기계재료학 (여섯번째시간)

2. 금속의 응고와 결정

2) 금속의 결정

 (1) 결정 입자와 결정 입계

 보통 금속의 결정은 수정과 같이 일정한 기하학적 평면으로 둘러싸여져 있는데, 이것은 원자 또는 분자의 규칙적인 배열이 자연적으로 고유한 형태를 만들면서 발달하기 때문이다. 금속 또는 합금의 응고는 전체 융체에서 동시에 발생하는 것이 아니라 결정핵을 중심으로 여기에 원자들이 차례로 결합하면서 이루어진다. 이때, 같은 결정핵으로부터 성장된 고체 부분은 어떠한 곳에서도 같은 원자 배열을 가지게 되는데 이를 결정 또는 입자라 한다. 만약 금속의 응고 중 결정핵이 하나밖에 존재하지 않는 금속은 1개의 결정만으로 이루어지게 되며, 이를 단결정이라 하며 금속의 물성연구와 반도체에 쓰이는 실리콘 등이 이것에 속한다.

 그러나 대부분의 금속은 무수히 많은 크고 작은 결정들이 모여 아래 그림과 같이 무질서한 집합체를 이루고 있으며, 이와 같은 결정의 집합체를 다결정체라 한다. 이와 같이 결정체를 이루고 있는 각 결정입자의 경계를 결정입계 또는 입계라 한다.

 (2) 결정 격자

 금속의 결정 입자를 X선으로 관찰하면 결정 입자의 원자들은 각각 그 금속 특유의 결정을 가지고 있으며, 그 배열이 입체적이고 규칙적으로 되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 원자들의 중심점을 연결하여 보면 아래 그림과 같이 입체적인 격자가 되는데, 이 격자를 공간 격자 또는

결정 격자라 한다.

 일반적으로 금속의 각 우점을 격자점 이라 하며 아래 그림(b)와 같이 필요한 최소 단위 공간을 단위포 또는 단위 격자라 하고, 단위포의 형상을 이루는 원자의 중심거리를 격자정수라 한다. 격자정수는 결정계가 동일한 경우에도 금속에 따라 다르며, 금속마다 특유의 격자정수의 값을 갖고 있다. 또 온도가 변하면 격자정수가 변하게 되는데, 이 변화는 가역적이다. 격자정수가 주어지면 금속의 밀도와 최근접 원자간 거리와 원자의 크기를 계산할 수 있다. 원자의 크기는 합금의 용이성과 관계가 있다.

 단위격자의 크기와 모양은 단위포의 3개 모서리 길이 a,b,c [길이의 단위 : Å=10에−8승㎝] 및 두 변 간의 축각 α,β,γ로 표시할 수 있다. 공간 격자에서 원자의 배열 상태는 각 금속의 결정에 따라 서로 다르며, 그 배열 방법이 금속의 성질에 큰 영향을 끼친다.

 금속을 구성하고 있는 결정 격자에는 여러가지 종류가 있으나, 보통 공업용 금속의 단위격자는 아래 그림과 같이 3개의 기본형 중 어느 하나에 속한다.

 금속의 결정 구조를 나타낼 때에는 아래 그림과 같이 원자를 구로 나타내는 것이 번거로우므로, 구의 중심을 연결점으로 하는 배열로 도식화 하여 나타낸다. 보통 공업용 금속의결정 구조 중에서 가장 일반적으로 볼 수 있는 단위격자에는 체심입방격자, 면심입방격자, 조밀육방격자의 3개의 기본형이 있다.

 아래 표는 금속의 결정구조를 나타낸 것으로, 체심입방격자(bcc), 면심입방격자(fcc), 그리고 조밀육방격자(hcp)가 압도적으로 많은 것을 알 수 있다.

 ① 체심입방격자

 체심입방격자는 그림(a)와 같이 입방체의 각 모서리에 한개씩의 원자와, 입방체의 중심에 한개의 원자가 존재하는 매우 간단한 단위격자를 가지는 결정구조이다. 단위 격자는 결정을 구성할 때 기본이 되는 격자이며, 격자 구조를 이루고 있다. 체심입방격자에 속하는 금속에는 W, V, Cr, Mo 등과 상온에서의 철(α철 및 δ철) 등이 있다.

 ② 면심입방격자

 면심입방격자는 그림(b)와 같이 단위 격자를 가지는 결정구조로 입방체의 모서리와 6개의 면의 중심에 각각 한개씩의 원자가 있고, 이것들이 정연하게 쌓이고 겹쳐져서 결정을 만든다. 면심입방격자 구조를 가지는 금속은 전성과 연성이 풍부한 Au, Ag, Al, Cu, γ철 등이 이에 속한다.

 ③ 조밀육방격자

 조밀육방격자는 그림(c)와 같은 단위 격자를 가지는 결정구조로, 정육각 기둥의 꼭지점과 상하면의 중심 그리고 정육각 기둥을 형성하고 있는 6개의 정삼각 기둥 중 한개 거른 삼각 기둥의 중심에 한개씩의 원자가 있는 격자로 육각 기둥 모양을 하고 있는 결정구조로, Mg, Zn, Cd, Zr 등이 이에 속하는 금속이며, 연성이 부족하다.

 (4) 금속결정 내의 격자결함

 ① 점결함

 금속결정은 원자가 규칙적으로 배열하고 있는 것으로 생각하고 있으나 실제에 있어서는 어느정도 규칙성을 잃고 있는 곳도 있어 경우에 따라서는 그림과 같은 격자결함을 갖고 있다. 점결함에는 공격자점과 격자간 원자가 있다.

 공격자점은 그림(a)와 같이 규칙적인 격자점의 위치의 원자가 빠진 경우이다. 격자간 원자는 그림(b)와 같이 규칙적인 격자점 사이에 여분의 원자가 있는 경우이다. 이들의 결함은 금속고체 내의 변화에 중요한 영향을 미치는 것으로 실제 존재하는 결함으로는 공격자점으로 알려지고 있다.

 ② 선결함

 선결함은 전위에 속한 것으로 금속결정의 소성변형이나 강도와 밀접한 관계가 있다. 금속결정에서는 상기 그림(c)와 같이 대부분의 원자는 규칙적으로 배열되어 있으나 몇 곳의 원자가 배열에서 벗어난 상태, 즉 격자가 1열 옮겨간 상태로 이를 전위라 한다.

 결정은 이와 같이 원자 1개 크기 정도의 결함 외에 좀 더 큰 범위의 결함도 품고 있다. 즉 원자 크기의 1000 ~ 10000배 정도의 크기를 단위로 하여 아래 그림과 같이 결정 방향이 변한다. 이것을 mosaic block이라 부르고 있다. 이상과 같이 실제의 결정에는 원자배열의 규칙성에 불완전한 부분을 품고 있다.

 물질의 성질에는 이와 같은 결정구조의 불완전성에 의하여 영향을 받는 구조민감성과 결정구조의 불완전성에 의하여 영향을 받지 않는 구조 불민감성이 있다.

 구조민감성의 예는 금속의 강도와 결정의 미세구조를 고려하지 않고 설명할 수는 없다. 구조불민감성의 예는 비열, 전기저항, 자기적 성질 등이다. 구조민감성은 개개 시편의 과거 이력에 의해서도 변하나 구조불민감성은 항상 물질고유의 값을 나타낸다.