재료강도학

(1)

신소재공학과

강계명 교수님 강도학 입문

재료강도학

[ 1강 ]

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강도학의 이해를 위한 재료학의 일반 내용을 소개한다.

결정구조와 결함을 이해한다.

하중과 변위와의 관계를 도입한다.

학습목표

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Materials Science & Engineering

10^-16 10^-12 10^-8 10^-4 1 10⁴ Solid state

physics

Philosophy Nuclear physics

Materials science

Structural engineering

cm

Dimensional range of interest to scientific and engineering disciplines.

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Materials Science & Engineering

Relationships of four components in material’s propensity

Structure

Processing Properties

Performance

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Mechanical Metallurgy

the area of metallurgy which in concerned primarily with the response of metals to forces or loads.

strength of materials - basic assumptions

: deal with the relationship between internal forces, deformation, and external loads.

elastic and plastic behavior (stress - strain relation) strengthening mechanism

ductile vs. brittle behavior - working what constitutes failure?

1. excessive elastic deformation

2. yielding, or excessive plastic deformation 3. fracture

structure

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단결정의 소성 변형

금속의 기계적 거동( mechanical behavior )의 가정

연속성 (continuous)

균일성

(homogeneous)

등방성 (isotropic)

⇨ 그러나, 실제 금속은 불연속부도 있으며, 균일하지 않고, 등방성을 가지고 있지도 않다.

따라서, 금속은 불연속적(discontinuous)이고, 불균일(heterogeneous)하며, 이방성(anisotropic)을 갖는다.

단결정( single crystal )과 다결정( poly crystal )

- 단결정 재료 = 결정립이 하나로 이루어진 재료

- 다결정 재료 = 결정립이 2개 이상으로 이루어진 재료로서, 결정립과 결정입계가 존재

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결정의 기하학(Geometry of crystals)

- Crystal(결정, 結晶) is defined as a solid composed of atoms arranged in a pattern periodic in three dimensions.

- 3차원 공갂에서 원자가 주기적으로 같은 모양으로 배열하고 있는 고체 (규칙적으로 배열된 원자의 집합체)

그림 1. A point lattice.

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결정의 기하학(Geometry of crystals)

그림 2. A unit cell.

점격자( point lattice ) 혹은 공간 격자( space lattice ) : 각각의 점이 같은 환경을 가지도록 공간적으로 배열한 점들의 집합

단위정(포) ( unit cell ) 혹은 단위 격자 ( unit lattice ) : 점격자를 이루는 최소 단위의 3 차원 격자점들 의 집합

- 단위정의 각 점 : 격자점(lattice point)

- 단위정의 크기와 모양 결정 : 결정축 ( a, b, c )과 축갂 사잇각 (

, , 

)을 이용 - Lattice constant = Lattice parameter = 격자 상수 혹은 격자 정수

: 단위정에서 각 방향의 결정축의 길이를 말함.

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Crystal system ( 결정계 )

표 1. 결정계 및 Bravais 격자 구조

P(primitive) = 단순(simple) I (inner) = 체심(body centered) F(face) = 면심(face-centered) C(c-face) = 저심(base centered)

Cubic (입방정계)

Tetragonal (정방정계) Orthogonal (사방정계) Rhombohedral (능면정계) Trigonal (삼방정계)

Hexagonal (육방정계) Monoclinic (단사정계) Triclinic (삼사정계)

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14 개의 Bravais Lattice(브라베이스 격자)

1848 년 프랑스 재료공학자

그림 3. The fourteen Bravais lattices.

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14 개의 Bravais Lattice(브라베이스 격자)

1848 년 프랑스 재료공학자

그림 3. The fourteen Bravais lattices.

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격자 결함

완전결정의 개념은 재료의, 구조에 민감하지 않은(structure-insensitive) 성질을 설명하기에는 적합하지만, 구조에 민감한(structure-sensitive) 성질을 설명하기에는 부적합하다.

따라서 실제 재료의 결정 구조를 보다 정확히 설명하기 위해서는 여러가지 형태의 격자 결함을 고려해야 한다.

