉매공냉유냉수냉 급냉정도낮음중간높은 경도낮음중간높음 시편크기, 형태의영향표면적에대한체적의비 (surface-to-volume ratio) 가증가함에따라 -- 냉각속도가증가하고 -- 경도가증가한다. 위치중심표면 냉각속도느림빠름 경도낮음높음 23
석출경화열처리 석출입자가전위의이동을방해 700 예 : Al-Cu system T( C) 열처리순서 : 600 --A: α 고용체로용체화처리 --B: 상온으로급냉 400 α A 500 α+l L α+θ θ+l θ composition range needed for precipitation hardening CuAl 2 --C: 미세한 θ 결정립이 α 결정내에석출되도록 300 0 10 20 30 40 50 온도를올려유지 B (Al) wt% Cu 석출경화시스템의다른예 : Cu-Be Cu-Sn Mg-Al ( 베릴륨동 ) ( 청동 Temp. ) 용체화열처리 C Adapted from Fig. 11.24, Callister 7e. (Fig. 11.24 adapted from J.L. Murray, International Metals Review 30, p.5, 1985.) 석출열처리 Adapted from Fig. 11.22, Callister 7e. Pt B Time 24
인장강도 (TS), 연신율 (%EL) 에미치는석출경화의영향 2014 Al 합금 : 석출경화시간에따라 TS 가증가하며, 최대값에도달 석출경화열처리온도를높이면 TS 가최대가되는시간이단축 %EL 은석출경화시간에따라감소하다가최소값에도달 tensile strength (MPa) 400 300 200 149 C 204 C 100 1min 1h 1day 1mo 1yr precipitation heat treat time %EL (2 in sample) 30 20 10 204 C 149 C 0 1min 1h 1day 1mo 1yr precipitation heat treat time 25
금속합금의결정구조 치환형합금 (substitutional alloys) 의구조는 규칙 (ordered) 또는불규칙 (disordered), 즉 불규칙한고용체를이루거나 규칙화된주기적치환을나타냄예 : CuAu FCC Cu Au 26
금속합금의결정구조 치환형합금 (Interstitial alloys) 또는화합물 (compounds) 의경우에는 한금속이다른금속보다크기가커서 더작은금속원자가큰금속결정구조사이의침입형틈새로규칙화된형태로들어가게됨 예 : 시멘타이트 (Cementite Fe 3 C) 27
금속합금의결정구조 아래의 FCC 구조에서침입형틈새자리는어디일까?: 팔면체자리, 사면체자리가있음 Octahedron - octahedral site = O H Tetrahedron - tetrahedral site = T D 28
금속합금의결정구조 침입형원자들로는보통 H, N, B, C 원자 FCC 결정구조에는단위정안에 4개의원자 4개의 O H 자리 8개의 T D 자리 1 2 1 2 1 2 1 4, 3 4 1 4, 3 4 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 4, 3 4 1 4, 3 4 metal atoms O H sites T D sites 29