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1. 강에서 변태(Transformation)란 무엇인가
결정구조가 외적조건(온도, 압력)에 의하여 변하는 것을 말하며 변태가 온도의 변화에 의하여 일어날 때의 온도를 변태점이라 하는데, 탄소강의 경우 δ-Fe이 γ-Fe로 γ-Fe이 α-Fe로 변할때의 각각의 변태점은 1400℃ 및 910℃이다. 이 외에 큐리점(Curie Point)이라하여 강자성체가 상자성체로 변하는 자기 변태가 768℃에서 있으며 큐리변태는 결정구조에 변화가 없다.
2. Annealing 이란 무엇인가
강의 연화, 내부응력 제거를 목적으로 행하는 것으로 Full Annealing, Process Annealing, Isothermal annealing, Spheroidizing 등이 있다. Full Annealing은 강을 A3(아공석강)또는 A1(과공석강)보다 약 50℃ 높은 온도로 가열하여, 일정시간 유지하여 균일한 Austenite로 만든후, 극히 서서히 냉각하는 처리로 보통 로내에서 냉각시킨다.
Processing Annealing은 강을 A1점 부근의 온도로 가열하여 소정시간을 유지한 후에 적당히 냉각하는 열처리로 주목적은 강을 연화하는 것과 내부응력을 제거하는 것이며, 용접후의 Stress Relief Annealing은 Process Annealing에 속한다.
3. Normalizing 이란 무엇인가
강을 Austenite 온도(A3 또는 Am 보다 약 60℃ 높은 온도)로 가열하여 일정시간 유지시킨후 대기중에서 서서히 서냉하는 방법이다. 조직의 개선, 결정립의 미세화로 인성과 연성등의 기계적 성질이 향상된다.
4. Quenching 이란 무엇인가
강을 A3(아공석강) 또는 A1(과공석강)점보다 약 30～50℃ 높은 온도에서, 일정시간 유지후 급냉각시켜 Martensite를 생성한다. 이때 사용하는 냉각매체는 기름, 물, 공기들로서 강의 종류에 따라 선택한다. 냉각매체의 선택은 소입처리에서 극히 중요하다. 목적은 Martensite를 생성하여 강도를 높이기 위함이다.
고온조직(Austenite)을 급냉에 의하여 상온에서도 균일한 Austenite 조직으로 얻는 처리를 용체화처리(Solution Treatment)라 한다.
Martensite변태는 Ferrite, Pearlite와 같이 핵의 생성 및 성장이 아니고 성분의 확산도 없다. 생성시간은 10-7 sec로 성장속도는 1100m/sec나 된다. 변태이론엔 Bain의 변형이론, 전단변형이론, 이중변형(twin 변형) 및 전위론등이 있으며 Martensite는 Fe원자의 격자간에 C원자가 침입형으로 고용되어 원자의 이동이 방해당한 중간상태이다.
또한 Martensite가 경도/강도가 큰 이유는 결정이 미세화되고 급냉으로 내부응력이 높고 탄소가 과포화되며 따라서 탄소원자에 의한 Fe 격자가 강화되기 때문이다. Martensite 생성 시작 온도는 합금원소들에 의해 많은 영향을 받으며 아래와 같이 계산한다.
Ms(℃) = 539 - 423(%℃) - 30.4(%Mn) - 17.7(%Ni) - 12.1(%Cr) - 7.5(%Mo)
(그림1) 탄소함량이에 따른 마르텐사이트 생성온도
5. Tempering이란 무엇이며 이때 발생되는 문제점은 무엇인가
소입만 행한 강은 대단히 경하며 취약하고 강의 내부에, 큰 응력이 남으므로 소입강에 인성을 주기 위하여 A1 변태점 이하의 온도에서 소정시간 지속한 다음 상온까지 냉각시킨다. 다시말해 소입강은 상온에서 안정상태가 아니므로 안정상태로 변화를 촉진시키기 위하여 가열한후 냉각시키는 조작으로 소려온도로부터 급냉을 하여야 한다.
소려시 주의할 것은 소려취성(Temper Brittleness)으로써 저온소려취성은 200～300℃에서 소려시 취약하게 되는 것으로 이 온도 범위에서 강의 인장강도가 큼에 기인된다. 이는 탄소강의 청열취성(Blue Shortness)과 관계가 깊다.
제 1차 소려취성은 500℃에서 소려시 취약한 것으로 이는 결정립계에 탄화물, 인화물, 질화물 들이 석출하기 때문이며, 제 2차 소려취성은 525～600℃에서 서냉소려시 역시 결정립계에 탄화물이 석출하기 때문이다. 따라서 이에 대한 방지책으로 Mo을 소량첨가 하거나 소입직후 소려온도로부터 급냉을 하여 결정립계에 탄화물의 석출을 일으킬 시간적 여유을 안주는 것이다.
참고로 청열취성(Blue Shortness, Cold Shortness)에 대해 언급하면, 이는 200～300℃에서 발생하며 강의 시효 강화현상에 기인한다. 강중의 P가 Fe3p를 형성하여 결정립계에 편석을 일으키며 또한 Fe3p + MnS + MnO의 Ghost Line을 형성하게 된다. Fe3p는 확산속도가 매우 느려 가열조작으로도 확산이 곤란하다. 이에 반해 적열취성(Hot Shortness)이란 강중의 S에 기인한 것으로 S는 MnS을 형성케되고 남은 잔류 S는 Fes를 형성하여 결정립에 편석하여 취성(1190℃ 정도)을 일으킨다.
6. Austempering 이란 무엇인가
변태온도 A3 보다 10-40℃정도 더 높은 온도로 가열하여 완전 Austenization 후, Martensite 변태점(Ms) 보다 약간 높은 온도에서 장시간 지속시켜 Bainite을 생성하므로서 강도와 인성을 함께 얻고자 하는 열처리이다. 이 방법은 주로 얇은 판이나 작은 부품에 많이 사용한다.
7. Martempering 이란 무엇인가
이 방법은 열처리시, 균열에 민감한 강재에 주로 사용한다. 먼저 A3 변태점보다 10-40℃ 높게 가열하여 소정시간 경과후 Ms 온도 바로 위의 온도까지 급냉각시킨 다음, 여기서 부품 전체의 온도가 균일하게 되고 Bainite로 변태하기 직전에 꺼내어 재냉각시켜 Martensite를 생성하며, 주로 후판에 사용한다.
8. Ausforming 이란 무엇인가
강을 재결정온도 이하, Ms점 이상의 온도범위에서 소성가공을 한 후 소입하는 조작으로 가공온도까지 냉각중 또는 가공중에 변태생성물이 생기지 않도록 하는 것이 효과적이다.
9. Sub-zero Treatment란 무엇인가
상온의 냉각제에서 소입한 후에도 잔류 Austenite가 남을 경우 잔류 Austenite를 Martensite화 하기 위하여 0℃ 이하의 온도에서 냉각시키는 처리를 말한다. Martensite 는 Ms-Mf 온도 범위를 냉각할때만 생성되는 Ms점이 상온 이하에 있는 고합금강을 보통 방법으로 냉각시 Austenite가 잔류하게 된다. 이 처리는 높은 경도를 필요로 하는 경우에, 또는 잔류 Austenite의 시효변태에 의해 생기는 팽창변형등이 좋지 못한 경우에 행하는 처리로써 주로 고합금 공구강의 경도증가 및 성능향상 Gage/Bearing등의 정밀기계부품의 시효에 의한 형상 및 치수변화를 방지할 목적으로 사용한다.
10. 응력완화 열처리(Stress - Relief Treatment) 란 무엇인가
하부 변태온도(A1)보다 낮은 온도(대개 550-650℃)에서 두께 25㎜당 약 1시간 정도 유지하였다가 서서히 균일하게 냉각시킨다. 주목적은 용접후 구조물의 잔류응력을 제거함에 있다. 이 열처리 과정에서 상변화에 의한 조직변화는 없고 탄화석출물의 재분포 및 회복등의 현상이 일어날 수 있다.
11. 예열온도 결정은 어떻게 하는가
1940년 J.Dearden이 제안한 탄소당량에 의한 용접부의 최고경도(Hmax[Hv])로서 산출하는 방법이 많이 채택되고 있다. 탄소당량에 의한 예열온도 계산은 다음과 같다.
C.E. < 0.45 예열 불필요
0.45 < C.E. < 0.60 200 ～ 400℉
C.E. > 0.60 400 ～ 700℉
탄소량에 의하여 용접 열영향부의 최고경도를 다음식에 의하여 계산한다.
용접 열영향부 최고경도 Hmax (Hv) 계산식
① Bead 용접 : Hmax(Hv) = CE × 660 + 40
② Fillet 용접 : Hmax(Hv) = CE × 1200 - 200
열영향부 최고경도(Hv)가 구해지면 예열온도는 그 경도에 따라 실시한다.
예열의 목적은 용접부의 냉각속도를 늦추어 열영향부의 Martensite 조직 생성을 방지함에 있다. 즉 경화도를 낮추어 균열을 방지하고자 하는 것이다. 따라서 적정 예열온도란 용접열 영향부에 전혀 Martensite를 발생시키지 않도록 하는 냉각속도가 되도록 가열하는 예열온도를 말한다. 국제 용접학회(I.I.W)에서는 열영향부의 최고 경도(Hv)가 350 이하로 되도록 하는 냉각속도를 갖도록 예열하는 온도를 예열온도로 지적하고 있으며, 예열온도의 적합 여부는 용접후 열영향부가 어떤 일정 온도사이의 냉각에 필요한 시간을 측정하여, 모재의 C.C.T 곡선에서 어느 정도의 경도가 되는가를 보아 IIW (그림3) 재질별 탄소당량에 따른 항복강도
기준에 의하여 적합여부를 판단한다. 따라서 적정 예열온도의 결정은 그 재료의 C.C.T 곡선에서 허용경도 이하(Hv 350이하)로 되는 곡선을 찾아 그 경도가 되도록 요하는 일정온도간(800～500℃간)의 냉각 소요시간을 구한다. 이 냉각 소요시간에 의하여 냉각온도를 측정하는 노모그래프에서 예열온도를 결정한다.
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최고경도 Hmax(Hv) |
예 열 온 도 |
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≦ 200 200 - 250 250 - 325 > 325 |
예열, 후열이 불필요 100℃정도 예열 150℃이상 예열, 650℃ 후열 200℃이상 예열, 650℃ 후열 |
12. 용접부에서 최고온도는 어떻게 구해지는가 ?
단일패스로서 충분한 용입이 되는 맞대기 이음용접을 할 때 열영향부내의 어떤 점에서 있어서의 최고온도는 다음 식으로 주어진다.
여기서 Tp : 본드에서 Y㎜ 떨어진 점의 최고온도, ℃
To : 초기온도, ℃
Tm : 용융온도, ℃
Hnet
: 실에너지입력
E : Volt, I : amP, V : ㎜/sec, f1 : 열전달율
ρ : 밀도, ρ/㎣
C : 비열, J/g∙℃
t : 판두께, ㎜
이 최고 온도방정식은 다음 경우를 포함하여 여러 경우에 사용된다.
