기계재료학 (네번째시간)

1.2 금속재료의 기초이론

1. 물질의 구조와 특성

 모든 물질은 분자 또는 원자를 기초립자로 구성된 집합체이다. 이와 같이 원자의 조합에 의해 구성되는 물질의 성질을 이해하기 위해서는 원자의 결합력의 근원이 되는 전자의 구조를 알아야 한다.

 재료는 원자 구조, 즉 전자 및 중성자의 배열에 의해서 결정되는 내부 구조를 가지고 있다. 내부 구조라 하면 인접 원자끼리 결합하여 각기 다른 상(phase)을 이루어 주는 원자 결합 상태도 포함하게 된다. 언제나 그렇지는 않으나, 보통 이 원자 결합은 규칙적으로 되어 결정을 이룬다.

 재료의 내부 구조는 변경시킬 수도 있으며 구조의 변화에 의해서 재료의 성질이 변하게 된다. 따라서, 어떤 특정한 성질의 재료가 필요하게 되면 그에 알맞은 내부 구조를 얻어야 한다. 결정 고체는 원자가 규칙 바르게 배열을 한 격자를 짜고 있으므로, 물질(금속)의 성질을 규명하려면 그 구성물질인 원자의 성질을 알아야 한다.

1) 전자의 배분

 금속은 많은 원자의 집합체이다. 따라서 금속의 성질을 논하기 위해서는 집합체를 구성하고 있는 원자의 배열과 집합방식 등 결정구조에 대해 이해할 필요가 있다.

 원자의 구조는 정(正)의 전기를 갖는 원자핵과 그 주위를 원자번호와 같은 수의 부(負)의 전기를 갖는 전자로 구성되며, 원자 전체로는 전기적으로 중성상태(中性狀態)이다. 원자핵은 원자번호와 같은 수의 양자와 거의 같은 크기와 질량을 갖고 있으며, 전기적으로 중성의 중성자로 구성되어 있다. 그리고, 핵 외 전자의 배치는 덴마크의 물리학자 보어의 원자 모형에 따르면, 원자는 각기 다른 에너지를 갖고 있는데, 원자핵으로부터 다른 거리상에 있으며, 원자핵을 중심으로 몇 개의 동심원을 가정하고, 이 동심원이 각 전자가 운동하는 궤도가 된다. 이것을 전자셀 또는 전자각이라 하고, 원자의 가장 내측의 전자각에서부터 외측의 순으로 K각(shell), L각, M각, N각, O각, P각, Q각 등으로 부른다.

 여기서 전자각이 허용되는 전자수로 만족된 상태를 폐각이라 하며, 최외각이 폐각이 된 최외각전자수는 안전하다. 예를 들면 헬륨(He)은 K각에 2개의 전자가 들어가고, 탄소(C)는 L각에 4개의 전자가 들어간다. 또한 원자번호가 커짐에 따라 전자는 외측의 M, N각으로 이동한다.

2)  원자의 결합

 재료의 원자 사이에는 인력이 작용하며, 이것이 원자를 결합하고 있다. 만일 인력이 없다면 각 원자는 독립적으로 행동하게 될 것이며, 또 재료가 외부에서 오는 힘에 대하여 저항하지도 않고 받아들이지도 않을 것이다.

 금속과 같이 고체인 물질의 성질을 논할 때에는, 우선 원자의 집합체로 생각하여야 한다. 원자의 집합체의 본질적인 성질은 원자 상호간의 결합과 집합의 방식에 따라 좌우된다. 대부분의 물질은 고체상태에서 원자가 3차원적으로 규칙 정연하게 배열된 결정 구조 상태이나 결정을 구성하기 위해서는 원자는 서로 강한 힘으로 결합되어 있어야 한다.

 원자와 원자의 결합은 보통 원자간의 힘의 크기에 따라 그 결합양식이 다르다. 예를 들면, 큰 원자력에 의한 강한 결합에는 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합이 있으며, 약한 결합에는 반데르 왈스 결합이 있다.

 (1) 이온 결합

 이온 결합은 전자를 방출하여 양이온이 된 원자와 전자를 최외각으로 배열하여 음이온으로 된 원자와 전기적 인력으로 결합한 형식이다. 

이온 결합에 있어서는 전자가 한 형의 원자에서 다른 형의 원자로 이동하며, 결합은 양과 음의 이온으로 구성된다.

 이온 결합은 본질적으로 서로 반대로 대전된 이온 사이의 정전기적 인력 작용으로 이루어지는 결합이다. 이온 결정 중에서 이해하기 쉬운 것으로는 원자가 서로 전자를 주고 받아 정과 부의 이온이 되었을 때 양 이온간에 작용하는 정전기적인 힘에 의한 이온 결합으로 금속과 비금속간에서 많이 볼 수 있다.

 이온 결합의 보기로서 NaCl의 Na(1원자가 전자)가 Cl(7원자가 전자)와 반응하게 되면, Na는 그 전자의 Cl의 최외각에 있게 되므로 안전하다.

따라서 Na­+ 와 Cl- 로 되어, 이들이 정부의 전하를 갖게 됨으로써 상호 인장력이 작용하게 되며, 이에 따라 원자간의 상대적 위치의 이동이 일어나기 힘들게 되어 외력에 의한 변형이 어렵고, 파괴될 때 결에 따라 쪼개지는 현상이 일어나게 된다.

