3. 재료(금속과 합금)의 성질

(1)

3. 재료(금속과 합금)의 성질

(2)

실제 작동조건에서도 일정한 재료의 성질 필요 - 기계적 성질 (강도, 경도, 파괴저항 등)

- 물리적 성질 (무게, 형태, 전기적 성질 등) - 환경관련 성질 (극고저온, 내부식성 등)

3.1 개요

- 환경관련 성질 (극고저온, 내부식성 등)

중요성질 및 가치 평가, 사용시 제한 조건

(3)

금속과 비금속재료

- 철과 비철금속 - 금속이 아닌 재료

물리적 성질과 기계적 성질

- 밀도, 비열, 광학적 성질, 전기전도도 등 - 밀도, 비열, 광학적 성질, 전기전도도 등 - 연성, 취성, 인성, 강도, 경도

응력과 변형률

- 인장, 압축, 전단 응력 - 인장, 압축, 전단 변형률

(4)

3.2 구조-성질관계

(5)

원자구조

핵(nucleus)= 양자(proton)+ 중성자(neutron) - 물질의 질량결정

- 밀도와 비열에 영향

원자(atom)=핵+전자(electron)

- 전자의 주껍질, 부껍질: 각각 에너지 준위존재

- 에너지 준위 이동: 에너지 흡수 or 발생 필요: 레이 - 에너지 준위 이동: 에너지 흡수 or 발생 필요: 레이 저의 원리

- 전자 껍질 당 일정 전자수 유지 (2, 8, 32): 물질의 안정성

- 원자번호: 원자핵을 둘러 싼 전자수

- 원자가 전자: 가장 바깥쪽 껍질의 전자수

(6)

원자 결합

이온결합: NaCl (Na⁺와 Cl^-)

: 높은 강도, 경도, 용융점 : 취성과 낮은 전기전도도

(7)

공유결합: 최외각 전자 공유 (N₂, O₂, 다이아 몬드)

-최외각 전자 공유 -높은 강도, 용융점 -공유결합크기에 따른 전기전도도의 차이

(8)

금속결합: Fe, Al, Cu

: 모든 핵이 자유전자 공유

: 높은 전기전도도, 열전도율, 불투명성, 변형성

(9)

2차 결합

분자 내 전기적 비대칭으로 인한 분극화

- 다른 분자간의 약한 결합 형성 - PVC 등의 다수 고분자에 영향 - PVC 등의 다수 고분자에 영향

(10)

원자간 간격과 원자의 크기

원자 크기에 영향을 미치는 요소

- 열에너지

- 전자의 분리 (양이온) - 전자의 첨가(음이온)

(11)

재료의 원자배열

원자 집단형성에 따른 재료

- 분자구조: O₂, H₂O - 결정구조: 금속재료 - 비정질구조: 유리

(12)

금속의 결정구조

(13)

결정립구조의 성장

다결정재료의 결정성장 개략도

(14)

탄성변형

가정: 시편은 단결정

(15)

전단결정의 소성변형

전단변형의 방향: A or B?

(16)

슬립의 전위이론

이론적 항복강도: 20,000MPa

실제 항복강도: 20,000/(100~150) MPa -> 전위에 의한 점진적인 슬립 때문

칼날 전위(edge)와 나사 전위(screw)

(17)

변형경화 또는 가공경화

변형경화

- 전위의 증가에 따라 간섭확률도 증가 - 변형하면서 기계적인 강도증가

(18)

다결정 금속의 소성변형

다른 결정립-> 다른 방위-> 다른 변형

슬립선은 다른 결정립으로 넘어가지 않음

- 미세 결정립금속: 강도, 경도, 충격저항이 증가

(19)

결정립 변형과 이방성

비대칭 성형(압연)등으로 성질의 비대칭성 발생 - 이방성 (반대 개념: 등방성)

비대칭성의 응용

압연 후 강의 변형된 결정립

(20)