∙ 열영향부내 어떤 점의 최고온도
∙ 열영향부 폭의 예측
∙ 예열이 열영향부의 폭에 미치는 영향
이 최고온도분포식은 박판에 적합하도록 만들어진 식이다. 단일패스로서 용접이나 절단이 가능할 때는 판두께에 관계없이 적용된다. 아아크용접에 적용할 때, 4패스 이내에서 이음이 완성되는 경우에 적용시 좋은 결과가 얻어진다.
13. 주사전자현미경(SEM) 이란 무엇인가 ?
SEM(Scanning Electron Microscope)은 광학현미경으로 관찰이 어려운 시료의 미세 영역을 관찰하는 설비로서 전자총에서 방출된 전자빔을 가속, 집속시켜 시료표면의 미세영역에 조사하고, 이때 시료 표면에서 발생되는 여러종류의 정보중 다량 발생되는 이차전자 및 반사전자를 검출, 감지하여 브라운관의 밝기로 변조시켜 고분해, 고배율의 영상을 관찰할 수 있으며 다원소 분석이 가능한 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)나 선정된 단일원소만을 분석하는 WDS(Wavelegth Dispersive X-Ray Spectrometer)를 부착하여 SEM으로 관찰중인 영역에 대한 원소 분포별 채색 및 정성, 정량 분석을 용이하게 수행할 수 있으며, 파단면 형태, 결정형태 및 결정구조 관찰 등의 금속, 재료 공업분야와 기타 화학공업, 정밀공업, 생물의학분야에 널리 사용되고 있다.
14. 손상 파단면의 구분은 어떻게 하는가
섬유상부(Fibrous) : 파괴의 기점으로서 이 부위에서 균열이 시작되어 이것이 어느 일정크기로 성장한후 균열이 급속하게 전파하는 부위
방사상부(Radial) : 섬유상부의 원인으로 균열이 급격하게 확대된 부위
전단부(Shear Hip) : 최종적인 파단부위로서 파괴가 급격히 일어날수록 온도가 낮을수록 방사상부가 넓어지고 섬유상부와 전단부가 감소
(그림4)
Creep파괴
결정립계파괴의 사례로 Creep 파괴는 높은 온도에서 응력을 가했을 경우 장시간 후에, 인장응력보다 상당히 낮은 응력하에서도 재료가 급격히 파괴되는 것을 Creep파괴라 하며 Creep에 의한 파괴양상은 아래 그림과 같은데, 이 경우 파괴는 결정립계를 따라 전파되며 파면은 거칠고 結晶的이다. 또 취성적인 파괴이기 때문에 응력집중의 효과를 크게 받는다.
16. 피로파면은 어떻게 나타나는가
∘ 인장응력이 반복해서 작용하는 경우 아래 그림에서 보는것처럼 강재의 결함부를 기점으로 하여 균열이 원반형으로 확대되어 최종적으로 Shear lip을 형성하면서 파손된다.
∘ 피로파손은 비교적 장기간에 걸쳐 서서히 진행되는 파괴이다. 따라서 부하가 반복될 때 균열이 진행, 정지하므로서 나타나는 파면이다.
∘ 해변 모래사장에 파도가 왕복하여 만든 흔적과 비슷하여 Beach Mark라고 부른다.
∘ 균열이 전파하는 국부적인 방향에 수직으로 나타나며 Strip이 평행으로 배열되는데 이들 Strip의 간격은 피로진폭에 따라 변하며 피로파면을 판별하는데 매우 중요한 구실을 한다.
17. Fish Eye는 어떻게 나타나는가
침탄이나 질화처리 등을 통해 기계부품의 표면이 경화되어 있거나, 또는 표면에 압축잔유응력이 존재하는 경우에 발생하는데 이 경우 균열의 기점이 고기의 눈처럼 보이기 때문에 Fish Eye라고 함.
18. Chevron Mark는 어떻게 나타나는가
파괴가 충격적으로 급속히 일어났을 때 나타나는 파면으로 청어뼈 모양임
19. River Pattern은 어떻게 나타나는가
취성파괴된 벽개파면을 현미경으로 관찰하면 아래 그림과 같이 강줄기가 흘러가는 것 같은 파면을 관찰할 수 있다. 이는 벽개파면이 하나의 결정입내에서도 여러개의 벽개면으로 전파하기 때문에 나타나며 파면은 계단식(Step)이고 강줄기와 같은 방향으로 벽개면은 전파되며 River Pattern은 취성파면을 나타내는 전형적인 파면양상이다.
(그림7)
Chevron Mark (그림8)
River Pattern
20. 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking : SSC)이란
응력과 부식분위기가 동시에 작용하여 균열이 발생하는 경우의 부식으로서 균열이 가지를 치면서 전파하는 것이 특징인데 대개의 경우 입계균열로 나타나나 경우에 따라서는 입내균열로도 발생한다. 아래 그림은 스텐레스강에서 발생한 응력부식 균열이다.
21. Dimple Pattern은 어떻게 나타나는가
연성파면에서
가장 보편적으로 나타나는 Pattern인데 Micro 결함이나 석출입자 등을 핵으로 해서 작은 Microvoid가 많이 발생하고 이들이 합작되어
파괴된 것으로 주사전자현미경으로 관찰하는 것이 통례이다. (그림9)
Stainless steel에서의 응력부식균열 (그림10)
Dimple Pattern
22. 템퍼링으로 인한 취성(Embrittlement)에는 어떠한 것이 있는가
(그림11)
천이온도의 결정과 템퍼링취성이 천이온도에 미치는 영향
즉, 청열취성(Blue embrittlement), 합금강에서의 템퍼링 취성, 고강도강에서의 350℃ 취성, 페라이트 스테인레스강에서의 400～500℃ 취성등이다.
이와같은 취성을 가공중에 발견할 수도 있으나, 그렇지 못하고 사용하게 되면 매우 위험하다. 특히 충격을 받을 경우 취성파괴를 일으키기 쉽다. 따라서 강재제조과정중 취성의 가능성을 신중히 고려하고 취성이 발생할 가능성이 있는 경우 발견할 수 있는 방법을 고안해야 한다.
취성은 인장시험이나 경도시험만으로는 발견할 수 없는 경우가 많다. 대개 취성을 가진 재료는 그렇지 않은 재료에 비해서 경도와 강도가 크고 연성이 떨어지지만 그 차이는 심하지 않다. 따라서 취성의 발견을 충격시험으로 하는 것이 바람직히다. 취성을 갖는 강재는 실온에서 매우 낮은 충격치를 갖으나, 아래 그림11에서 볼 수 있는 바와 같이 천이 온도가 크게 높아진다.
23. 청열취성(Blue Brittleness)이란 무엇인가
보통 탄소강이나 일부탄소강을 230～370℃로 가열하면 강도가 증가하고 연성과 충격강도가 현저히 저하된다. 이와같은 취화현상은 청열온도범위에서 일어나므로 청열취성이라고 부른다. 그 원인은 석출경화이다.청열취성범위내에서 열처리한 강재는 인성이 상당히 좋지 않아서 충격을 받는 곳에는 사용해서는 안된다.
24. 350℃ 취성(Embrittlement)이란 무엇인가
고강도 저합금강(HSLA Steel)에서 350℃ 취성은 200～370℃의 온도구간에 걸쳐서 일어난다. 이 현상은 주로 템퍼링된 마르텐사이트에서 발생하므로 템퍼링 마르텐사이트 취성이라고 한다. 또 미소조직이 템퍼링한 저온 베이나이트(Tempered Lower Baiaite)인 경우에는 350℃ 취성을 나타내며, 그외 퍼얼라이트나 고온 베이나이트인 경우에는 이런 현상이 나타나지 않는다. 350℃ 취성은 세멘타이트 판(Platelet)이 이전의 오스테나이트입계에 석출하여 훼라이트 그물구조를 형성함으로써 발생한다고 생각된다.
상당량의 Cr이나 Mn을 함유한 강재는 350℃ 취성을 나타내기 쉽다. 0.04% 이상의 Al을 첨가하면 취성이 감소하며 그 양이 0.1%에 달하면 취성이 완전히 없어진다. 고순도 강에 P, Sb, As, Sn, Si, Mn, Ni등을 첨가하면 취성을 어느 정도 나타낸다. 특히 Ni를 첨가하면 입계파괴를 일으킨다.
25. 400～500℃ 취성(Embrittlement)이란 무엇인가
결정립이 미세한 고Cr 스텐레스강은 일반적으로 연성이 좋으나, 400～500℃에서 장시간 유지하면 경화, 취화된다. 이와같이 취성을 갖는 고Cr 페라이트 스텐레스강의 조직은 Fe가 많은 페라이트로 된다.
Cr량이 많을수록 취성이 잘 나타나며 19%이상이 되면 최대가 된다. Cr이 15%이하이면 취성이 나타나지 않는다. 이 경우 탄소는 별영향을 미치지 않으며, 1% 이상의 Ti와 2.4～.15%의 Nb, 그리고 Si은 취성을 촉진시키는 역할을 한다. 400～500℃ 취성은 그 이상의 온도에서 유지시킴으로써 취성을 제거할 수 있다.
26. 템퍼링 온도의 선택은 어떻게 하는가
템퍼링 온도가 설명서에 명시되어 있지 않을 경우에는 적절한 템퍼링 온도를 결정해야 한다. 이때 참고할 수 있는 기본적인 원칙들은 다음과 같다.
○ 퀜칭강화된 부품의 전부가 템퍼링되어야 한다. 적어도 120～150℃이상
○ 템퍼링으로 감소되는 경도값이 원하는값 이상면 가능한한 높은 온도로함
○ 2차 경화를 일으키는 경우 템퍼링 온도를 2차 경화곡선의 극대점으로 한다.
○ 실제 사용 온도 보다 높게 선택한다.
27. 예민화(Sensitization) 현상이란 무엇인가
(그림12)
스테인레스강의 예민화현상
28. 시그마 상이란 무엇인가
시그마상이 완전한 오스테나이트계 합금에 나타난다는 보고가 있는데, 대개 이 합금들은 시그마상이 형성되는 온도에서 열처리 해주기 전에 상당한 냉간가공을 해준 것이다. 그러나 많은 경우 오스테나이트 합금에서는 페라이트가 시그마상보다 먼저 형성된다. 따라서 페라이트를 만드는 합금원소가 시그마상 형성에 필요한 오스테나이트 합금의 균형을 깨버린다. 그러한 원소로는 실리콘, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 티타늄, 콜롬비움과 같은 것이었다. 실제 309(25% 크롬, 12% 니켈)는 25% 크롬, 20% 니켈과 더 많은 탄소를 가지고 있는 310보다 시그마상 형성에 민감하다. 이와 비슷하게 3% 몰리브덴, 0.3% 티타늄을 포함하고 있는 개량시킨 317강에서는 시그마상이 상당히 빨리 나타난다. 오스테나이트 강에서는 페라이트조성 원소만 모자라지 않는다면, 아주 극소량의 크롬만 있어도, 시그마상이 분명히 나타난다.
29. 경도측정 방법의 종류에는 어떤 것이 있는가
지금까지 고안되고 사용되어 온 경도시험 방법은 대단히 많고 또 시험방법에 따른 경도 눈금도 많다. 경도 시험 방법은 시험하는 방법에 따라 압입경도시험, 동적경도시험, 긁기경도시험의 세가지가 있고 또 가하는 하중의 크기에 따라 마크로(Macro)경도 (1㎏f 이상의 하중 사용)와 마이크로(Micro)경도(1,000gf 이하의 하중사용)로 나눌 수 있으며 또 압자의 모양에 따라 혹은 경도 측정의 대상이 되는 재료의 종류에 따라 나눌 수도 있다. 여기서는 시험하는 방법에 따라 분류하기도 한다.
