[7] 냉간 가공한 금속의 열처리_회복, 재결정, 결정립 성장, SRX

[7] 냉간 가공한 금속의 열처리_회복, 재결정, 결정립 성장, SRX

 

 

교육 목표

 

- 금속을 냉간 가공 후 열처리 하였을때 발생하는 회복, 재결정, 결정 성장에 대하여
- static recrystallization (SRX) 단어 이해 

 

앞서 전위의 이론들에서 설명하였다면, 이번 글 부터는 재료의 변형에 대해서 설명하고자 합니다.

 

먼저 금속 재료를 냉간 가공하고 열처리를 하였을때 발생하는

 

회복, 재결정, 결정립 성장에 대해서 설명하도록 하겠습니다.

 

 

금속을 변형 한다는 것은 무엇 일까요?

 

바로 다결정 재료에 힘 (에너지)를 주어 열역학 적으로 불안정 하게 만드는 것입니다.

 

재료에 변형을 주게되면 격자에서 전위가 생성 되게 됩니다.

 

잘 생각해 보시면 원자로 되어 있는 격자를 눌르거나 당겼을때 격자 사이에 공간(공공) 혹은 전위가 생길 수 있다는 것은

 

쉽게 이해 하실 수 있을 겁니다. 이러한 전위를 활용하고자 하는 것이 금속 변형과 열처리의 포인트 입니다.

 

재료에 변형을 주는 방법은 크게 냉간 가공 / 열간 가공으로 나뉘어 집니다.

 

이는 가공중에 재결정이 일어아는 온도 이하인가 / 이상인가 로 나뉘어 지는데 이후에 자세하게 설명 하겠습니다.

 

본 글에서는 냉간가공 이후에 열처리에서 나타나는 현상을 정리 하고자 합니다.

 

 

(1) 냉간 가공후 열처리 현상 전체 정리

Fig. 1 냉간 가공후 열처리를 할때 나타나는 현상들

 

 

뒷 부분에 각 파트를 나누어서 다시 설명하겠지만 먼저 전체 적으로 정리하고 넘어가려고 합니다.

 

냉간 가공도 사실 많은 공정을 포함하고 있습니다. 압연, 압출, 단조 등 하지만 전위를 생성시킨다는 점에서

 

많은 공정들을 포함하고 있는것 입니다. 설명을 시작하겠습니다.

 

 

아무런 공정을 거치지 않은 재료의 조직이 왼편에 있습니다.

 

1) 냉간 가공을 거치면서 가공 조직의 외관이 가공의 방향으로 외관상 변형이 일어나겠죠.

 

간단히 말하면 납작해 진다는 뜻입니다.

 

 

납작해진 재료는 내부를 관찰하게 되면 힘을 받았기 때문에 전위를 다수 형성하게 됩니다. 

 

이렇게 전위를 생성한 재료를 2) 열처리 하였을때 연속적으로 3가지 현상이 나타나게 됩니다.

 

열처리를 통해서 전위가 이동하며 없어 지거나 다각화 (polygonization)을 형성하게 됩니다.

 

이를 3) 회복 (recovery) 이라고 합니다. 그러면 왜 전위가 없어지거나 다각화가 되면

불안정한 전위에너지가 줄어 들기 때문에 재료의 입장에서는 열역학적으로 안정화 되었다.

 

즉, 회복 되었다 라고 생각하시면 됩니다.

 

 

계속되는 열처리에서 다각화는 즉 low angle grain boundary를 형성한 것으로 

 

새로운 grain의 생성에 씨앗이 됩니다. grain boundary angle이 늘어 나면서

 

high angle grain boundary ([1] "결정입계 에너지" 글에 내용 포함)로 변화하게 됩니다.

 

이는 온전한 새로운 grain이 생성된 것으로 4) 재결정 (recrystallization)이라고 합니다.

 

 

재결정까지 생성되는 과정에서 냉간 가공에서 생성된 전위를 소비했기 때문에 

 

이후에는 새로운 결정 보다는 5) 열처리에 따른 결정의 성장이 나타나는 것입니다. 