금속의 파괴

연성파괴:

- 하중의 초기반응-> 소성변형

취성파괴

- 파괴가 소성보다 먼저 발생

(21)

3.3 냉간가공, 재결정, 열간가공

재결정

: 새로운 결정 생성으로 내부에너지 축소

재결정온도: 용융온도(Kelvin)*0.4

냉간가공

열간가공

재결정 풀림: 가공경화의 완화

(22)

황동의 재결정

a) 33% 냉간가공 b) 580도에서 3초

가열

c) 580도에서 4초 c) 580도에서 4초

가열

d) 580도에서 8초

(23)

결정립 성장

재결정 공정

: 작은 크기의 균일한 결정립

재결정온도 이상

재결정온도 이상 : 결정립 성장

(24)

합금

합금의 3가지 형태

고체의 상태로 서로에게 녹지 않음

- 모재 + 합금금속이 각각의 특성유지

고체의 상태로 서로에게 녹음 - 치환형

- 칩입형

(25)

원자구조와 전기적 성질

전기전도도

- 원자배열 규칙적 -> 높은 전기전도도

전기저항

- 격자의 불완정성(빈공간, 침입원자, - 격자의 불완정성(빈공간, 침입원자, 전위 등)

- 온도

(26)

3.4 인장, 압축, 전단하중

(27)

정적 성질

- 재료에 정적 하중이 주어졌을 때 나타나는 성질 - 인장시험결과 측정되는 것

( 강도성질, 연성과 취성, 인성, 진응력-진변형률, 변

정적성질

( 강도성질, 연성과 취성, 인성, 진응력-진변형률, 변 형경화와 변형경화지수, 감쇠능)

- 압축시험

( 경도시험법(로크웰, 비커스, 마이크로), 경도와 인 장강도의 관계)

(28)

인장 압축시험기

(29)

일반 표준 인장시편

(30)

저 탄소강의 응력-변형률 선도

(31)

0.1% 항복강도 0.2% 항복강도

항복강도의 결정

(32)

연성

- (파괴강도 < 인장강도) 취성

- 연성의 반대개념

연성, 취성, 인성

- 연성의 반대개념 인성

- 에너지 개념

(33)

진응력-진변형률

(34)

변형경화와 변형경화지수, 감쇠능

(35)

브리넬 경도시험 로크웰 경도시험 비커스 경도시험 마이크로 경도시험

압축시험(경도시험)

마이크로 경도시험 기타 경도 결정법

다른 경도시험법과의 관계 경도와 인장강도와의 관계

(36)

브리넬 경도시험기

(37)

로크웰 경도시험기

(38)

동적성질

충격시험

- 굽힘 충격 (샤르피, 아이조드 시험법) - 인장시험 충격법

금속피로와 내구한도

(39)

샤르피 충격시편과 하중모드

(40)

아이조드 충격시편과 하중모드

(41)

충격 시험기

(42)

인장충격시험과 내구한도곡선

(43)

다양한 온도에서의 피로강도

(44)

피로파단

(45)

온도효과 (중 탄소강)

(46)

온도효과(마그네슘)

(47)

온도효과(구리의 인장강도)

(48)

온도효과(저탄소강의 충격성질)

(49)

크리프(고정된 온도의 단일시편)

(50)

크리프(어닐링 처리된 인코넬800)

(51)

3.5 절삭성, 성형성, 용접성

절삭성

절삭공정이 용이성

성형성

성형공정의 용이성

용접성

(52)

파괴인성과 파괴역학 접근법

제조결함

- 기공, 크랙, 개제물

재료결함

- 절삭공구자국, 아크 타격, 접촉손상

설계결함

(53)

피로크랙 성장속도 선도

(54)

물리적 성질

열적성질

- 열용량, 비열, 열전도율, 열팽창

전기적 성질

- 전기전도도, 전기저항도

기타