(1) 압입경도시험
시편을 서로 누르거나 강체에 가까운 압자를 시편에 누를때의 변형에 대한 저항의 크기로 경도를 나타내는 것으로서 일정하중에서의 변형의 크기를 이용하는 방법, 영구변형의 크기에 의한 방법, 일정한 크기의 압입에 필요한 하중의 크기로 표시하는 방법 등이 있다.
(2) 동적경도시험
시편에 대해 강체에 가까운 압자를 충격적으로 압입할 때의 변형에 대한 저항의 크기 또는 압자의 반발 강도로 경도를 나타내는 방법이다.
(3) 긁기경도시험
시편 서로간, 또는 시편을 강성체로 긁었을 때의 흠으로 경도를 비교하는 방법으로 일정한 하중으로 흠을 내어 비교하는 경우와 일정한 흠의 크기를 기초로 해서 비교하는 경우 등이 있다.
위의 세가지 종류에 속하는 시험방법에 대해 실용적으로 사용되어온 각종의 경도시험방법을 아래표에 나타내었다. 현재 공업적으로 실용화 되어 있는 경도시험은 압입경도시험에 속하는 브리넬, 비커스, 로크웰 경도시험과 이들의 특별한 조건이라고도 할 수 있는 마이크로경도, 로크웰 슈우퍼피셜경도 그리고 동적경도시험에 속하는 쇼아경도 시험이 있다.
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이 름 |
시 험 방 법 |
경 도 의 표 시 | |
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압 입 경 도 |
브리넬(Brinell) |
강구를 시편에 누른다. |
압입자국의 표면적당 평균압력 |
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비커스(Vickers) |
대면각 136°의 다이아몬드 정4각 추를 시편에 누른다. |
눌린 자국의 표면적당 평균압력 | |
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로크웰(Rockwell) |
선단 반경이 0.2㎜이고 꼭지각 120°인 다이아몬드 원추 또는 강구를 시편에 누른다. |
크고 작은 두 종류의 하중을 가했을때의 압입깊이의 차이 | |
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동 적 경 도 |
쇼아(Shore) |
다이아몬드 팁이 부착된 해머를 시편에 떨어뜨린다. |
튀어 올라오는 높이 |
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에코팁(Equo-Tip) |
영구자석으로 된 해머를 시편에 충돌시킨다. |
충돌속도와 반발속도와의 비 | |
30. 고온균열 (Hot Cracking)이란 무엇인가
응고온도범위 또는 그 바로 아래의 비교적 고온에서 발생하는 용접부의 균열을 말한다. 고온균열은 주물의 고온파열(Hot Tear)과 같은 성질이 원인으로 고온에서 연성이 부족한 저융점 불순물이 생긴 결정립계가 수축응력에 의하여 당겨져 발생하는 것으로 알려져 있다. 강에서는 탄소, 인, 유황등이 많으면 고온균열이 발생하기 쉽다. 특히 황은 황화철(FeS)을 만들고 이것이 저융점의 공정(988℃)을 만들어 입계균열의 원인이 된다. 저온균열과 온도의 한계는 명료하지 않으나 강의 경우 Ms 온도로 되어 있다. 또한 고온균열의 대부분은 입계균열로 비드와 열영향부에도 발생한다.
31. 고용화 열처리 (Solution Heat Treatment)란 무엇인가
합금을 균일한 고용온도까지 가열하여 석출물을 고용시킨 후 석출되지않도록 급랭처리하는 것을 말한다. 예를들면 오스테나이트계 스테인레스 강은 1100℃ 정도의 고온으로 가열하여 탄화물을 기지에 고용시킨 후 상온까지 급랭시켜 균일한 오스테나이트 조직으로 하면 내식성과 그 밖의 성질이 양호하게 되므로 일반적으로 용융화처리한 상태에서 시판된다. 이것을 650℃ 부근으로 가열하면 탄화물의 입계석출이 일어나 내식성 등이 저하되기 때문에 오스테나이트계 스테인리스 강은 용접후 다시 이 처리가 필요하게 되는 경우가 있다.
32. 쌍정 Twining 이란 무엇인가
금속 결정 변형기구의 일종으로 어떤 면에 대해 한쪽 면의 결정이 다른 쪽의 결정과 대칭되는 원자배열을 취하는 변형을 말한다. 페라이트(Ferrite)강을 저온에서 충격등의 급속한 변형을 주면 슬립 이외에 쌍정변형이 나타난다. 이것이 변형 쌍정으로서 운석중에서 발견되어 발견자의 이름을 따서 Neuman Band라고도 불리우고 있다. 한편 동, 황동류에서는 상온 가공 후의 어닐링에 의해 쌍정이 나타나기 때문에 이것을 어닐링 쌍정(Annealing Twining)이라 하여 쌍정과 구분하고 있다. 쌍정은 현미경적으로는 서로 평행한 선으로 나타나며 슬립(Slip)선과 달리 다시 연마하여도 부식하면 다시 나타난다.
33. 공정 반응이란 무엇인가
이 경우에는 평형상태에서 동시에 액체로부터 두 개의 다른 고체가 형성되며, 이 반응은 일정한 온도에서 완료된다. 아래 그림13에서 조성 ①의 용금은 공정온도에서 가각 조성 ②, ③의 고체를 형성하게 된다. 용금의 조성이 아공정, 즉 조성 ①보다 좌측이며 점 ②에서 보다 금속 B를 다량 함유한다면, 위 (1)에서 설명한 바와 같이 우선 단일고상의 석출이 시작되며, 다음에 공정생성이 일어난다. 다시 말하면, 액상선온도 이하로 냉각됨에 따라 조성 ④의 액체는 Cs조성의 α상을 석출한다. 이 단상의 석출이 계속됨에 따라 용금은 금속 B가 점점 더 많아지며, 드디어 점 ①의 공정조성으로 된다. 다음에 α, β의 양상이 동시에 석출한다. 이와 동일한 방법으로 용금의 조성이 ⑤의 경우(과공정)에서는 우선 금속 B가 다량인 β단상이 석출하고, 궁국적으로는 공정을 생성하게 된다. 공정반응이 일어나는 범위 내의 조성한계는 불평형 응고조건에 의하여 넓어진다. 예컨대 급냉시에는 조성⑥의 합금에서 공정반응이 일어난다. 즉, 금속 B의 확산은 고상선에 따라 금속 B가 증가한 고상을 최초로 석출시킬 정도로 충분히 속도가 크지는 못한다. 따라서, 액상은 금속 B가 더 많아지고, 결과적으로 공정조성이 되는 것이다.
이 반응은 일정한 온도에서의 3상간의 관계를 말하나, 여기서는 아래 그림14에서와 같이 냉각시에 고상과 액상이 새로운 고상을 생성하는 반응이다.
액상 1의 조성의 것이 냉각하였을때에는 우선 2 조성의 고상이 석출한다. 평형상태에서는 모든 조성의 고상은 2‘로부터 2로 고상선을 따르게 되고, 액상은 3’로부터 3으로 액상선을 따르게 된다. 포정온도에서 조성 2의 α 고상과 조성 3인 액상이 제3상인 조성 1의 고상 γ를 형성하게 된다. 만일 최초의 용금의 조성이 조성 1의 좌측의 것이라면, 포정반응 후는 α가 과잉으로 될 것이다. 포정반응은 액상에서 석출하는 것에 비교하여매우 완만하다는 데 주의해야 한다. 즉, 고상인 α는 액상과 반응하여 새 상인 γ를 생성한다. 이 새 상은 잔류한 α상을 둘러싼다. 이 반응을 계속하기 위하여 고상 γ를 통한 확산이 필요하기 때문에 비교적 속도가 느리다.
(그림15)
시멘타이트의 결정격자
Fe-C계 합금계에서 중량으로 6.68% C에서 브린넬경도 600～650의 경하고 취약한 탄화철인 시멘타이트가 생성된다. 이 결정구조는 단순한 사방격자이며 단위격자 내에는 철원자 14개와 탄소원자 4개를 가지고 Fe3C를 이루고 있으며 격자상수는 아래와 같다.
a = 4.517Å, b = 5.079Å, c = 6.730Å
이의 비중은 7.74, 항장력은 3㎏/㎟ 정도로서 추정되며, 연신율은 거의 없다. 강중에서는 대개의 경우 판상으로서 파괴되기 쉬운 결정으로 나타난다. 상온에서는 비교적 강한 자성을 지니며 가열하면 210～215℃에서 상자성체가 된다.
이 자기변태점을 Ao라 부른다. Fe-Fe3C계 상태도에서 Fe3C는 순수한 페라이트와 평형으로 공존하므로 Ao변태를 표시하는 수평선은 Fe3C부터 거의 100% Fe까지 그어져 있다.
시멘타이트는 Cr, Mo, Mn등의 합금원소를 고용한다. 이들 원자는 철원자와 치환하여 각각 (Fe, Cr)3C, (Fe, Mo)3C, (Fe, Mn)3C, 등을 형성한다. 그러므로 시멘타이트는 더욱 안정되며 경하게 되어 Ao점은 강하하게 된다. 그러나 Ni와 Si는 시멘타이트에 거의 고용하지 않는다. 또한 안정도는 이들의 원소가 존재함으로써 낮아진다. 탄소강 및 합금강의 기계적 성질은 페라이트소지 또는 오스테나이트소지 중에 존재하는 시멘타이트의 양과 분포상태에 의해 현저한 영향을 받게 된다. 압연과 단조에 의해서 강중의 시멘타이트를 분쇄하여 균일하게 분산되므로 동일한 탄소농도의 강이라 할지라도 강의 기계적 성질을 개량하는데 크게 이익을 주게 된다. 또한 열처리에 의해서도 이들 화합물을 미세하게 또한 균일 분포시켜 재질을 개량할 수 있다.
36. 열처리란 무엇인가
열처리란 필요한 성질을 부여하기 위한 고체에서의 가열과 냉각조작을 뜻하며 넓은 의미에서는 열간소성가공을 위한 가열도 포함되겠으나, 일반적으로는 조질을 목적으로한 가열냉각을 말한다. 열처리는 물리적 혹은 기계적 처리와 조합시키기도 한다. 즉 자석강의 자성을 향상시키기 위한 자기장냉각, 변형제거를 위한 드레스 템퍼링(Dress Tempering), 오스테나이트형 스테인레스강의 강력판을 만들기 위한 영하(Subzero)-로울링 또는 오스포오밍(Ausforming)이 그러하다.
