[2-1] 금속 재료 강화 기구_결정입계 강화, 고용 강화, 석출 강화

[2-1] 금속 재료 강화 기구

 

금속 재료 강화 기구는 2개의 파트로 나누어서 작성해 보려고 합니다.

 

[2-1] 결정입계 강화 / 고용 강화 / 석출 강화

 

[2-2] 마르텐 사이트 강화 / 변형 강화 / 분산강화 / 파이버 강화

 

 

재료의 강화는 단순히 한가지 방법을 통하여 강해지는 것이 아닌 여러 강화 기구를 복합적으로 

 

활용하고 재료의 특성을 이해함으로써 최대의 효과를 나타낼 수 있습니다.

 

 

 

1) 결정입계 강화 (Grain Boundary Strengthening)

 

Fig. 1 grain 내부에서의 전위 이동

 

 * 전위의 이동 장벽

 

전위는 grain 내에서 이동 할때 orentation이 다른 grain boundary를 넘어 다른 grain으로 이동하기 어렵다.

 

이유는 grain boundary (high angle grain boundary)는 에너지가 높기 때문에 이를 넘어 가려면 grain boundary의

에너지 보다 높은 에너지가 필요합니다. 

 

 

* Hall-petch relation (홀-패치 관계식)

 

fine한 grain을 가지는 재료는 grain boundary의 수가 많아 전위의 이동 방해가 많이 발생한다는 내용의 관계 식

 

σ0: 항복 강도
σi : 전위의 이동 저항

k: hardenting 계수 (재료의 고유 값)

D: grain size 직경

 

hall-petch 관계식

 

따라서, hall-petch 식에 의거하여 재료의 항복강도는 grain size가 작을 수록 증가 하는데

 

이것이 grain refine이 재료의 강도를 향상되는 이유입니다.

 

 

* Inverse hall-petch relation (역 홀-패치 관계식)

 

 

Fig. 2

 

grain size가 작아질 수록 재료의 항복강도가 증가하는게 일반적이지만 특수한 상황에서 다른 현상을 나타냅니다.

 

grain size가 약 10 nm 보다 작아 질 경우에 항복강도가 오히려 감소하는 Inverse hall-petch relation 현상이 나타납니다.

 

이러한 현상은 너무 작은 grain size내에서는 dislocation이 1~2개 정도 밖에 위치 하지 못하기 때문에

 

전위의 이동을 감소시키는 효과 자체는 오히려 감소하기 때문입니다.

 

 

 

2) 고용 강화 (Solid-Soution Strengthening)

 

Fig. 3 Solid solution 모식도

 

 고용 강화는 기존의 기지(matrix)를 이루는 재료와 달리 다른 원소를 고용시켜서 강화를 유도하는 강화법입니다.

 

 크게 2가지 세부적인 내용으로 구분 할 수 있습니다.

 

 - 치환형 고용체 / 침입형 고용체로 나눌 수 있습니다.

 

 * 치환형 고용체 (substitutional solid solution)

 

 

 Fig. 4  치환형 고용체의 격자 압축 강도

 

- 고용시키는 원자의 크기가 기지의 원자와 비슷하거나 큰 원자를 고용시킨 고용체

 

-  재료 기지의 격자 입장에서는 큰입자가 고용되면서 compressive stress가 걸리게 되는 특징

 

 

Fig. 5 치환형 고용체의 전위 이동 방해

 

-치환형 고용체는 전위가 이동 할때 크기가 큰원자에 의해서 문턱이 생기기 때문에 전위의 이동 방해

 

 -> 전위의 이동 방해는 재료의 강화 효과

 

 

 * 침입형 고용체 (interstitial solid solution)

Fig. 7 침입형 고용체의 격자  압축 강도

 

- 고용 시키는 원자의 크기가 기지의 원자보다 작은 사이즈를 가지는 고용체

- 재료 기지의 입장에서 작은 입자가 고용되면서 tensile stress가 걸리게 되는 특징

 

 

Fig. 8 침입형 고용체의 전위 이동 방해

 

-침입형 고용체는 작은 입자가 격자와 격자 사이에 위치하기 때문에 전위의 이동에 방해 효과

  -> 전위의 이동 방해는 재료의 강화 효과

 

 

 

 

 

3) 석출 강화 (precipitation strengthening)

 

 

Fig. 9 석출 강화 상태도와 열처리 모식도

 

- 석출 강화는 열처리와 냉각을 통해 재료의 강화 효과를 유도하는 공정 방법입니다.

 

- (1) 완전 고용 단계, (2) 급냉을 통해 solid solution, (3) aging을 통해서 고용된 원소를 석출 시키는 과정

 

-  (Al-Cu) 재료를 예시로 들었을때 

 

  (1) Cu를 완전이 고용 시킬 수 있는 고온에서 Al 내부에 Cu를 완전 고용

  (2) 급냉을 통해서 Cu의 집합체를 Al 내부에 생성

  (3) aging을 통해서 θ 상으로 석출 

 

Fig. 10 aging에서의 석출상

* aging을 세부적으로 나누어 보자면

 

열처리 후 급랭의 solid solution strengthening 상태에서

 

열처리를 통해서 GP zone은 low strain hardening 효과 

 

GP zone 이후에는 최대 강화 효과를 나타내는 구간이 존재  이후 강도가 감소하는 영역 또한 존재

 

Fig. 11 aging 처리에 따른 강도 비교

 

 Fig. 11은 Fig. 10과 같은 내용의 강도 정리로

 최대 강도는 GP zone 이후 aging을 통해 최대값을 나타내는 열처리 시간 존재 (최적화 조건 존재)

 

 over aging은 강화 효과 없다는 특징

 

 

 

 이후 [2-2] 재료 강화 기구에서는

 

 마르텐사이트 강화 / 변형 강화/ 분산 강화 /파이버 강화 등을 정리해 보겠습니다.