기계재료학 (열두번째시간)

4. 금속재료의 소성

 금속재료는 외력에 의해 변형하게 되는데, 가해지는 외력이 어느 정도 이상, 즉 탄성한도를 넘게 되면 외력을 제거하여도 변형이 남게 된다. 이와 같이 재료가 외력에 의해 변형되는 성질을 소성이라 하고, 이 성질을 이용한 변형을 소성변형이라 하며, 탄성한도 이하의 외력에 의한 탄성변형과 구분하고 있다. 그리고 금속에 항복점을 넘어 소성변형을 주는 조작을 금속에 소정의 형상을 부여하는 수단으로 생각할 때 소성가공 이라 한다. 금속이나 합금을 소성가공하는 목적은 다음과 같다.

 

 ① 금속을 변형시켜 필요한 모양으로 만든다.

 ② 주조한 그대로의 금속은 기계적 성질이 약하므로 가공 단련하여 그 주조 조직을 미세화한 다음, 풀림을 함으로써 그

     성질을 개량한다.

 ③ 가공에 의해서 생긴 내부 응력을 적당히 재료 내부에 남겨 놓아 기계적 성질을 개량한다.

 

 금속재료의 탄성변형은 원자 사이의 거리 변화에 기인하는 것이나, 소성변형은 결정의 변형에 그 원인이 있다. 외력이 가해지면 결정 내에서 인접하여 있는 평행한 격자면에 서로 미끄럼이 일어나며, 이러한 미끄럼이 여러개 중복되어 변형이 일어난다. 금속은 이와 같은 소성의 특징을 지니고 있으모로, 이 성질을 이용한 단조, 압연, 인발, 압출 등 여러가지 소성 가공법에 의하여 금속 및 합금의 판, 관, 봉, 선 및 단조품 등이 만들어진다.

 1) 금속의 소성 변형 기구

 금속 재료가 외력에 의해 소성 변형이 생기는 현상으로 금속에 있어서 중요한 역학적 대상이 된다. 소성 변형은 고체의 금속을 물질적으로 균질한 연속체로 취급하는 재료역학 특히 소성역학의 대상이 된다. 그러나 고체 금속은 금속 조직학적 측면에서는 불균질 연속체인 다결정체라 할 수 있다.

 금속은 결정 입내와 입계의 역학적 관계가 다르므로 소성변형도 미시적으로는 결정입 단위로 생각하여 나타나는 현상이다. 또한, 금속이 원자의 집합체라고 생각하는 원자론에 의하면 금속은 불연속적 입자구조의 물질이다. 따라서 소성변형은 구성입자간의 역학적 관계로 이해될 수 있다. 일반적으로, 고체 금속의 성질은 이상과 같은 3단계의 다른 입장에서 다루게 된다.

 금속의 성질 중에서 금속의 항복, 소성변형, 그리고 파괴 등의 성질은 금속의 원자구조와 관계가 깊다. 예를 들면 결정입계의 원자배열의 흐트러짐이 금속의 강도, 소성에 영향을 주게된다. 이러한 성질을 조직의 민감성이라 한다.

 금속재료의 탄성변형은 원자사이의 거리변화에 기인하는 것이나, 소성변형은 결정의 변형에 그 원인이 있다. 외력이 가해지면 결정 내에서 인접하여 있는 평행한 격자면에 서로 미끄럼이 일어나며, 이러한 미끄럼이 여러개 중복되어 소성변형이 일어난다. 금속의 소성변형을 설명하는 원리에는 슬립, 쌍정 등이 있다.

 (1) 슬립(Slip)

 알루미늄의 표면을 전해연마하고 가볍게 부식시켜 결정립을 잘 볼수 있게 한 다음 이것을 약간 변형시킨 다음 그 표면을 현미경으로 관찰하면 아래 그림과 같이 한개 한개의 결정입 안에 미세한 평행선이 보인다. 그러나 이들 평행선은 결정립 내에 머물고 있다. 이 평행선은 변형에 의해서 생긴 것으로, 결정의 슬립선이라 한다.