연강, 탄소강 및 저합금강의 일부는 열처리 없이도 사용되는 일이 있으나, 고합금강 및 공구강은 예외없이 열처리하여 사용한다. 열처리 목적에는 다음과 같이 여러 가지가 있으며 열처리를 어떻게 행하는가는 각 강의 화학조성과 용도에 따라서 결정된다
○ 경도나 항장력을 증대시킨다.(소입, 소려)
○ 조직을 연한 것으로 변화시키거나 또는 기계가공에 적합한 상태로 한 다.(소둔, 탄화물의 구상화처리)
○ 조직을 미세화하고 방향성을 적게하며 편석을 적게 하여 균일상태로 만든다.(소준)
○ 냉간가공의 영향을 제거한다(중간소둔, 변태점 이하의 온도로 가열하 는 연화처리)
○ 매크로(Macro) 적 응력을 제거하여 기계가공에 의한 제품의 변형 및 사용중의 파손을 미리 방지한다(응력제거소둔)
○ 산세 및 전기도금에 의해 외부로부터 강 중에서 확산 용해된 수소를 제거하여 수소에 의한 취화를 제거한다(150～300℃ 가열)
○ 조직을 안정화시킨다(소둔, 소려, 영하(Subzero)처리와 소려의 병용)
○ 내식성을 개선한다.(스케인레스강의 소입)
○ 자성의 향상(규소강판의 소둔)
○ 표면경화(고주파소입, 결함소입)
○ 강에 점성과 인성을 부여한다(고Mn강의 소입)
37. 래스마르텐사이트(Lath Martensite)란 무엇인가
전자현미경이나 광학현미경으로 보면 그 단위는 패킷(Packets), 블록(Block)같은 그룹으로 서로 평행하게 나열되어 있다. 패킷은 이 구조에서 대표적인 형태이며 각 래스마르텐사이트는 패킷 내에서 미세구조로 보인다. 그리고 여러 패킷이 전오스테나이트 입자에서 발견된다. 마르텐사이트 단위는 너무 미세하여 광학현미경으로 볼 수 없고, 너무 조대하여 투과전자현미경으로 볼 수 없다. 그래서 패킷 내에 있는 마르텐사이트의 단위는 바늘, 세포, 래스로 특징지워진다. A, B라 표시한 2개 단위는 각 면으로 표시된다. 이 단위는 연마한 면과 다른 각을 형성하므로 이 단위의 단면은 깊이가 증가함에 따라 서로 갈라진다. 이 단위는 좁고 길다.
아래 그림16은 래스 A, B를 다시 그린 것이다. 래스 마르텐사이트는 높은 밀도의 전위로 구성되어 있고 전위밀도가 너무 높아서 전자현미경으로 잴 수 없으나 Speich는 전기저항 측정으로 0.3～0.9×1012㎝/㎤임을 밝혀냈다. 근접한 래스는 높은 혹은 낮은 각으로 분리되고 쌍정을 형성한다. Fe-V, Fe-W, Fe-Sn, Fe-Mn, Fe-Mo의 래스에서는 쌍정이 보이지 않지만 Fe-C에서는 모두 쌍정임이 밝혀졌다.
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Type 1(래스 마르텐사이트) |
Type 2(플레이트 마르텐사이트) |
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Schiebung Martensite Lath Martensite Self-accommodating Martensite Massive Martensite Dilute-alloy Martensite High-temperature Martensite Dislocationg Martensite Cell Martensite Packet Martensite Dislocated lath Martensite Unidirectional Martensite Untwinned Martensite |
Umklapp Martensite Acicular Martensite Plate Martensite High-alloy Martensite Low-temperature Martensite Twinned Martensite Twinned plate Martensite Multidirectional Martensite winned acicular Martensite Lenticular Martensite |
(그림16) 래스A,B의 도시적형상
(그림17)
Fe-1.86C에서의 플레이트 마르텐사이트
플레이트 마르텐사이트는 고탄소, 고Ni, 고질소강에서 발견된다. 이것은 각 플레이트가 서로 평행을 이루지 않는다는 점에서 래스와 다르다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 처음 형성된 플레이트는 원래의 오스테나이트 결정립을 확장해 가는 경향이 있고 플레이트의 크기를 제한한다. 이 효과는 커다란 영역의 플레이트 크기를 생성한다. 최근 미세균열은 탄소함량의 증가에 관계되고 퀜칭기구나 전 오스케나이트입자 크기에 영향을 받지 않는다는 것이 밝혀졌다. 플레이트 마르텐사이트의 미세구조는 미세한 평행 쌍정의 부분으로 이루어져 있다.
대부분 쌍정은 {112}M 형태이고 요즘은 Fe-1.82C에서 {110}M이 보여지기도 한다.
종종 평행한 배열의 나선전위로 이루어진 전위의 미세구조는 Fe-Ni의 플레이트 마르텐사이트에서 미세한 변형쌍정과 함께 공존함이 밝혀졌다.
금속액체가 응고할 때 온도구배가 아래 그림18과 같고 액상이 충분히 과냉각되어 있을때는 고상의 성장은 아래 그림과 같은 수지상정(Dendrite Skelton)의 생성을 거쳐 진행되는 경우가 많다. 생성되려고 하는 고상의 선단에서 우선 수지상정이 형성되고 차례로 가지결정이 발달하여 초기에 형성된 수지상정의 공극을 메워나간다. 고상의 성장방향에 평행하게 생기는 최초의 가지결정을 1차 수지상조직이라고 하며, 성장방향에 직각 또는 일반각으로 되는 가지결정을 2차 수지상조직이라고 한다.
액상이 고상으로 되면서 생기는 응고잠열이 재빨리 발산되어야 생성된 고상핵이 성장하여 간다. 그런데 생성된 고상핵의 형태에 따라서 응고잠열이 발산되어 가는 속도가 각 부분마다 다르다. 예컨대 생성된 핵이 입방체라고 하면 모서리 또는 모퉁이방향으로의 열의 발산이 입방체의 측면 방향보다 훨씬 빠르다. 따라서 고체핵은 모퉁이 방향으로 더 빨리 성장하여 나가면서 수지상정을 형성하게 되는 것이다. 응고가 완료한 다음 순금속일때는 수지상정을 볼 수 없으나, 불순물을 함유할 때는 불순물이 수지상정 사이의 편석 때문에 관찰 할 수가 있다. 또한 응고 도중의 금속의 액상을 재빨리 떨어버리면 고상계에 생성되고 있던 수지상정을 관찰 할 수 있다. 그리고 주괴(ingot)의 수축공 표면에서 수지상정을 볼 수 있을 때가 있다. 수지상정의 축은 입방정계의 금속에서는 [100] 조밀육방정에서는 [1010] Sn에서는 [110]이라고 한다. 고상-액상계면에서 생성되는 1차 수지상조직의 평균간격은 액상의 과냉도가 클수록 커진다.
고상에서 결정구조가 변화하는 격자변태도 순금속일 때는 이미 설명한 응고과정과 거의 같은 변태과정을 밟는 것이 많다. 고상이 변태점보다 높은 온도에서 변태점까지 냉각되면 아래 그림19에서 보는 바와 같이 에너지를 방출하여 냉각된 원자가 나타나며 이것이 빈자리의 도움으로 확산되어 모이면서 새로운 결정의 핵을 생성한다. 원자의 집합이 확산에 의하여 지배되므로 확산형이라고 한다. 핵이 생성되고 이것이 성장하여 가기 때문에 Nucleation and growth mechanism이라고도 한다.
이와같은 새로운 결정으로의 격자변태에서 새로운 결정핵의 안정성도 응고과정의 경우처럼 변태에너지(ΔFυ)와 표면에너지(γ)의 크기에 따라서 거의 결정되지만 변태가 고상에서 일어나므로 주위의 결정격자에 미치는 스트레인(Strain)도 고려하여야 한다. 결정핵이 안정하게 존재하고 성장하려면 스트레인 에너지에도 이겨내야 하므로 스트레인 에너지도 표면에너지처럼 결정핵을 불안정하게 하는 요소라고 보면 된다.
확산형 변태는 원자의 확산에 의하여 일어나므로 변태가 끝날때까지 상당한 시간이 필요하다. 확산에 의한 변태는 나중에 설명하는 석출(Precipitation)과정과 대단히 비슷한 과정을 밟는다. 다만 격자변테에서는 같은 종류의 원자가 결정형만 변화하지만 석출은 고용도(Solid Solubility)의 변화에 의하여 다른 종류의 원자로 된 결정 또는 금속화합물의 모결정에서 분리하는 것이 특징이다.
확산형 격자변태의 경우도 응고할 때와 같이 불순물, 결정립계 또는 전위등의 격자결함이 있으면 그 곳에서부터 새로운 상의 핵이 생성되기 쉽다.
순철의 γ-α변태에서 α(bcc)격자와 γ(fcc) 격자 사이에는 다음과 같은 일정한 결정방위관계가 성립되고 있다.
(110)α ∥ (111)γ
[111]α ∥ [110]γ
이 방위관계는 탄소강의 마르텐사이트 변태에서도 똑같이 나타난다.
확산형 격장변태의 또 다른 예로서 오래 전부터 잘 알려져 있는 것에 Sn의 β(백색주석) → α(회색주석) 변태가 있다. 이 변태는 약 13℃ 이하에서 일어나며 변태속도는 약 -70℃에서 최대이다. 이 변태의 특색은 심한 비용적변화가 수반된다는 것이다. 즉 정방정인 β의 밀도는 7.31인데 다이아몬드형 격자인 α의 밀도는 5.75로 β→α 변태로 약 21.6%의 부피의 증가가 일어난다. 따라서 β→α변태할 때 파괴현상이 생긴다. 저온에서 β표면을 α-Sn으로 문지르면 그 부분에 tin disease라고 하는 α상 영역이 생성된다. β-Sn의 단결정이 α로 변태할 때는 미세한 결정립의 다결정 α상으로 되며 β와 α사이에는 특정한 결정 방위관계는 없다.
(그림20)
마르텐사이트 변태 및 변태기구
확산형 변태에 의하여 변태가 진행될 때는 변태가 끝날때까지 상당한 시간이 필요하다. 그러면 확산이 거의 일어나지않을 정도의 저온으로 단시간에 냉각하면 어떻게 될까? 이 경우 급냉한 직후는 아래 그림20에 나타낸 바와 같이 결정형은 그대로이고 원자만이 열에너지를 잃은 상태로 될 것이다. 이에 따라 원자 사이의 결합에 기여하고 있는 전자분포도 아래 그림의 (a)에서 (b)로 변한다. 그러나 저온으로 냉각된 원자는 확산할 수 없으므로 원자의 배열방법(결정형)은 고온상 그대로 이면서 전자분포만이 저온상으로 된다. 그러므로 전자분포에 따라서 결합하려는 힘이 작용하고 원자는 고온상의 격자점에서 저온상의 격자점 위치로 끌려간다. 이와 같은 과정을 밟는 변태는 결정을 소성변형 할 때 나타나는 쌍정의 생성 경우와 비슷한 특징을 가지고 있으므로 전단변태(Shear Transformation)라고 불렸는데 탄소강의 마르텐사이트의 생성이 이러한 격자변태의 대표적인 예이므로 마르텐사이트형 변태(martensitic transformation)라고 한다.
마르텐사이트형 변태에서도 처음에는 국부적인 격자의 어긋남의 핵이 생성되고 이것이 주위에서 전파된다. 이 전파속도는 대단히 빠르며 수 100분의 1초 이하로 변태가 끝난다.
