재료과학재료과학재료과학재료과학

공학박사 윤 천 한

h @ lchyoon@empal.com

금속재료의 성질

1. 물리적 성질가) 비중(Specific sravity) : 4℃의 물의 무게와 똑같은 부피를 가진 물 체의 무게와의 비나) 열적 성질1) 용융점( lti i t) : 금속을 가열하면 녹아서 액체가1) 용융점(melting point) : 금속을 가열하면 녹아서 액체가된다. 이 때의 온도를 용융온도 또는 용융점이라 한다.2) 응고온도 : 액체상태의 금속을 냉각시키면 원래의 고체로2) 응고온도 : 액체상태의 금속을 냉각시키면 원래의 고체로돌아가는 데, 이때의 온도를 응고온도라 한다.3) 비열(Specific heat) : 물질 1g을 1℃ 만큼 높이는데 필요한 열량 (cal)을 비열이라 한다.4) 열팽창계수 : 물체의 온도가 1℃ 상승하였을 때 증가한 물체의 치수 가 팽창하기 전의 치수와의 비를 열팽창계수라 한체의 치수 가 팽창하기 전의 치수와의 비를 열팽창계수라 한다. 길이의 것을 선팽창계수, 부피의 경우를 부피팽창계수라한다한다.

즉. 온도 t℃에서 길이 l인 물체가 t'℃로 가열 되었을 때그 길 이가 l'로 늘어났다고 하면, 선팽창계수 α는

l’ ll’-ll(t’-t) α =

5) 열전도율 : 길이 1cm에 대하여 1℃의 온도차가 있을 때,21cm2의 단면적을 통하여 1초 사이에 전달되는 열량을

열전도율(cal∙cm/cm2∙sec℃)이라 한다.은 (1 0)> 구 리 (0 94)> 금 (0 71)> 알 루 미 늄 (0 53)>은 (1.0)> 구 리 (0.94)> 금 (0.71)> 알 루 미 늄 (0.53)>아연(0.27)>니켈(0.22)> 철(0.16)

2. 전기적 성질

가) 전기전도율 : 전기의 전도하는 정도를 전기전도율이라 한다

나) 열기전력 : 두 개의 서로 다른 금속을 접합하고, 각각의 접점에 온도 차를 주었을 때 발생된 전위차를 열기전력의 접점에 온도 차를 주었을 때 발생된 전위차를 열기전력이라 한다.

다) 자기적 성질 : 철을 자기장 속에 놓으면 유도 작용에의해서 자화된다.

강자성체• 강자성체 : Fe, Co, Ni• 상자성체 : Zn, Mg, Pt, Al• 반자성체 : Cu Au Hg Pb Si Zn• 반자성체 : Cu, Au, Hg, Pb, Si, Zn• 비자성체 : Ag, Hg, Si

상자성체

반자성체

가) 연성(ductility) : 물체가 탄성한도를 초과한 힘을 받고도 파괴되

3. 기계적 성질

가) 연성(ductility) : 물체가 탄성한도를 초과한 힘을 받고도 파괴되지 않고 늘어나서 소성 변형이 되는 성질.금, 은, 알루미늄, 구리, 백금, 납, 아연, 철 순이다.

나) 전성( ll bili ) 타격 압연작업에 의해 얇은 판으로 넓게 펴나) 전성(malleability) : 타격, 압연작업에 의해 얇은 판으로 넓게 펴질 수 있는 성질을 말한다. 금, 은, 알루미늄, 철, 니켈, 구리, 아연순이다.순이다

다) 인성 : 금속의 질긴 성질, 즉 굽힘이나 비틀림 작용을 반복하여가할 때 이 외력에 저항하는 성질.라) 탄성 : 외력을 가하면 변형되고 외력을 제거하면 변형이 제거되라) 탄성 : 외력을 가하면 변형되고 외력을 제거하면 변형이 제거되는 성질. 스프링마) 인장강도(tensile strength) : 인장시험에서 인장하중을 시험편

평행 부의 원단면적으로 나눈 값평행 부의 원단면적으로 나눈 값바) 취성(脆性, 메짐 또는 여림 : brittleness) : 물체의 약간 변형에도

견디지 못하고 파괴되는 성질. 물체가 연성(延性)을 갖지 않고 파디지 못하 파괴되 성 체가 성( ) 갖지 않 파괴되는 성질.

