기계재료학 (일곱번째시간)

2. 금속의 응고와 결정

3) 금속의 변태와 측정

 대부분의 금속 원소는 온도가 높아짐에 따라 고체에서 액체나 기체로 변화하는 것을 볼 수 있다. 그러나 같은 성분의 금속이라도 고체 상태에서 결정구조가 변화되어 하나 이상의 결정구조를 가지게 되는 경우가 있는데, Fe, Co, Ti 등이 이에 속한다. 이러한 결정구조는 온도 또는 압력의 변화에 의하여 달라지게 된다.

 이와 같이 같은 물질이 한 결정구조에서 다른 결정구조로 그 상이 변하는 것을 변태라 하며, 변태가 일어나는 온도를 변태점이라 한다.

변태점의 측정법에는 열분석법, 전기저항법, 열팽창법, 자기 분석법 등이 있다.

 (1) 변태와 온도의 관계

 ① 동소 변태와 자기 변태

  (a) 동소변태

   : 탄소는 화합 탄소와 흑연의 두 상태로 존재한다. 이와 같이 서로 다른 상태로 존재하는 동일 원소의 두 고체를 동소체라 하는데, 고체에

    있어서 원자 배열의 변화에 따라 나타는 현상을 동소변태 또는 격자변태라 한다. 예를 들면 순철(Fe)에는 α, γ, δ 라는 동소체가 있어서

    그림(a)와 같이 상온에서 α철인 체심입방격자가 910˚C 로 가열되어 1390˚C 까지 사이에서는 면심입방격자인 γ철로 변하게 된다.

     그리고 1390˚C 에서 융해온도까지는 다시 체심입방격자인 δ철로 되돌아가는 동소변태를 하게된다.

  (b) 자기변태

   : Fe, Co, Ni 등과 같은 강자성체인 금속을 가열하면 일정한 온도 이상에서 금속의 결정구조는 변하지 않으나 자성을 잃고 상자성체로 자성

    이 변하는데, 이와 같은 변태를 자기변태라 한다. 따라서, 자기변태는 상의 변화가 아닌 단순한 에너지적인 변화이다. 순철은 그림(b)와 같

    이 768˚C 에서 자기변태를 한다.

 ② 변태에 있어서의 성질과 온도의 관계

 동소변태와 자기변태는 금속 내부에서 생기는 변태이므로, 변태점을 경계로 하여 성질이 변화한다. 동소변태에서는 성질 변화가 일정한 온도에서 급격히 비연속적으로 일어나지만, 자기변태에서는 일정한 온도의 범위 안에서 점진적이고 연속적인 변화가 일어난다.

 아래 그림(a)는 변태가 없을 때에 성질과 온도와의 사이의 변화를 나타낸 것으로써, 변화는 있으나 극히 단순한 비례 관계의 가역 변화이다.

 아래 그림(b)는 동소변태가 일어날 때의 성질(열팽창)과 온도 사이의 변화 곡선으로 변태점 t에서 급격히 성질이 변하는데, 그림에서와 같이 가열할 때에는 변태가 약간 고온에서 일어나고, 냉각할 때에는 다소 저온에서 일어나는 것이 보통이다. 이것을 구별하기 위하여 가열할 때의 변태 온도를 Ac, 냉각할 때의 변태 온도를 Ar로 표기한다.

 아래 그림(c)는 자기변태가 일어날 때의 성질과 온도의 관계를 나타낸 것으로 변태가 t1부근에서 일어나서 t2 부근에서 끝나기까지 오랜 시간동안 온도를 유지하여도 비연속적으로 진행되지 않는다. 

 그림(c)의 ①은 전기저항 및 부피 등의 변화를, 그리고 ②는 자장의 세기의 변화를 나타낸 것이다. 금속의 결정구조는 금속 고유의 결정구조를 갖고 있으나 아래 표와 같이 동일 금속에서도 온도의 변화에 따라 결정구조가 달라질 수 있다.

 (2) 변태점의 측정

 ① 열분석법

 얼음이 물이 될 때에는, 얼음의 결정이 허물어지면서 용해열로 79.9㎈/g 을 흡수하게된다. 그리고, 체적은 10% 감소한다. 이밖에 열 전도도,

전기 전도도, 비열 등 물리적 성질이 변한다. 이와 같이 물질이 어떤 변태점에 달하게 되면 여러가지 성질이 비연속적으로 변화한다.

 금속도 일정한 속도로 가열 냉각시킬 때, 변태가 일어나게 되며 변태에 필요한 에너지를 열로 흡수하거나 방출하게 되는데, 변태가 완전히 끝날 때까지 열의 흡수나 방출로 인하여 온도의 상승 또는 강하가 일시 정지된다.

 열분석이란 이 원리를 이용하여 일정한 속도로 가열, 또는 냉각시 온도와 시간과의 관계 곡선을 그리고, 이를 분석 조사하여 변태점을 알아내는 방법이다.

 (a) 시간 - 온도 곡선에 의한 방법

  상기 그림은 시간 - 온도 곡선에 의한 방법으로 시간 - 온도 곡선에 따른 냉각과 가열의 관계를 나타낸 것으로 대표적인 열분석 곡선이다. 

 고상인 철이 갖고 있는 동소변태에 있어서는 결정 구조의 변화가 있게 되므로 상기 그림과 같이 열분석 곡선에 변태점이 나타나게 된다.

 아래 그림은 열분석에 사용되는 온도 측정 장치의 구조이다.

 (b) 시차열 분석에 의한 방법

  고체 상태에서의 동소변태와 같은 경우에는 열의 흡수 또는 방출이 작으므로 열분석 곡선에 의해서는 이 변화가 명확히 나타나지 않을 때가

 있다. 이러한 경우 열변화를 확대하여 측정하는 방법으로 시차 열분석법이 있다. 아래 그림은 시차열 분석법의 원리를 나타낸 것으로, 2조의

 열전대를 사용한 것이다.

  분석원리는 시료 S와 변태가 없는 중성체 N은 체적·열용량을 거의 같게 하고 그 중앙에 열전대를 끼워 넣는다.

  시차열전대는 아래 그림과 같이 Pt, Rh선의 양 끝을 예민한 전류계 G와 연결한다. 준비가 완료되면 N과 S를 전기로에서 균일하게 가열하거

 나 냉각한다.

  여기서 시료의 온도(θ), 시료와 변태하지 않는 중성체와의 온도차(θ-θ')를 구하여 이 관계를 도식화하면 아래 그림과 같은 냉각에 있어서의

 시차곡선이 얻어진다. 즉, 그림에서 변태점으로서는 변화가 시작되는 온도 b점을 측정하면 된다.

  측정한 결과의 곡선은 자동으로 기록된다.

 

 ② 열팽창 측정

 금속 및 합금은 온도가 상승하면 열팽창을 일으킨다. 특히 변태에 의해 결정 구조가 변하여도 금속의 부피는 팽창하거나 수축하게 되어 팽창곡선에 이상이 나타나므로, 이를 이용하면 변태점을 측정할 수 있다. 열팽창 측정에는 보통 선팽창을 사용하며, 가장 널리 사용되는 것은 팽창량의 절대값을 측정하는 방법과 표준물질과 시료와의 팽창의 차를 측정하는 방법이 있다. 이 방법은 가열 속도가 늦거나 빠른 것에 관계 없이 정확하게 측정할 수 있다.

 최근에는 강 및 그 밖의 금속재료의 변태를 측정하는데, 고주파 가열과 자동온도제어에 의해 자동기록으로 측정 결과를 알 수 있는 전자동 변태기록 측정장치가 사용되고 있다.