42. 고용체란 무엇인가
금속 A에 원자 B를 첨가할 때 A와 B의 원자반지름이 서로 비슷하면 치환형 고용체를 형성하고, A-B 결합이 A-A 또는 B-B 결합보다 안정될 때는 규칙격자를 만든다. A와 B가 서로 비슷한 경우에는 앞 절에서 설명한 바와 같이 전율고용체를 형성할 때도 있지만, A에 대하여 B를 어느 량 이상으로 첨가하면 원자 B의 일부가 B-B 결합을 취하는 편이 안정되는 수도 있다. 이러한 때는 B의 A에 대한 고용도(Solid Solubility)가 한정된다. 이러한 고용체를 1차 고용체(Primary Solid Solution)라고 하며 A를 용매원자(Solvent Atoms), B를 용질원자(Solute Atoms)라 한다.
또한 원자 A, B가 AmBn이라는 금속간화합물을 형성할 때도 어느 정도 고용범위를 가질 때도 있다. 이러한 것은 2차 고용체(Secondary solid solution)라고 하며 금속간 화합물과 함께 중간상이라고도 한다.
고용체에는 치환형 고용체말고도 침입형 고용체(Interstitial Solid Solution)가 있다.
즉 용질원자가 용매원자보다 대단히 작을 때는 용질원자가 용매금속의 결정격자의 공극(Void)에 침입하여 들어가기 때문에 용매금속의 결정격자는 변화시키지 않고 고용체를 형성한다.
43. 금속간화합물 이란 무잇인가
합금에는 어떤 정하여진 조성 또는 조성범위로 성분금속과는 전연 다른 결정구조를 가진 중간상이 나타나는 경우가 많다. 중간사중에서 특히 AmBn이란 화학식으로 된 금속을 금속간화합물이라고 한다. 금속간화합물은 그 결합방식에 따라서 다음 3종으로 크게 나눌 수 있다.
○ 원자가효과 화합물(valency compound)
○ 원자반지름 효과 화합물(size factor compound)
○ 전자화합물(electron compound)
그러나 이러한 구별에는 확실한 경계는 없으며 그 중간적인 성격을 띤 화합물이 많다. 원자가 효과 화합물에는 이온결합적 성격이 강한 전기화학적 화합물이나 공유결합적 성격이 강한 것도 있으며 일반적으로 융점이 높고 고용범위가 대단히 작다. 전자화합물은 금속적 성질을 띠고 있으며 어느 정도 넓은 고용영역(2차 고용체)을 갖는 것이 많다.
44. 고용체강화란 무엇인가
합금원소가 고용하면 용질원자 주위의 결정격자에 탄성적 스트레인이 일어나는데, 이것이 전위의 운동을 방해하기 때문에 금속이 강화하게 된다. 이 때, 용질원자에 의한 강화량은 용질원자 농도의 평방근에 비레한다는 Fleischer 이론이 여러 고용체에서 잘 적용되고 있다.
또, 용질원자가 전위주위에서 분위기를 형성해서 전위를 고착하는, 소위, Cottrell 효과에의한 것과, α-철에 있어서의 탄소 및 질소와 같은 침입형 고용원자가 전위주위에 규칙배열함에 의해서 전위를 고착하는 소위, Snoek Pinning에 의한 것등의 간접적인 강화작용도 있다. 치환형 고용체에서, 용질원자와 용매원자간의 원자의 크기의 차가 클수록 강화량이 크게 되지만, 이 원자의 크기의 차가 크게될수록 고용량이 적어지기 때문에 고용체 강화만으로는 특별히 강한 재료를 얻기는 매우 힘들다.
탄소나 질소와같이 철 중에 침입형으로 고용해서 결정격자를 비대칭으로 왜곡시키는 경우는 치환형 용질원자의 등방적 왜곡의 경우에 비해서 전위와의 상호작용이 매우 크다. 따라서 침입형 용질원자에 의한 강화는 어느 정도 기대할 수가 있게 된다.
45. 가공경화란 무엇인가
어니일링
상태에서는, 대부분의 금속은 107
1/㎠정도의 전위밀도를 갖는다. 이것을 심하게 냉간가공하면 1012
1/㎠정도까지 전위밀도가 증가하게 된다. 전위밀도에의한 강도의 증가량은 
로 대체로 표시된다.
여기서, α는 0.2～1.0정도의 상수이며, μ는 강성율, b는 Burgers 벡터의 크기, ρ는 전위밀도이다. 그런데, 냉간가공에 의한
전위밀도의 증가가 한계값을 가지고 있으며, 또한 
에 비례하고 있기 때문에,
전위밀도는 상승에 의한 강도증가는 크게 기대할 수가 없다. 또 냉간가공에 의한 강화는, 인성 및 연성을 현저하게 희생시키기 때문에
현실적으로는 구조용 재료로써의 고장력강에는 적합하지 않다.
46. 결정립 미세화 강화란 무엇인가
결정립계는 전위의 운동을 방해하는 큰 장애물의 하나이다. 결정립이 작을수록 단위체적당의 입계면적이 크므로, 결정립이 미세할수록 강도가 크게된다. 결정립도의 강도에 대한 기여는 Petch에 의해서 실험적으로 나타내지고 있다.
이다. 여기서 σy는 연강의 경우는 하항복점이다. σO는 단결정 중을 전위가 통과하기 위한 마찰력인데, 결정립의 그기에는 무관하다. ky는 결정립에 관계하지 않는 상수인데, 한 개의 입내에서 슬립이 일어나서 입계에 전위가 집적했을 때 이로 인한 응력으로 인접한 입내에 전위를 발생시키거나, 또는 인접한 입내의 전위를 움직히게 하는 응력에 관계하고 있는 것이다. 그리고 d는 결정립지름이다. 이 식에서 알수있는바와 같이 결정립 지름이 작을수록 강화하지만, 보통 야금학적 수단으로서는 결정립 지름을 1μ이하로 하기는 곤란하다. 따라서, 이 결정립미세화에 의한 강화는 실제로 큰 성과를 얻을 수가 없다. 그러나, 결정립의 미세화는 충격인성을 상승시키고 또 동시에 연성-취성 천이온도(Ductile to brittle transition temperature)를 저하시키므로 고장력강의 영역에서는 매우 유효하게 이용되고 있는 강화기구이다.
47. 규칙화 강화란 무엇인가
보통 합금의 고용체에서는 용질원자가 무질서로 분산해서 용해되어 있는데 이종원자간의 결합에너지가 동종원자간의 결합에너지보다 클 경우에는 이종원자가 서로 규칙적으로 결합해서 AB형 또는 A3B형과 같은 규칙격자를 형성한다.
고용체가 이러한 규칙격자를 이루게 되면 더욱 강화하게 된다. 그러나 이 기구에 의한 강화는 야금학적 견지에서는 그리 중요시되고 있지 않다.
48. 마르텐사이트강화란 무엇인가
강을 마르텐사이트로 변태시키면 위에서 논한 어느 강화기구도 추종못할만큼 극히 강화한다. 이 높은 강도는 마르텐사이트 결정만이 갖는 고유의 특성이라고만 지금까지 막연히 생각해 왔었다. 그러나 최근에는 마르텐사이트의 강도는 정량적으로 규명하게 되었다. 그 결과 강의 마르텐사이트 강도에 기여할 수 있는 가능한 인자들은 다음의 5개를 생각할 수가 있게 되었다.
(1) 탄소원자에 의한 침입형 고용체
(2) 퀜칭 중에 생성된 탄화물이나 또는 다른 형태로서의 석출
(3) 마르텐사이트 변태 중에 도입된 전위 혹은 내부쌍정
(4) 마르텐사이트 판의 크기
(5) 치환형 용질원자
탄소를 함유하는 철합금에 있어서는, (4) 및 (5)항의 마르텐사이트강도에 대한 기여는 (1), (2) 및 (3) 항의 그것들에 비하면 극히 작아서 무시해도 좋다. 따라서 탄소를 함유하는 합금의 마르텐사이트강도는 Tanaka와 Choi 에 의하면, H=HO + ΔHsub + ΔHs + ΔHp로 표시할 수가 있다. 여기서 H는 마르텐사이트의 강도, HO는 순철의 페라이트강도, Δsub는 마르테사이트의 변태중에 도입된 전위등의 하부구조(Substructure)에 의한 강도의 증가, ΔHS는 탄소원자에 의한 침입형 고용체 강화량, ΔHp는 탄화물이나 또는 기타의 형태로서의 석출에 의한 석출강화량을 각각 나타낸다.
49. 잔류 오스테나이트의 제거는 어떻게 하나
경화된 강의 조직은 잔류 오스테나이트, 마르텐사이트, 탄화물의 비균질적 혼합물이다. 이중 잔류 오스테나이트는 합금원소량이 많을수록 그 양이 증가한다. 정방정 마르텐사이트는 템퍼링 사이클 중 체심입방정 마르텐사이트로 변태한다.
동시에 잔류 오스테나이트는 정방정 마르텐사이트로 변태하므로 이중, 삼중의 템퍼링이 필요하다. M46, M47등의 고합금 고속도강에서는 3번이상의 템퍼링 사이클을 사용하는 경우도 있지만 3번이 보통으로 오스테나이트의 완전한 변태와 고강도를 위하여 5번까지도 행한다. 다중 템퍼링을 채택함으로써 얻을 수 있는 경도의 향상폭은 최대로 70HRC에 달한다.
50. 급속템퍼링(Prompt Tempering)은 왜 하는가
강은 탄소와 합금원소들을 함유하고 있기 때문에 종류에 따라서는 퀜칭후 실온이하로 냉각되면 균열이 발생하는 경우가 있다. 특히 형태의 급격한 변화가 일어나는 부분이 이런 경향이 심하다. 따라서 이런 경우에는 퀜칭시 변태가 거의 완료되는 순간 즉, 아직 실온으로 냉각되지 않았을 때 즉시 템퍼링로에 장입해야 한다. 의견의 차이는 있지만 템퍼링로에 장입할 때의 온도는 대략 50℃ 내외가 좋다. 이때의 온도가 95℃ 이상이면 아직 변태가 완료되지 않았을 우려가 있다. 마르템퍼링(마르퀜칭)은 예외이다. 이와 같이 퀜칭시 실온이하로 냉각될 때 균열이 발생할 우려가 있는 강의 종류는 AISI 1060, 1070, 1080, 1095, 1340, 4150, 4340, 52100, 6150, 8650, 9850, 440 C 스테인레스강, 대부분의 고탄소 공구강과 고탄소 고합금강 등이다. 그 외의 강종은 이와 같은 지연 퀜칭균열(Delayed quench cracking)은 잘 일어나지 않으나, 형태나 결함 때문에 균열이 생기는 수가 있다. AISI 1040, 1050, 1137, 1144, 4047, 4132, 4640, 8632, 8740, 9840 등이 그 예이다. 그리고 AISI 1020, 1038, 1132, 4130, 5130, 8630 등 즉, 0.40% C 이하의 탄소강이나 0.35%C 이하의 합금강은 균열이 잘 발생하지 않는다.
51. 금속재료의 상태도란 무엇인가
금속의 기계적성질은 조직의 양상과 밀접한 관계가 있고 금속조직은 단일 또는 몇 종류의 물리적인 동질성을 가진 상으로 구성되어 있으며, 금속의 상은 결정구조가 온도, 압력 등의 외적 조건에 의해서 변화하는 변태를 하게 된다. 이와같이 온도에 따른 모든 조성의 액체와 고체의 상대적 양사이의 관계를 나타낸 그림을 말하며, 이러한 상태도는 합금의 일반적인 구조와 물리적, 화학적성질에 대한 정보를 준다.