 (2) 공유 결합

 이온 결합이 큰 양전기를 띤 원자와 큰 음전기를 원자(주기율표에서 서로 반대쪽에 있는 원소들) 사이에 일어나는 결합이라면, 공유 결합은 (주기율표에서 서로 가까이에 있는 원소의 원자들) 사이에서 일어나는 결합으로 등극결합 이라고도 한다.

 공유 결합은 몇 개의 원자가 전자를 공유함으로써 얻어지는 결합이다. 

 (3) 금속 결합

 금속 결합은 고체금속에 특유한 형식의 원자결합으로 규칙적으로 배열한 결정을 형성하고 있다. 금속 결합은 이온 결합과 공유 결합의 중간에 속한다고 생각할 수도 있으나, 금속은 모든 금속결정이 갖는 특유의 결합방식을 갖고 있으므로 이것을 따로 분류하는 것이 좋다. 금속 원자, 즉 가전자를 허술하게 지니고 있는 이 원자는 아주 안정한 구조를 이루도록 결합할 수 있다. 금속 전기 전도도가 좋으며, 금속 광택과 불투명하다는 광학적 성질을 가지게 된다.

 금속 결합은 가전자를 인접 원자와 공유한다는 점에서 공유 결합에 비유할 수 있다. 또, 결합이 음전하인 전자와 양이온으로 이루어진다고 생각하면 금속 결합은 이온 결합에도 비유할 수 있다. 따라서 금속에 따라 어느 쪽으로 비유하는 것이 좋은지가 결정된다. 금속 안에서는 전자가 한정된 원자에 의해 공유되어 그 범위에 고정되는 것이 아니라 전체의 원자군을 공유하고 그 속에서 전자가 자유롭게 이동하게 된다. 

이와 같은 전자를 자유 전자 또는 전자 구름이라 한다.

 전자 구름을 구성하는 전자는 전자 구름의 내부에서는 자유롭게 이동할 수 있으나, 금속 원자는 전자 구름의 공유에 의한 결합력 속에서 규칙적으로 배열, 결정을 형성하고 있다.

 (4) 반데르 왈스 결합 (분자 결합)

 이온 결합, 공유 결합 및 금속 결합 외의 고체물질의 주요한 결합 형식에는 가전자가 없는 분자의 결합형식이 있는데 이를 반데르 왈스 결합 또는 분자 결합 이라 한다. 이것도 정전기적 힘의 작동에 의한 결합이다. 예를 들면 전기적으로 중성이 따로 있는 원자나 분자가 같은 상의 입자에 접근하게 되면 이를 내부에서 정부의 전하의 중심 위치가 분리된다. 이와 같은 현상을 분극이라 하며, 분극을 일으키는 입자는 쌍극을 형성하고, 상호간에 약한 인력으로 결합하게 된다.

 기체는 작으나 점성이 있고 압축시키면 액화하며 더 진전되면 응결된다. 이것은 기체 분자 사이에 약간의 인력이 작용함을 나타내는데, 이와 같은 분자간의 결합력을 반데르 왈스력 이라 부른다.

3) 고체 물질의 특성

 고체 물질이 갖고 있는 여러가지 성질은 기계의 구성 요소로 이용되는데, 이중에서 외력을 가했을때의 성질인 강도가 가장 중요한 성질이다.

고체를 변형할 수 있는 외력이 작용하게 되면 이에 대한 저항이 나타난다. 고체의 경도는 이와 같은 성질로 물리학에서 강성으로 다루는 성질이다. 고체 물질의 경도 또는 강성에는 물질의 종류와 상태에 따라 크게 다르다. 가장 단단한 물질에는 다이아몬드가 있으며 무한의 강성을 갖고 있는 경한 물질이다.

 그러나 같은 탄소의 결합체인 흑연은 가장 연한 고체이다. 이것은 활석과 석고의 중간 정도의 경도를 갖는다. 다이아몬드와 흑연의 심한 경도차는, 다이아몬드에 있어서 탄소의 결합은 입체적인 공유 결합인데 비해 흑연은 평면적 또는 쇄상의 공유 결합을 하고 있어 층간의 결합이 약한 반데르 왈스 결합에 의한 것이다. 또, 알루미늄은 연한 금속이면서도 산소와 결합한 알루미나는 매우 단단한 물질이다. 또한 보통 백색의 분말인 것이 완전 결정이 된 알루미나는 극히 경한 보석과 동질이 된다. 이와 같이 물질의 경도와 강성은 입자의 결합형식과 결합력의 크고 작음에 따라 달라진다.

 고체의 물질에 외력이 가해져 생긴 변형의 일부가 외력을 제거한 다음에도 남게 되면 그 남은 변형을 소성변형이라 하며, 소성변형이 일어나는 고체의 성질을 소성이라 한다.

 금속과 플라스틱 등이 갖고 있는 특성인 소성이 성형가공에 이용된다. 일반적으로 외력이 작용하고 있는 상태의 전 변형은 탄성 변형과 소성 변형의 화로, 외력을 제거하면 탄성 변형의 부분은 원상으로 회복된다.