Fig. 2 회복, 재결정, 결정립 성장에서의 특징

 

 

Fig. 1 은 현상을 설명하였다면, Fig. 2는 강도, 연성등의 특징을 나타내기 위한 그래프입니다.

 

회복 -> 재결정 -> 결정립 성장으로 진행 되면서

 

강도는 줄어들고 / 연성은 증가하는데 이는 냉간 가공 이후에 생성되는 전위의 소비에 따른 것입니다.

 

결정립의 크기 또한 재결정 이후 결정이 성장하면서 증가합니다. 

 

아래는 각 부분의 세부적인 내용을 다루도록 하겠습니다.

(2) 회복 (Recovery)

Fig. 3 전위의 움직임과 다각화

 

냉간 가공 이후 회복에 대해서는 전위의 움직임과 다각화에 대해서 알아야 합니다.

 

사실 앞선 "[1] 결정입계 에너지" 글에서 해당 내용을 설명한 적이 있습니다.

 

열처리를 통해 이동할 에너지가 생긴 전위는 다각화 즉 1열로 줄지어 재료 내에 전위 밀도 에너지를 낮추게 됩니다.

 

이러한 전위의 배열은 low angle grain boundary 라고 부릅니다. 아직은 각도가 낮아 에너지 밀도가 낮은 boundary라는

 

뜻입니다.

 

 

Fig. 4 low angle grain boundary의 형성

 

다시 설명하면 Fig. 4의 조직내 점 1를 전위라고 보았을때 

 

전위가 있는 재료를 열처리하면 전위들이 다각화를 이루며 low angle grain boundary를 형성하게 됩니다.

 

우측의 그림을 보았을 때 나중에 결정입계를 형성하며 새로운 결정이 생성 되겠구나 쉽게 예상 할 수 있습니다.

 

 

 

 

(3) 재결정 (Recrystallization)

Fig. 5 재결정의 과정 모식도

 

 

앞선 회복에 연장선에서 설명하는 내용입니다.

 

전위는 1열로 줄을 서며 다각화 즉, low anlge grain boundary를  형성하고

 

회복 단계에서 완벽하게 없애지 못한 전위 에너지가 높은 부분에서 핵생성 및 boundary의 성장을 하게 됩니다.

 

boundary의 성장은 high angle grain boundary 까지 성장 합니다.

 

다시 말하면, 새로운 핵과 결정립 계면이 생긴다  재결정이 일어난다는 것입니다. 

 

 

 

(4) 결정 성장 (grain growth)

 

Fig. 6 결정 성장 모식도

 

재결정 이후에 낮은 grain 내부 에너지로 부터 grain의 성장이 일어납니다.

 

driving force는 표면 에너지로 boundary를 줄이며 전체적인 에너지를 줄이기 위함입니다.

 

하지만 재료의 물성에서 grain size의 성장은 크게 도움이 되지 않습니다.

 

Fig. 7 결정의 성장과 축소

 

결정의 성장에서는 큰 결정이 계속 커지고 주변에 작은 결정들이 큰 결정에 빨려 들어가는 현상들이 있습니다.

 

위의 설명과 같이 많은 계면들을 줄이기 위한 과정으로 보시면 될것 같습니다.

 

 

 

(5) Static recrystallization (SRX)

 

단어 정리를 하나 하고 넘어가려고 합니다.

 

이렇게 냉간 가공으로 전위를 형성하고 열처리를 통해서 재결정을 만들어내는 전체적인공정을

 

Static recrystallization (SRX) 이라고 합니다. 굉장히 많이 쓰는 단어들이기 때문에 정리를 하였습니다.

 

 

예시) 재료를 SRX 하여 강도가 좋아졌다  -> 냉간 가공 후 열처리를 하였다.

 

이후에 설명할 열간 가공중 생기는 재결정에 대해서는 dynamic recrystallization (DRX) 라고 부릅니다.