52. 피로하중이란 무엇인가?
피로하중이란 연속적으로 반복되는 힘이 작용하는 것으로 강의 경우 파괴되는 재료의 피로하중이 인장하중의 절반이 되는 경우에도 파단이 발생할 수 있으며 노치가 있는 경우에는 이보다 훨씬 적은 값에서도 파괴가 일어난다. 피로하중에 의해 재료의 파괴가 발생하지않고 견딜 수 있는 응력을 피로한도라 하며, 경도는 인장강도에 비례하고 이에따라 피로한도에도 비례하게 된다.
53. 강의 기계적성질은 왜 다른가?
강의 주요원소는 철로 되어 있으며, 철은 온도에 따라 결정격자가 변화한다. 철을 가열하였다가 냉각시키면 격자내부에 다른 원자를 포함할 수 있는데 이를 고용체라하며 다른 원소를 포함할 수 있는 고용한도가 정해져 있으며 나머지 원소는 화합물을 이루게 되고 이 화합물의 특성에 따라 기계적성질이 변화한다. 탄소강의 경우 페라이트는 탄소를 약 0.02%포함 할 수 있고 여분의 탄소는 강한 화합물인 시멘타이트를 형성하며 냉각속도에 따라 페라이트와 탄화물과의 배열이 변경되어 기계적성질이 변화하게 된다.
54. 금속내부의 미소조직은 어떻게 볼 수 있나?
연마한 금속의 미소조직은 금속의 평평한 면이 빛을 반사하는 거울로 작용하기 떄문에 표면 아래에 있는 것을 볼 수 없으므로 육안이나 현미경으로 직접 관찰할 수 없다. 금속내부의 미소조직을 보기위해서는 금속표면이 평평해 질떄까지 연삭과 연마를 하고 이것을 산에 넣어 부식을 시킨다. 예로 결정립계가 결정립내보다 쉽게 부식되고 결정립 자체도 그 방위차에 의해 부식정도가 달라 어떤 상이나 부분이 우선 부식되어 미세한 굴곡이 생기게 하면 광학현미경의 명암차이에 의해서 경계면을 관찰할 수 있다.
55. 강을 왜 열처리 하는가?
보통 강을 제작시에는 강에 분포하는 탄소는 최적의 성질을 가진 미소조직이 갖는 탄소분포와는 다르다. 그러므로 바람직하지 못한 미소조직을 없애기 위해 주변의 탄소가 철에 용해될 수 있는 온도까지 가열하면 바람직하지 못한 성질을 가진 미세조직은 사라지며 이것을 냉각시간과 유지온도를 변화시키면 고용체에서 탄소가 석출하며 이러한 탄소의 분포를 원하는 성질을 갖도록 변화시킬 수 있다. 이러한 열처리를 하여 나올 수 있는 조직은 탄화물에 따라 스페로다이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트가 있으며 순서에따라 경도 및 인장강도가 증가하며 마르텐사이트는 스페로다이트의 4배가량이 된다.
56. 강에서 탄소의 영향은 어떤 것이 있는가
강에 탄소를 첨가하면 탄소량에 따라 연하고 부드러운 재료로부터 경하고 강한 재료까지 만들 수 있다. 탄소함유량은 경도, 강도 , 연성을 조절하며 탄소함량이 높을수록 강은 더욱 경해지며 따라서 소성변형에 대해 견디는 힘이 커진다. 반대로 탄소함량을 줄이면 점점 연한 강이 되어 단조나 인발과 같은 냉간가공에 의해 쉽게 변형된다. 인장강도는 탄소량이 0.9%까지는 직선적으로 증가하고 그 후에는 조금씩 떨어진다.
57. 스텐인레스강
철의 내식성을 높이기 위해서 12%이상의 Cr을 함유한 강으로 Cr은 내부금속을 부식으로 부터 보호하는 표면 산화피막을 형성하여 철의 표면을 부동태화하게 된다. Ni을 첨가하면 오스테나이트 조직이 상온까지 잔류하게 되어 연성과 성형성이 향상되며, Mo은 염소이온이 존재하는 곳에서 내식성을 증가시키며 Al을 첨가한 것은 고온에서 내산화성을 향상시킨다,
11-30%Cr을 함유하고 탄소함량이 0.12%이하를 포함하는 페라이트 스테인레스강, 12-17%Cr과 0.1-1%C를 함유하며 열처리에 의해 경화시킬 수 있는 마르텐사이트계 스테인레스강, Ni을 6-22% 함유하는 오스테나이트계 스테인레스강, 10-30% Cr을 함유하며 Ni, Mo등도 다양하게 함유하고, Cu, Al, Ti, Cb를 첨가하여 석출경화시키는 석출경화형 스테인레스강이 있다.
58. 공석강
단일상의 금속이 2종류의 다른 상을 가진 고체를 만드는 과정을 공석반응이라 하며 0.8%C를 포함한 오스테나이트철이 냉각시에 시멘타이트와 페라이트로 되는데 이 0.8%탄소를 공석강이라고 한다. 강의 탄소량이 0.8%이하인 것을 아공석강 , 이상인 것을 과공석강이라고 하며 1.2% 까지의 과공석강을 공업적으로 생산하게 된다. 강의 탄소함량이 1.2%이상이 되면 강은 대단히 취약하게 되므로 1.2%C 이상의 강을 만들지 않고 연성과 인성을 유지하면서 강도를 증가시키기 위해서는 다른 합금원소를 첨가한다.
59. 퍼얼라이트는 어떻게 생기는가
보통 탄소강을 720도 이상에서 서냉하게 되면 층상의 펄라이트가 생성되는데 결정립계는 결정립
내부보다 에너지적으로 핵생성이 일어나기 좋은 자리이므로 결정립계에서 생성된다. 펄라이트가 층상을 이루는 이유는 오스테나이트가 냉각되면서
시멘타이트를 형성하게 되면 주위의 탄소량이 적어지게 되므로 그 부근에는 0.02%까지의 탄소만을 고용할 수 있는 페라이트층을 형성하게되어 여분의
탄소가 그 주위에 다시 탄화물층을 이루게 되며 이러한 현상이 반복됨으로 인하여 페라이트와 탄화물 층이 교대로 생성하게 되어 펄라이트를 생성하게
된다. 균질한 오스테나이트에서는 펄라이트의 핵생정은 거의 예외없이 결정립계에서 일어나며 이에 따라 오스테나이트의 결정립이 미세할수록 미세한
펄라이트 조직으로 된다. 또한 강을 냉각시에 펄라이트가 생길수 있는 온도중 낮은 온도로 될수록 펄라이트의 층간격은 적어지게 된다.
60. 강은 어떻게 만드나
원재료로 강을 생산해서 제품으로 만들떄는
○ 용광로속에서 산화철로 코크스를 환원제로 사용하여 선철을 생산하고
○ 전기로 등의 로에서 강중의 여분의 탄소를 요구되는 함량으로 감소시키기 위아여 선철에다 고철을 혼합하여 강을 제조하며, 합금강은 용철에 필요성분을 첨가하여 제조한다
○ 용강이 요구하는 조성으로 되면 제강로에서 주조를 하며, 알루미늄 등의 합금원소는 탈산 제를 첨가하여 기상인 산소를 제거한다.
○ 대부분의 주괴는 높은 온도로 재가열하고 충분한 시간 유지하여 균일하게 가열되도록하며 요구하는 모양으로 열간압연 및 단조한다. 연속주조하는 강은 직접 반제품으로 주조할 수 있다.
○ 반제품은 다시 열간압연, 냉간압연, 단조, 압출 등의 가공을 하여 후판, 박판, 봉, 관, 형강 등의 완제품으로 만든다.
○ 강의 완제품을 요구하는 강도를 갖도록 열처리를 한다.
61. 스테인레스강의 입계부식
탄소 및 질소가 조금이라도 함유된 페라이트 스테인레스 강은 결정립계에 Cr의 탄화물 및 질화물이 석출하고 이 석출물로 인하여 결정립계에 인접된 부분에 Cr농도가 떨어져서 내식성에 피요한 Cr의 임계함량인 12%이하로 되어 입계부식을 일으킨다. 페라이트에서의 탄소 및 질소의 확산속도는 크기 때문에 고온에서 페라이트 스테인레스 강의 석출반응이 대단히 빠르므로 급속한 퀜칭에 의해서도 석출물이 생기는 것을 막을 수 없으므로 탄소 및 질소량을 저하시키거나 Ti, Nb의 탄화물을 형성시킴으로써 이를 방지할 수 있다.
62. 단결정이란 무엇인가
금속재료의 대부분은 다결정으로 되어 필요한 성질을 갖추게 된다. 그러나 주기율표의 Ⅵa족에 소하는 Cr, Mo, W 및 이들의 고융점 합금은 고온에 있어서 비강도가 우수하고 열팽창계수가 적으며 열전도도가 크기 때문에 내열재료 및 고온에 있어서의 고성능 재료로서 유망하나 다결정금속은 본질적으로 결정립계가 취약함으로 인하여 유효한 용도개발 및 실용화가 충분히 되어 있지 못하다. 이에따라 금속을 본래적인 액체상태에서 제작하는 다결정재료와는 다른 여러 가지 방법을 이용하여 단결정을 만들어 사용하고 있다.
63. 초내열 합금
초내열합금은 내열강의 사용가능범위 이상의 700-1100도 이상의 고온에서 사용하는 합금으로 Fe-Ni기, Co, Ni, Mo, Cr, W기 초내열합금이 있다. 이중 Ni기 합금에는 γ’상이라고 불리우는 고온강도가 높은 결정이 얻어지는데 γ’상은 변형저항이 온도상승과 함께 증가하여 700-800도정도에서 최고강도를 갖는다. 이런 이유로 초내열합금의 주류는 Ni기 합금으로 되어 있으며, 유황부식에는 보통 Co기 합금이 유리하여 가스터빈 1단 고정익에 이용되고 있다. Ni기 초내열합금은 γ량이 20-30%까지는 단조가 가능하지만 그량이 70-80%이상이 되는 강력한 합금이 필요할 경우에는 소성가공이 곤란하여 주조를 하여 사용한다.
64. Ceramic coating
원자력, 우주 등 첨단산업 재료에 필요한 내열, 내식, 내마모성을 얻기 위해서 Ceramic을 금속재료에 피복하여 사용하는 방법으로 화학적으로 증기상 반응을 이용하여 가열한 재료에 여러 가지 물질을 피복하여 공구의 내마모 피복에 사용하는 법, 진공이나 방전을 이용하여 물리적으로 피복하여 고속도 절삭공구, 금형이나 punch 등에 사용하며, 고주파나 micro wave에서 원료가스를 여기시켜 저온 Plasma반응에 의해 원료분말을 용융분사시켜 재료상에 피막을 형성하는 Plasma 증착법은 고온 가스터빈 블레이드 및 공구강 등이 널리 사용하고 있다.
65. 듀플렉스강
듀플렉스강은 어떤 단일상으로 조직되어 있는 금속재료를 두가지 상으로 만듦으로써 두가지 상에 존재하는 성질을 모두다 만족시킬 수 있도록 만든 강을 말한다.