알루미늄 표면에 나타난 슬립선

 보통 금속재료는 다결정으로 되어 있으나 아래 그림(a)는 금속의 소성변형 과정을 생각하기 위해서 전체가 1개의 결정으로 형성되어 있는 단결정의 경우의 보기이다.

 그림(a)에서 단결정에 힘 F가 작용하게 되면 F에 수직한 면(1)에서는 수직응력이 생긴다. 이 경우 횡방향의 응력은 생기지 않는다. 그러나 경사한 면(2)에서는 힘 F는 면에 수직한 성분과 평행한 성분으로 분해된다. 즉 면에 수직인 수직응력 σn면에 평행한 전단응력 τ가 생긴다.

 원래 금속에는 그 결정 특유의 미끄러지기 쉬운 면과 방향이 있는데, 금속에 외력이 가해지면 미끄러지기 쉬운 방향의 분력에 의해 특정한 면이 미끄러져 그 미끄럼의 집적으로 그림(b)와 같이 변형이 생기게 된다.

 미끄럼에 의한 변형의 보기로 Zn로 만든 봉상의 시험편을 인장하여 소성변형시키면 그림(c)와 같이 그 표면에는 육안으로 볼 수 있는 무늬 모양이 많이 나타난다.

단결정의 슬립 변형

 이것은 아래 그림과 같이 외력에 대하여 일정한 각도를 이루는 시험편중의 평행한 결정면이 외력에 의해 생기는 전단력의 작용으로 정해진 결정 방향에 슬립 형상이 생기기 때문이다. 이어서 슬립 방향이 점차로 인장 방향으로 향하면서 결정이 회전하게 되고, 그 표면에 엇갈림이 생겨 미끄러지는데, 이것을 슬립이라 한다. 이와 같이 결정이 미끄러진 면을 슬립면, 그 미끄럼 방향을 슬립 방향 이라 하고, 이와 같은 변형을 결정의 슬립 변형 이라 한다.

 일반적으로, 단결정의 변형 원리는 다결정체에도 연장되는데, 다결정체의 소성변형은 결정축의 방향이 서로 다른 수많은 결정의 집합체이므로, 결정 입자들이 서로 슬립의 진행이 생기는 것을 방해하여, 변형이 진행되는 방향이 휘고 뒤틀리기 때문에 소성변형이 단결정보다 어렵다.

 소성변형이 진행되면 슬립에 대한 저항이 점차 증가하고, 그 저항이 증가하면 금속의 경도와 강도도 증가한다. 이것을 변형에 의한 가공경화 또는 변형 경화라 한다.

미끄럼에 의한 단결정의 변형

슬립선에는 여러가지 상태가 관찰되고 있으나 대표적인 형식에는 아래 그림(a)와 같은 단일 슬립선과 층상 슬립선이 있다.

 좁은 간격의 슬립선의 집합을 슬립대라 한다. 그림(b)는 미세한 슬립선의 보기이다.

슬립선의 형태

 (2) 쌍정

 금속에서 연구변형이 생기는 변형 기구에는 슬립 변형 외에 쌍정이란 변형이 있다. 쌍정변형도 일종의 미끄럼을 동반하는 원자의 재배열에 의한 변형이며 아래 그림은 쌍정 변형과 슬립 변형을 비교한 도식모형이다.

황동조직에 나타난 쌍정

 쌍정이란 특정의 결정면을 경계로 하여, 인접한 결정격자가 처음의 결정과 경면적 대칭의 관계에 원자배열을 갖는 결정의 부분을 말한다.

그 경계가 되는 면을 쌍정면이라 하며, 전단이 일어나는 방향을 쌍정 방향 이라 한다. 쌍정형성은 원자의 집단적인 이동에 의하여 형성되는 것이 특징이다.