사) 가공경화(work hardening) : 금속이 가공에 의하여 강도, 경도가커 지고 연신율이 감소되는 성질커 지고 연신율이 감소되는 성질

아) 강도(strength) : 물체에 하중을 가한 후 파괴되기까지의 변형저항을 총칭하는 말로서 보통 인장강도가 표준이다. 재료가 외력에대하여 저항력을 표시하는 세기이며, 인장강도, 압축강도, 전단강도등이 있다. 강도는 하중/단면적(kgf/cm2 or Pa)로 나타낸다.등이 있다. 강도는 하중/단면적(kgf/cm or Pa)로 나타낸다.

자) 경도(hardness) : 금속의 표면이 외력에 저항하는 성질. 주철-->경강 >구리 >알루미늄>경강-->구리-->알루미늄

차) 가단성(malleability) : 단조, 압연, 인발 등에 의하여 변형할 수있는 성질.카) 가주성(castability) : 가열하면 유동성이 좋아져서 주조 작업이가 능한 성질.가 능한 성질.타) 피로 : 재료에 인장과 압축 하중을 오랜 시간 동안 연속적으로되풀이하면 파괴 되는데 이런 현상을 재료의 피로현상이라 하고 파괴되지 않는 현상을 피로강도 또는 내구한도라 한다괴되지 않는 현상을 피로강도 또는 내구한도라 한다.

파) 크리프 : 재료를 고온으로 가열한 상태에서 인장강도, 경도 등을말 한다. 즉 고온에서의 기계적 성질이다.

* 자연에 존재하는 원소 : 92종금속원소 68종, 아(준)금속 원소 7종, 비금속원소 17종금속원소 68종, 아(준)금속 원소 7종, 비금속원소 17종

* 융점최저 상온에서 액체 상태인 수은(Hg) -38.4 ℃, 최고 W3410℃

* 비중최소 물 보다 가벼운 Li 0.53, 최대 Ir 22.5최 물 다 가벼운 Li 0.53, 최대 Ir 22.5경금속 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. 화학적 성질

가) 부식성 : 금속이 산소, 물, 이산화탄소 등에 의하여 화학적으로 부식 되는 성질을 부식성이라고 하며, 부식성을 이적으로 부식 되는 성질을 부식성이라고 하며, 부식성을 이온화 경향이 큰 것일수록 크며 Ni, Cr 등을 함유한 것은 부식이 잘 되지 않는다.

나) 내산성 : 산에 견디는 힘을 말한다.

제2장 원자의 구조와 결합

1. 원자1. 원자가. 원자핵과 전자결정 고체는 원자가 규칙 바르게 배열을 한 격자를 짜고 있다.

( )따라서, 물질 (금속)의 성질을 규명하려면 그 구성물인 원자의 성질을 알아야 한다.가장 간단한 모형으로서 러더퍼드(Rutheford)의 원자 구조는가장 간단한 모형으로서 러더퍼드(Rutheford)의 원자 구조는양전기를 띤 원자 핵(automic nucleus)과 이것을 싸고 회전하는 음전기를 띤 몇 개의 궤도 전자 (obital electron)로 되하 기 몇 개의 궤 자 ( ) 되어 있다. 핵의 지름은 약 10-8 cm 에 비하면 약 10,000분 의1정도 작다.원자핵은 양전기를 가진 양성자( )와 전기를 가지지 않원자핵은 양전기를 가진 양성자(proton)와 전기를 가지지 않은 중성자 (neutron)로 되어 있으며, 중성 원자에서 양성자의수와 핵외 전자의 수가 같 다 원자의 질량은 대부분 원자핵수와 핵외 전자의 수가 같 다. 원자의 질량은 대부분 원자핵에 있다. 양성자와 중성자의 질량은 거의 같으 며, 각각 1개의 질량(1.6725 x 10-19C)C)을을 11로로 한다한다..( ))