예로 듀플렉스 스테인레스강은 페라이트 스테인레스강과 오스테나이트 스테인레스강의 중간에 속하는 별개의 스테인레스로서 응력부식에 대한 내성이 페라이트스테인레스보다는 못하지만 대단히 크며, 인성은 오스테니이트 스테인레스보다는 작지만 페라이트스테인레스강에 비하여 대단히 우수하게 된다. 이런 듀플렉스 스테인레스강을 얻기 위해서는 α,β상이 존재하는 온도 구간에서 급랭하여 다른상의 석출을 억제함으로써 얻을 수 있다.
66. 소결탄화물
소결탄화물은 Co가 탄화물 표면을 적시며 약간의 고체탄화물 입자를 고용하기 때문에 탄화물의 접합제로 사용하는 미세하게 분리된 W, Ti, Ta 등의 내화금 속의 탄화물 입자가 Co금속박막으로 서로 소결되도록 한 것이다. 경도와 내마멸성이 극히 높은 절삭공구에 사용한다. 먼저 미세한 WC분말을 Co분말과 함께 혼합하여 WC입자가 Co로 피복되게하고 혼합물을 Co의 융점보다 높은 온도에서 수소기류중에 소결한다.
67. Superalloy
초합금은 고온에서 높은 경도를 유지할 수 있는 고온내열합금이다. 이 합금은 또한 내식성과 내산화성이 좋으며 고온에서의 크리프 및 파열에 대한 내성이 특히 좋다. 일반적으로 초합금에는 Ni기, Ni-Fe기, Co기의 주된 3종이 있다. 초합금은 항공기용 및 가스터빈용 재료에 많이 사용되고 있으며, 우주선, 로케트엔진, 실험용 항공기, 원자로, 잠수함, 화력발전기 등에 주로 사용된다. Ni기 초합금은 가장 중요한 초합금으로 Inconel, Astroly, Nimonic등이 있으며 가장 많이 사용하며 주조용 및 단련용이 있다. Ni-Fe기 초합금에는 25-45%Ni과 15-60%의 Fe을 함유하며 가스터빈과 스팀터빈의 블레이드, 디스크 등에 널리 사용되며 Inconell, Piromet등이 있다. Co기 초합금은 내산화성이 그리 크진 않지만 Ni기 초합금보다 열간내식성이 좋기 때문에 공업용 터빈부품에 사용하며 X-40, MAR-M302등이 있다.
68. SLIP
물리적인 측면에서 결정격자간의 상대적인 거리나 구조는 변화하지 않고 결정격자가 모두 일정한 방향으로 밀려 이동하는 현상으로 결정구조마다 slip이 일어날 수 있는 결정면과 결정방향이 있으며 재료의 외형적인 변형은 결정구조의 변화를 수반하지 않기 때문에 전기화학적 부식법으로는 나타나지 않는다. slip층은 가공변형량이 적은 경우에는 특정한 입자에서만 직선으로 나타나고 가공변형량이 많아질수록 재료전반에 걸쳐 만곡되어 복잡하게 나타난다. 변형을 심하게 받은 경우에 변형층에서 원자의 재배열이 충분히 일어남으로써 전기화학적 부식에 의해 조직변화가 관찰될 수 있다.
69. TEM
관찰하고자 하는 시편의 파장보다 파장이 훨씬 작은 가속전자를 발생시켜 시편에 투과시키면 결정면이나 결함 등에 따라서 투과할 수 있는 전자빔의 강도가 달라진다. 이때 투과된 전자빔의 강도차에 의해서 형광스크린상에 명암이 발생하여 시편의 영상을 얻는 것으로 매우 높은 분해능과 함께 다양한 분석을 실시할 수 있다. 수nm의 미세결정과 미세 석출물의 회절상과 화학분석이 가능하며, 백만배 이상의 고 분해상을 얻을 수 있다.
70. 금속의 성질은 왜 다른가
금속은 수많은 원자들로 구성되어 있으며 원자는 양자, 중성자 ,핵으로 구성되어 있는데 전자가 공간의 대부분을 차지하고 있다. 원자에 속한 전자들은 제한되어 있는 원 궤도를 그리며 핵 주위를 돌고 있으며 각 궤도는 특별한 에너지 준위를 갖고 있다. 가장 안쪽의 궤도를 따라 돌고 있는 전자는 가장 낮은 에너지 준위를 갖게 되고 핵으로부터 멀리 떨어져 있는 궤도로 올라가려면 에저지가 가해져야 하며 한 원자가 바깥 궤도에서 안쪽궤도로 떨어지게 되면 그 전자는 그만큼의 에너지를 잃게 된다. 결정을 이룬 상태처럼 원자들이 서로 결합해 있을 경우에는 전자들은 그들이 속해있는 원자의 핵뿐만 아니라 인접해 있는 원자들의 핵에 의해서도 인력을 받게 된다. 이러한 상호 작용이 고체 물질의 강도와 단단함의 기본이 된다. 금속에 있어서 외곽에 느슨하게 잡혀 있는 전자들은 그들의 원자로부터 쉽게 떨어져 나갈수 있어 원자사이를 자유롭게 움질일 수 있다. 그래서 그 전자들은 더 이상 어떤 원자에 국한되지 않고 완전하게 공유되며 이렇게 공유된 전자들이 전기전도나 열전도와 같은 성질을 나타내게 한다.
<원자의
이론적 개념>
액체상태에서는 원자들이 자유롭게 움직이지만 온도가 저하함에 따라 어는점에 도달할 때까지 그 원자들은 에너지를 잃게 되고 이에따라 움직임이 점점 둔화된다. 응고점에 도달하게 되면 원자의 운동에너지는 원자들 사이의 인력보다 작아지게 되어 원자들은 규칙화된 결정상태로 된다. 액체가 응고되면 원자들은 여러곳에서 동시에 핵을 형성하게 되고 다른 원자들이 점차 이 핵에 붙음으로써 그 크기가 커지며 결정을 형성한다.
72. 순금속의 전기전도도가 합금보다 높은 이유
전기전도도는 금속의 물리적 성질로 전기를 전도할 수 있는 능력을 측정하는 값이다. 금속은 외곽전자들이 전계에서 자유롭게 움직이기 떄문에 전기를 전도할 수 있다. 이런 에너지 들은 파동의 형태로 전도되는데 이 파들은 장애물의 규칙적인 배열을 통해서만 지나갈 수 있으며 불규칙적인 배열에서는 지나가지 못한다. 이러한 이유로 순금속, 저온의 금속, 결정질 금속 등의 전기 전도도가 원자들이 불규칙한 배열을 하고 있는 합금이나 고온 금속의 경우보다 훨씬 크게 된다.
73. 원자분석의 원리
금속은 수많은 원자들로 구성되어 있으며 원자는 양자, 중성자 ,핵으로 구성되어 있는데 전자가 공간의 대부분을 차지하고 있다. 원자에 속한 전자들은 제한되어 있는 원 궤도를 그리며 핵 주위를 돌고 있으며 각 궤도는 특별한 에너지 준위를 갖고 있다. 가장 안쪽의 궤도를 따라 돌고 있는 전자는 가장 낮은 에너지 준위를 갖게 되고 핵으로부터 멀리 떨어져 있는 궤도로 올라가려면 에너지가 가해져야 하며 한 원자가 바깥 궤도에서 안쪽궤도로 떨어지게 되면 그 전자는 그만큼의 에너지를 잃게 된다. 주사전자현미경에서 나온 전자빔이 전자와 충돌하면 전자는 높은 에너지를 받아 갖고있던 에너지를 방출하고 궤도를 이탈한다. 또한 그 빈 공간은 에너지가 높은 외곽 전자가 궤도의 차이에 따른 에너지를 방출하면서 그 부분을 채우게 된다. 이때 발산하는 에너지는 일정량이 되며 이러한 에너지의 량에 따라 금속의 종류를 파악할 수 있으며 이러한 방법을 이용한 분석법을 EDS라하여 널리 사용하고 있다.
74. 표면복제법
전자를 투과시키지 않는 시편의 표면구조나 재료를 손상시키지 않고 표면조직을 관찰할 수 있는 방법이 표면복제법이다. 이것은 얇은 필름으로 시편의 표면을 복사하여 이 필름을 관찰함으로써 간접적으로 시편의 표면구조를 관찰할 수 있는 방법으로 금속이나 합금의 석출물도 복제에 의하여 관찰할 수 있으며 복제하는 물질이나 방법에 따라 플라스틱 레프리카법, 탄소레프리카법, 산화물레프리카범 추출레플리카법 등이 있다. 가장 많이 사용하는 플라스틱 레프리카법은 시편의 표면을 연마, 부식시킨 다음 플라스틱 용액으로 적신다음 용액이 건조된 후에 셀룰로즈 테이프로 플라스틱 필름을 벗겨낸다. 이렇게 제작된 플라스틱 레플리카는 시편표면의 음화가 되며 이 필름은 전자를 쉽게 투과시키므로 표면구조를 알 수 있다.
75. 주철의 종류
미세조직에서의 탄소의 분포상태에 따라 백주철, 회주철, 가단주철, ductile 주철 등 4종의 기본형으로 분류한다. 백주철은 C가 1.8-3.6% 범위내에 있고 응고속도가 빨라서 용융중의 탄소가 철과결합하여 단단하고 취약한 화합물인 시멘타이트로 남게되어 결정파면이 백색인 주철이다.
회주철은 C가 2.5-4.0%, Si가 1.0-3.0%로 철중의 탄소가 흑연화되어 편상으로 분리된 주철로 철합금 중에서 가장 유동성이 좋아 복잡하고 엷은 단면도 만들 수 있고 고경도이면서 절삭성도 우수하며 파면은 회색을 띠고 있다. 가단주철은 대부분의 탄소가 불규칙한 nodular같은 모양의 흑연으로 존재하며 우선 백주철로 주조하고 어닐링중에 백주철이 시멘타이트로부터 흑연이 핵생성하고 혹모양으로 성장하는 가단화처리를 한 주철을 말하며 어닐링처리를 하므로 넓은 범위의 기계적성질을 얻을 수 있다.
덕타일주철은 주조전의 용탕에 미소량의 Mg을 첨가하여 구상의 유리탄소를 갖는 조직으로 적당한 연성 및 항복강도가 높아 단면이 엷은 대단히 큰 광범위한 칫수의 주물을 주조할 수 있다.
76. 파면을 통하여 손상원인을 어떻게 알 수 있는가
손상의 유형을 1차적으로 판정할 수 있는 방법으로 손상부품의 파단면관찰이 우선적인 방법이 되는데 금속은 조직학적인 특성이나 작용하는 하중 및 사용조건 등에 따라서 그 특징적인 파단형상을 보유하게 되며 이에따라 파단면의 미세조직 및 거시적인 파면형상을 보고 작용하중의 종류, 균열의 시작과 전파 및 최종파괴과정을 구분할 수 있다. 연성파괴는 균열의 전파전 혹은 전파중에 상당한 소성변형이 일어나며 파단면상에 소성변형에 해당하는 미세한 공공형태의 딤플형상이 나타나는 것이 일반적이며, 취성파괴는 이온결정의 벽개형태와 비슷하며 다축응력 저온, 높은변형속도에서 취성파괴의 가능성이 증가하고 부식과 고온크리프 손상파단형태가 여기에 속한다. 파괴는 소성변형의 유무에 따라 크게 연성파괴와 취성파괴로 분류되며 각각의 경우 입계 혹은 입내 전파양상으로 구분된다.