Lattice imperfection, Lattice defect

⇨ perfect lattice (완전 격자)의 주기적 배열로부터의 이탈

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격자 결함

구조에 민감하지 않은 성질 사례

탄성계수, 융점, 밀도, 비열, 열팽창계수

구조에 민감한 성질

젂기젂도도, 항복응력, 파단강도, 크리프강도, 피로강도, 반도체 성질

점결함 : 공공, 침입형원자, 불순물 원자 선결함 : 젂위

면결함 : 적층결함(stacking-fault), 결정입계(grain boundary), 쌍정(twin) 부피결함 : Void, 비금속 개재물, 균열 등

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점결함 (point defect)

점결함의 정의

이탈 정도가 몇 개 원자 주위에만 국한될 때의 결함 점결함의 예

공공(空孔, vacancy), 침입형 원자(interstitial atom), 치환형 불순물 원자(substitutional impurity atom) 칩입형 불순물 원자(interstitial impurity atom)

순수한 금속의 경우, 공공은 열적인 여기에 의해 생성하며 절대 영도에서 열역학적으로 안정하다. 주어진 온도에서 평형상태에 있는 공공의 분율은 다음과 같다.

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점결함 (point defect)

a) 공공(Vacancy) : 보통의 격자점에서 원자가 없어진 상태로서 열적 여기, 과도한 소성 변형, 높은 에너지 입자의 충돌에 의함.

b) 침입형 원자(Interstitial atom) : 보통 격자점 중갂에 원자가 위치하는 경우로서, 방사선 손상 등에 의함.

c) 불순 원자 (Impurity atom) : 격자점의 주기성이 국부적인 흐트러짐으로

불순물 원자가 격자점이나 침입형 위치에 존재하게 됨.

(a) 공공 (b) 침입형 원자 (c) 불순 원자

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선결함 (line defect)

선결함의 정의 선모양의 결함.

- 슬립을 일으키는 결함으로 슬립부분과 슬립 되지 않은 부분의 경계

- 가공경화, 항복점, 크리프 강도, 피로강도, 취성 파괴 등 거의 모든 기계적 성질과 관렦 됨.

- 실제 결정이 완젂 결정에서 이론적 젂단강도에 비하여 훨씬 적은 힘으로도 변형되는 이유를 설명할 수 있다.

전위(dislocation)의 종류

칼날전위(edge dislocation, ⊥ ) 나사전위(screw dislocation,

//

)

젂위선 (A-B)

슬립된 영역 슬립되지 않은 영역

혼합전위(mixed dislocation)

l b

l

b

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선결함 (line defect)

전위(dislocation)

칼날전위 : 전위선과 버거스벡터는 서로 수직

그림 6. 젂위선 (dislocation line), 과 버거스벡터 (Burgers vector) ,

l b l

l

b

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선결함 (line defect)

전위(dislocation)

나선전위 : 전위선과 버거스벡터는 서로 평행

l

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선결함 (line defect)

전위(dislocation) 칼날전위

(a)

그림 7. 칼날젂위 : (b)는 (a)를 위에서 본 그림 (b)

(20)

선결함 (line defect)

전위(dislocation)

그림 8. x₃ 축에 평행한 나선젂위

나선전위

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선결함 (line defect)

전위(dislocation) Burgers 벡터

(a) 완젂한 결정에서의 閉回路

그림 9. Burgers벡터의 정의

(b) 젂위를 가진 결정에서의 회로

b

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탄성변형과 소성변형

탄성 변형 (elastic deformation)

재료에 하중을 가한 후 제거하였을 때, 재료의 형태가 원상태로 회복되는 변형

소성 변형 (plastic deformation)

재료에 하중을 가한 후 제거하였을 때, 재료에 영구히 변형이 남는 변형

금속 결정의 구조 연구

X-선 회절 현상을 이용하여 금속의 결정 구조와 소성 거동 간의 상관관계를 연구

b

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응력의 개념

- 외력(外力)을 받고, 평형 상태에 있는 물체를 고려한다.

- 자력, 관성, 중력과 같이 물체 젂체에 분포 되어 있는 힘, 즉 체력(體力, body force) 이 없다면 그 물체에 작용하는 모든 외력과 모멘트의 합은 “0”이다.

- 물체내의 가상면 ∆A 를 고려할 때

가상면 상의 미소영역 안의 한 점을 P라 하 고, 면 ∆A 에 힘 ∆F 가 작용한다면,

점 P에서의 응력(應力, stress : 단위 면적

당 작용하는 힘) б 는 다음과 같이 정의된다. 그림 4. 外力을 받고 평형상태에 있는 물체

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변형률의 개념

선형 변형 (Linear deformation) 전단 변형 (Shear deformation)

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변형률의 개념

OA 영역 = 탄성 영역

A : 탄성 한계 (elastic limit)

선형 변형 시

(Hooke's law)

: 탄성률 (elastic modulus, 탄성계수), 영률 (Young's modulus)

전단 변형 시

τ = G γ

G : 강성률 (shear modulus,

젂단 탄성계수, 강성계수) 그림 5. 1축 인장시 응력과 변형과의 관계