 슬립에서는 슬립을 일으킨 부분과 일으키지 않은 부분의 양측에서 결정의 방위는 변하지 않으나 쌍정은 쌍정면의 양측에서 결정의 방위가 변화하고 있는 점에도 차이가 있다. 또, 쌍정에 의한 연구 변형은 슬립변형과는 다르게 그 자체로는 변형량이 적다. 그러나 쌍정이 생기면 결정축의 방향이 회전하게 되므로 새롭게 다음 슬립에 의한 변형이 일어나기 쉽다는 등의 이유로 쌍정변형은 소성변형의 기구에서 주요한 형식으로 다루고 있다.

 다결정 금속의 소성변형에 있어서도 개개의 결정립의 변형은 단결정의 경우와 같이 이해되고 있다. 그러나 다결정체에서는 결정방향의 불규칙한 입자가 적합하며 결정입계에서 만나고 있기 때문에 소성변형은 입계에서 연속되지 못하여 입자 상호간에 간섭을 하게 되어 자유로운 변형을 방해하게 된다. 따라서 다결정체의 경우에는 단결정이 항복하는 외력의 작용으로 항복하지 않는다. 즉 다결정 금속은 일반적으로 같은 조성의 단결정 금속에 비해 강하고 경도가 크다. 그리고 쌍정변형의 경우에도 변형에 의해 표면에 요철이 생기는데, 이것을 쌍정대라 한다.

아래 우측 그림은 아연의 표면에 나타난 쌍정대이다. 슬립라인의 경우에는 그 표면을 절삭하거나 연삭을 하면 슬립의 흔적이 없어지는데 쌍정의 경우는 그 부분의 원자배열 방식이 원래의 부분과 다르기 때문에 이 부분을 연마하고 부식시켜 보면 쌍정 부분이 분명하게 나타난다.

- 쌍정과 슬립변형의 비교 -                                                                                       - 아연표면의 쌍정대 -

 (3) 전위론 

 금속의 결정은 외력을 받게 되면 슬립 또는 쌍정이 일어나면서 변형하게 된다. 슬립에 의한 소성변형은 슬립면에 따라 원자의 위치가 상대적으로 이동하여 생기는 변형이라고 생각되어 왔다. 이와 같은 슬립 변형에 필요한 전단응력은 원자간에 작용하는 결합력으로부터 이론적으로 구할 수 있다.

 전위론에서는 결정면에서의 슬립이 일어날 때에는 슬립면의 전체가 한꺼번에 이동하는 것이 아니고, 미소부의 슬립이 금속 내의 슬립면을 이동하는 것으로 생각한 것이다. 슬립이 일어날 때에는 원자면 전체가 동시에 이동하는 것은 아니고 원자가 1개씩 이동하여 간다고 생각하게 되었다. 이에 따라 슬립이 일어나는 과정을 그림과 같이 도식화 하여 설명하고 있다.

전위에 의한 변형

 그림(a)와 같이 한쪽에 ⓓ가 있는 결정체를 그림(b)에서 상하의 화살표와 같이 힘이 가해져, 1원자 면만이 미끄러진 경우를 생각한다.

이 경우 외력에 의해 그림(b)와 같이 어떤 원자의 면이 좌측으로 일부가 이동하였다고 생각한다. 이러한 생각에 따르면 (b)와 같이 ⓓ가 있는 곳의 슬립면의 위쪽에서 하나의 원자면이 중단된 곳이 생긴다. 이와 같이 한 원자면이 빠진 곳을 전위라 한다. 이 전위는 점차로 우측으로 진행되어 그림(c)와 같이 된다. 이와 같은 원자의 배열 상태에서는 전위의 양측에서 원자에 적용하는 힘이 상대적이기 때문에 중심의 원자만을 움직이는 데에 필요한 힘은 비교적 작다. 따라서 슬립을 일으키는 데에 필요한 전단력의 값은 생각하기 보다는 훨씬 작게 된다.