77. 취성파면
사용부품의 취성파괴는 소재에 내재된 특성에 기인하는 것과 사용할 때 하중이나 분위기 조건과 같은 외적 요인에 의하여 발생한다. 이러한 파손은 설계구조상의 노치부분이나 용접시의 열 및 잔존응력 부분에서 사용할 때 하중변화나 운전시작시의 열충격 등에 의해 갑자기 발생되는 손상형태이므로 위험요소가 크고 큰 손실이 예상되는 손상형태이다. 소재자체에 내재하는 취성파괴 유발요인으로는 결정립의 크기, 석출강화 요인 및 결정학적인 취화요인, 소재를 강화시키기 위한 마르텐사이트 조직과 같은 것으로 결정립 크기가 큰 경우 파단면상에는 취성파괴의 전형적인 형상으로 벽개파괴 형태인 river pattern을 보인다.
78. 연성파괴의 특징
일반적으로 잘 알려진 연성파괴는 인장시험에서 관찰되는 컵-원뿔 파괴로 이것은 시험편이 인장강도에 도달한 후 소성변형이 시험편의 작은영역에 집중되어 변형이 불균일해지며 네킹과 파손에 이르게 된다. 소성변형은 입자는 기지만큼 쉽게 변형할 수 없기 떄문에 입자주위에 심한 소성변형이 발생하면 기지와의 정합을 잃게 되어 작은 공동이 생기고 이것이 슬립에 의해 성장하며 이와같은 미소공동의 발생, 성장 합체에 의해 연성파괴가 일어나기 떄문에 연성의 파단면은 딤플이라는 독특한 형태의 요철이 만들어 진다. 이러한 소성변형 형태는 소재에 내재하는 산화물, 탄화물, 질화물 등과 같은 1μm이하 크기의 개재물에 의해 유발된다.
79. 연성재료가 저온에서 취성파괴를 나타내는 이유
일반적으로 체심입방정의 결정구조를 갖는 보통탄소강과 같은 합금은 저온에서 취성을 나타내는데 이는 슬립계가 충분하여 온도에 관계없이 소성이 충분한 면심입방정 결정구조의 Ni, Al, Cu 및 오스테나이트계 강종이 저온에서 취성이 나타나지 않는 반면에 슬립계가 불충한 체심입방정 구조에서는 고온에서 전위활성화와 이에따른 연성이 존재하나 저온에서는 이러한 소성변형이 억제되어 취성이 발생하기 때문이다. 즉, 체심입방정의 저탄소강은 온도가 낮아짐에 따라 급격히 연,인성이 감소하여 어는온도 이하에서는 취성파괴를 나타낸다.
80. 인장시험은 왜하는가
인장시험은 시험편의 양단에 충격없이 정적인 하중을 시편이 파단될때까지 서서히 가해서 재료의 항복점, 인장강도, 연신율, 단면수축율 및 하중과 연신율 선도 등 기계적 성질을 평가하고 이로부터 비례한도, 탄성한도, 탄성계수 등을 유추하여 재료의 성질을 알 수 있어서 기계설계의 기초자료 및 제품의 품질관리 기준으로 활용할 수 있다. 또한 인장에 대한 변형거동을 파악함으로써 다른 응력 상태의 변형거동을 어느정도 추정할 수 있으며 재료의 생산 및 가공공정 등의 검토와 신재료에 대한 물성을 파악할 수 있는 기본 시험이다.
81. 재료의 탄성계수란 무엇인가
탄성계수 E는 공칭응력과 변형율곡선의 탄성영역에서의 기울기에 해당하며, 재료의 강성도의 척도이다. 탄성계수는 빔이나 다른 구조물의 휨정도를 계산하는데 필요하기 떄문에 설계시 매우 중요하며 값이 크면 클수록 주어진 응력에 의한 탄성변형율이 더욱 작아진다. 탄성계수는 원자사이의 결합력에 의해 결정되므로 기계적성질 중 가장 조직과 무관한 성질중의 하나이다. 또한 합금원소의 첨가나 열처리 혹은 냉간가공 등에 의해 단지 미세한 영향을 받을뿐이나 온도가 증가함에 따라 감소한다.
82. 충격시험
충격시험은 재료가 급작스런 하중을 받았을 때 재료내부에서 흡수되는 에너지를 말하는 것으로 시험기의 최초 위치에너지와 최종 위치에너지를 구하여 계산한다. 충격시험에는 일회의 충격력으로 시편을 파괴하는 단일충격시험과 일정한 중량의 하중으로 시편에 반복타격을 가하여 파괴까지의 타격수로 재료의 취성 및 인성을 시험하는 반복충격시험이 있다. 또한 충격력의 작용에 의하여 충격인장시험, 충격압축시험, 충격굽힘시험있다. 보통 가장 많이 사용하는 샤르피 충격시험기는 노치를 가진 수평방향의 시험편을 일정한 높이에서 해머로 타격해서 파단시키고 그때의 흡수에너지를 구하는 시험기이며 아이조드 충격시험기는 시편을 캔티레버상태에서 시험을 하며 원리는 샤르피 충격시험기와 유사하다.
83. 템퍼링 취성이란 무엇인가
Cr, Mn 등의 탄화물을 형성하는 원소가 함유되어 있는 특수강에서는 담금질한 후에 템퍼링 온도에서 천천히 냉각하였을 때 같은 조직을 가진 재료를 급랭한 것에 비해서 충격치가 적게된다. 이 현상을 템퍼링 취성이라 한다. Ni-Cr강에서는 인장시험 결과 기계적성질에는 큰 차이가 없으나 충격에너지는 급랭한 것이 6.5배 정도 높다. 템퍼링 취성의 원인으로는 템퍼링 온도에서부터 서냉으로 인하여 주로 탄화물이 알파철의 결정경계에 석출하여 이것이 노치효과를 주게되어 충격치가 작아지는 원인이 된다.
템퍼링 취성이 있는 특수강에서 Mo를 0.3%첨가하면 템퍼링 온도에서 서냉하여도 충격치가 저하되지 않는다.
84. 마모의 종류
공학적으로 마모라 함은 재료표면간의 상대적인 운동의 결과 재료의 표면으로 부터의 물질의 이동이나 점진적인 손실을 말하며 응착마모, 연삭마모, 피로마모, 부식마모로 분류할 수 있다. 응착마모는 표면의 미세돌기들이 고압을 받아 변형하고 청정표면이 나타나 확산, 압접이 일어나 응착하고 다음순간 당겨짐에 의하여 표면입자가 이탈하는 현상을 말하며, 상대적으로 경한 입자나 미세돌기와의 접촉에 의해 표면으로 부터 마모입자가 이탈하는 연삭마모, 베어링등에서 처럼 상대운동을 하는 표면에 반복하중이 가해지면 마찰 표면층에서 피로파괴가 일어나 그 결과 마모입자가 발생되는 피로마모, 가스나 액체 등의 부식성분위기에서 두 물체가 상대운동을 할 때 표면에서 전기, 화학적 반응이 일어나 부식생성물들이 생기게 되어 표면에 흠이 발생하고 계속적인 상대운동에 의해 쉽게 제거되는 부식마모로 분류한다.
85. 온도가 마모에 미치는 영향
윤활조건에서 온도가 상승하게 되면 유막의 파괴에 따른 접촉면의 소착현상이 발생하기 때문에 마모량이 급격히 증가되며, 또한 무윤활조건에서 온도에 따른 마모의 영향은 마찰속도의 영향과 비슷하며 어떤 온도에서 극대값을 나타낸다. 재료는 저온에서는 산화마모가 중간의 온도에서는 연삭마모 혹은 응착마모가 그리고 고온에서는 산화마모상태가 된다. 또한 마찰속도를 크게해도 마찰면의 접촉온도가 상승하므로 주위온도를 높이는 효과가 발생하며 마찰면의 접촉온도가 매우높아지면 용융마모상태가 되어 급속히 마모량이 증가해서 소착을 일으킨다.
86. 금속의 조직관찰을 위한 시편의 준비 순서
시편의 준비는 금속의 조직을 관찰하고자 하는 목적에 따라 여러방법이 적용될 수 있으며 그 조사목적의 다양성과 마찬가지로 준비방법도 다양하다. 일반적인 시편의 준비방법은 시편채취-마운틴-연마-폴리싱-세척-부식순서에 따라 한다. 시편의 채취시에는 채취를 위한 작업으로 인하여 재료가 영향을 받지 않는 것이 중요하며 시료를 다루기에 편리한 크기와 단순한 모양으로 만들기 위해서 시편을 적당한 재료에 넣어서 손으로 조작하기 쉽도록 형상을 만드는 마운팅작업을 한다. 이후의 연마, 폴리싱 등에서도 재료가 열로 인한 영향을 받지 않도록 표면을 매끈하게 만들고 선택적인 금 속의 상을 관찰하기 위한 부식을 시킨다.
87. 금속의 조직을 관찰할 수 있는 이유
금속시편의 균열, 기포, 또는 비금속개재물 등은 연마만 끝내면 잘 관찰 된다. 그러나 대부분의 경우 연마상태에서는 미세조직은 잘 관찰되지 않고 따라서 조직이 잘 보이게 시편을 처리해야 하는데 이러한 작업을 부식처리라 한다. 이 부식처리에는 화학적 처리뿐만 아니라 조직이 보이게 하는 각종의 처리를 모두 포함시켜 말하는 것으로 전기화학적 방법 및 물리적 방법이 있다.
모든금속은 액체에 용해될 때 전자를 잃고 양이온으로 되려는 경향이 있다. 이와같은 이온화 경향은 금속마다 모두 다르며 금속의 종류 및 합금상태에 따라 달라짐으로 인하여 이러한 전기화학적 전위가 다른 미세조직상의 원소들이 서로다른 부식속도로 침식이 됨으로써 미세조직이 서로 다른 조도를 갖게 되어 관찰할 수 있게 된다.
물리적 부식방법은 이온부식, 열부식, 증착층에 의한 부식등이 있다.
88. 금속현미경을 이용하여 금속조직을 관찰하는 이유
광학적 방법이란 조명방법을 변화시켜 금속의 미세조직이 나타나게 하는 방법으로 편광을 시편의 표면에 쪼여주면 결정립의 방위나 결정구조의 차이에 따라 조직의 명암이 구별되어 보이는 현상을 이용한 편광조명법, 빛을 경사지게 쪼여서 명암의 대조를 증가시키는 경사조명법, 광원에서 빛의 진로를 제한하면 빛의 진행거리가 변하여 시편표면의 높낮이 차이에 따른 간섭현상이 발생하는 것을 이용하여 명암의 대조를 증가시켜 조직을 검사하는 간섭편광관찰 등이 있다. 또한 관찰하고자 하는 부위가 오목하게 들어갔거나 난반사를 일으키는 부위윌 경우 명암을 도치시켜 오목하거나 난반사를 일으키는 어두운 부분을 밝혀주는 명암도치법 등이 있다.