표 2-1 수소, 탄소, 질소, 산소 등의 원자 구조

원자원소명 양자의수 중성자수 전자수 질량수

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 결합력에 의한 결정의 분류가. 결합력에 의한 결정의 분류원자들의 결합방식에는 다음 4가지 종류가 있다.1) 이온결합(ionic bond) : 양 ion과 음 ion간에 생기는 정전기적인력 에 의한 결합, 외력에 의하여 변형되기 힘들고, 저온에서는전기전 도도가 거의 없으나 고온에서는 ion의 이동, 즉 ion 전도에 의한 전기전도를 나타낸다전도에 의한 전기전도를 나타낸다. 그림 2-2와 2-3은 NaCl의 이온결합을 나타낸 것이다. 예 : NaCl, CsCl

그림 2-2 NaCl의 이온결합 그림 2-3 MgCl2 이온결합

2) 공유결합(covalent bond) : 이웃하는 원자사이에서 가전자를 공유2) 공유결합(covalent bond) : 이웃하는 원자사이에서 가전자를 공유함 에 의하여 상호 원자간에 발생되는 인력에 의한 결합, 결합력이 강하고 결정이 단단하며 전기 및 열전도도는 낮다.

림 와 는 원자의 결합을 나타낸 것이다그림 2-4와 2-5는 원자의 공유결합을 나타낸 것이다.예:diamond, SiC

그림 2-4 원자의 공유결합 그림 2-5 Cl의 공유결합

3) 금속결합(metallic bond) : 원자들이 서로 근접하면 최외각전자궤도가 서로 중복 되므로 가전자는 특정원자의 주위에만 한정되지않고 결정 전체에 걸쳐서 공통적으로 운동하는 영역이 생겨 이른바않고 결정 전체에 걸쳐서 공통적으로 운동하는 영역이 생겨 이른바전자 운(electron cloud)이 형성되며 가전자를 상실한 ㊉ ion은 이㊀ 전하의 전자운간에 작용하는 인력에 의하여 결합된다. 금속결합의 특징은 자유전자의 존재에 있다.

그림 2-6 Fe의 원자구조 그림 2-7 금속의 최외각 자유전자 의 이동

4) Van der Waals force : 불활성 gas와 같이 최외각이 충만된 원자에서는 ion결합이나 공유결합이 일어날 수 없으나,전체로서 중성인 원자라도 집단체 속에서는 다른 원자들의영향으로 원자핵이 보유하는 ㊉전하의 중심과 주위의 전자가 갖는 ㊀전하의 중심이 완전히 일치하지 않고 어긋나는가 갖는 ㊀전하의 중심이 완전히 일치하지 않고 어긋나는현상 즉, 분극현상을 일으켜 인력이 생기게 되며, 이 인력을Van der Waals force라 한다.이에 의한 결합 은 결합력이 매우 약하므로 원자의 열진동이 작은 저온에서만 이루 어질 수 있으며, 유기화합물의 분자간의 결합에서 흔히 볼 수 있다 예 등자간의 결합에서 흔히 볼 수 있다. 예 ; A, CH4등

★ 이온결합을 이극결합(heteropolar bond) 공유결합을 등★ 이온결합을 이극결합(heteropolar bond), 공유결합을 등극결합(homopolar bond)

3. 금속의 결정구조

1. 금속의 결정가. 결정의 특성금속과 같이 상온에서 원자가 규칙적으로 배열하여 있는것을 결정이라고 한다.결정을 구성하는 원자는 핵과 전자로 되어 있으며 금속결정을 구성하는 원자는 핵과 전자로 되어 있으며, 금속의 성질은 핵에 강하게 결합되어 있는 전자와 비교적 자유롭게 결정 내에서 움직이고 있는 전자로 구성되어 있유롭게 결정 내에서 움직이고 있는 전자로 구성되어 있다.원자들 사이에서의 결합력은 쿨롬 (Coulomb)힘에 의해원자간의 평형위치가 보존되고 있다고 할 수 있다.

나. 결정격자와 단위포

그림 3-1 금속의 결정립 내의 원자배열그림 3 1 금속의 결정립 내의 원자배열

금속은 그림3-1와 같이 다양한 크기의 결정입자(grain)가무질서한 상 태로 집합되어 있는 다결정체(polycrystal)이지만 각각의 결정립을 보 면 원자들이 어떤 규칙을 이루면서 배열되어 있다.그림 3 2와 같이 이 같은 원자들의 배열을 결정격자그림 3-2와 같이 이 같은 원자들의 배열을 결정격자(crystal lattice) 또는 공간격자(space lattice)라고 한다.이러한 공간격자는 그림 3-3과 같이 최소단위인 단 위격이러한 공간격자는 그림 3 3과 같이 최소단위인 단 위격자(단위포: unit cell)로 구성되어 있다.

2. 금속결정의 종류

결정을 이루는 원자의 공간적 배열은 3차원의 좌표계를생각하면 이해 하기 쉽다.규칙배열인 금속의 원자공간에 있어서의 원자의 위치는각각의 좌표 축에 따른 단위길이의 평형이동의 조합으로나타낼 수 있다나타낼 수 있다.그림 3-3 과 같이 3개의 좌표축을 x, y, z축으로 하고 그사이각이 α,β,γ일 때 축에 대한 단위 거리는 a, b, c라고,β,γ 축 , ,하면 이들의 단위길이와 각 사 이에는 표 3-2와 같이 7결정계와 이들 결정계의 기본이 되는 최소단위의 공간형은 브라베이스( )의 결정격자형으로 나타낼 수은 브라베이스(Bravais)의 14결정격자형으로 나타낼 수있 다.금속원소의 결정구조는 비교적 간단한 것이 많고 대부분금속원소의 결정구조는 비교적 간단한 것이 많고 대부분금속의 단위격자는 표 3-1과 같이 3종류에 속한다.

표 3 1 주요 금속의 결정격자와 성질표 3-1 주요 금속의 결정격자와 성질

결정격자 금 속 일반적 성질

체심입방격자Li, Na, K, α-Ti, V, Mo 면심입방격자보다는

체심입방격자

(BCC), W, α-Fe, δ-Fe, Nb,

β-Zr

전연성이 적으나 금속

자체는 강하다.β Zr 자체는 강하다.

면심입방격자 Ca, Sc, γ-Fe, Ni, Pt, 전연성이 크기 때문에

(FCC) Cu, Ag, Au, Al 가공성이 좋다.

조밀육방격자

(HCP)Mg, Zn, Be, Cd, Ti, Te

취약하며 전ㆍ연성이

적다.( )

감람석 [橄欖石;olivine]

마그네슘, 철 따위를 함유한 규산염 광물. 사방 정계에 속하며, 감람색, 흰색, 회색 따위를 띠고, 빛깔이 곱고 맑은것은 보석으로 쓴다.감람석의 화학 조성은 일반적으로 A2BO4로 표현할 수 있다다.감람석은 온도가 높을 때만 안정하게 되며 온도가 낮고 물이 있으면 쉽게 열수변질(熱水變質)을 받아서 사문석·녹니있 (熱水變質) 서 녹석·자철석·활석 등의 광물이 된다.대부분의 감람석은 1,500℃ 이상의 온도에서도 잘 녹지 않으므로 내화(耐火) 벽돌을 만들 때 종종 쓰인다 투명한 녹으므로 내화(耐火) 벽돌을 만들 때 종종 쓰인다. 투명한 녹색 감람석은 페리도트(peridot)라 하며 보석으로 쓰인다.완전히 사문석화된 감람암은 흔히 수석(壽石)으로 이용된완전히 사문석화된 감람암은 흔히 수석(壽石)으로 이용된다.