기계재료학 (열다섯번째시간)

1.3 재료시험과 검사

1. 금속재료의 성질과 파괴

 1) 금속의 성질

 금속의 일반적인 특성은 ① 상온에서 고체이며 결정체이다(수은 제외), ② 전성과 연성이 풍부하다, ③ 전기 및 열의 양도체이다, ④ 여러가지의 금속광택을 갖는다 등을 들 수 있다. 금속은 이상과 같은 성질을 갖고 있으므로 기계재료의 대부분을 차지하고 있다. 또한, 순금속과 합금은 각 금속에 따라 특성을 갖고 있으며, 같은 조성이라도 주조, 압연, 단조 등의 가공방법이나 열처리 방법에 따라 그 성질을 달리할 수도 있다. 이러한 금속 특유의 성질을 이해하게 되면 금속제품을 설계 제작할 때에나 기계재료로 사용하는 데 유용하게 활용할 수 있다.

 금속재료의 성질에는 물리적 성질, 화학적 성질 및 기계적 성질 등이 있으며, 공업적으로는 기계적 성질이 많이 사용되고 있다.

 

 (1) 금속의 물리적 성질

① 금속 및 합금의 색

 금속의 색은 연마한 금속표면에 백색광선을 비추었을 때의 색으로, 동이 나타내는 적동색이나 금의 황동색과 같은 특수한 색 외에는 백색금속광택계통이 일반적이다. 합금은 성분금속의 어느 한쪽에 유사하나 그들의 중간색을 띠게 된다. 그러나 금속간 화합물에는 특별한 색을 갖고 있는 것도 있다. 함유금속이 유색금속에 미치는 탈색영향의 크기는 금속에 따라 다르며, 이를 탈색력 또는 퇴색능 이라 하며 그 순위는 다음과 같다

SN > Ni > Al > Mn > Fe > Zn > Pt > Ag

 예를 들면 Cu합금에서, 30%Zn의 황동은 황색을 갖고 있으나 25%Ni의 백동은 순백색을 띠고 있다. 그리고 20%Sn의 청동은 청백색이다.

 

② 비중, 용융온도 및 용융잠열

㉮ 비중

 4℃의 물의 무게와 똑같은 부피를 가진 어떤 물체의 무게와의 비를 비중이라 한다.

 순금속의 비중은 Li의 0.53에서 Ir의 22.5 또는 Os의 22.57 사이에 있다. 그러나 온도 및 가공방법에 따라 다소 변화한다. 예를 들면, 단조, 압연, 인발 등의 가공품은 표준값보다 커지고, 주조품은 적어진다. 또한 상온 가공한 금속재료는 고온 가공 후에 풀림처리한 것에 비해 적다. 

합금의 비중은 성분금속의 중량 비율로 산출한 값과 거의 일치한다. 비중은 금속재료제품의 무게를 계산하는데 편리하다. 

 즉 비중 X 체적(cm³) = 중량(gr)

 

㉯ 용융온도

 금속을 가열하면 녹아서 액체가 된다. 이때의 온도를 용융온도 또는 용융점 이라 한다. 이와는 반대로, 액체상태의 금속을 냉각시키면 원래의 고체로 되돌아간다. 같은 금속에서는 융용온도와 응고온도는 같으며, 전체가 완전히 용해(또는 응고)될 때까지 항상 같은 온도를 유지한다. Hg를 제외한 순금속에서는 W의 3410ºC에서 Sn의 232ºC의 사이에 있으며, V의 1900ºC, Cr의 1875ºC, Pt의 1769ºC, Fe의 1536ºC 등이 높은 금속에 속하고, Pb의 327ºC, Bi의 271ºC 등이 낮은 금속에 속한다.

Hg는 -38.36º, 상온에서는 액체상태인 특수한 경우이다. 합금의 융용온도는 합금금속 중에서 높은 성분금속보다 낮으며, 평균값보다 낮은 경우가 많다.

 

㉰ 용융잠열

 0ºC의 얼음이 녹아서 0ºC의 물이 될때에는 1㎖에 대해 80㎈의 열량이 필요하다. 또, 100ºC의 물이 증발할 때에는, 1㎖에 대해 539.9㎈의 열량을 필요로 한다. 이러한 현상은 금속을 용융시킬 때에도 같다. 금속이 가열 곡선상에서 용융점에 달한 다음, 금속 전부가 용융될 때까지는 시간이 지나도 온도는 올라가지 않는데, 이것은 금속이 모두 용융될 때까지는 흡열작용으로, 일정시간이 지나야 온도가 상승하기 때문이다.

 이와 같이, 금속이 완전히 용융하는 데 흡열작용에 필요한 열량을 용융잠열이라 한다.

 용융잠열의 크기는 일반금속에서는 Al, Mg 등에서 크고, Cu에서는 작다. 금속은 용융온도에서 용해가 완전히 종료되지 않다는 점에 유의하여야 한다.

 

③ 비열, 열팽창 계수 및 열전도도

㉮ 비열

 비열이란, 특정 물체와 동량의 물을 각각 1ºC 상승시키는 데 필요한 열량의 비를 말한다. 즉, 물질 1g의 온도를 1ºC만큼 높이는 데 필요한 열량(㎈)을 비열이라 하며, 그 단위는 ㎈/g · ºC로 나타낸다. 따라서 무게 M(g)의 금속체 온도를 t(ºC)만큼 높이는 데 필요한 열량 H는 다음과 같다.

H = b × M × t(㎈)

                                                               여기서, b : 비열

합금의 비열은 성분금속의 중량비율로부터 산출한 평균값에 가까운 값이 된다.

또한, 금속은 완전 용융하는 데 필요한 열량을 합치면 다음과 같다.

용융온도 × 비열 + 잠열 = 필요한 열량(g/ ㎈) 

 

㉯ 열팽창 계수

 물체의 온도가 1ºC 상승하였을 경우, 증가한 물체의 치수와 팽창하기 전의 치수와의 비를 열팽창 계수라 한다. 이 계수에는 길이와 부피의 2가지가 있는데, 길이의 경우를 성팽창 계수라 하고, 부피의 경우를 부피팽창 계수라 한다. 일반적으로 선팽창 계수가 많이 사용되며, 이를 열팽창 계수라고 한다.

 

㉰ 열전도도

 물체 내의 분자로부터 다른 분자로 열 에너지가 이동하는 것, 즉 물체 내의 한쪽에서 다른 쪽으로의 열의 이동을 열전도라 하며, 그 이동의 정도를 열전도도 또는 열전도율 이라 한다. 열전도율은 거리 1㎝에 대해 1ºC의 온도차가 있을 때, 1㎠의 단면적을 1초 동안에 전달하는 열량을 말하며, 단위는 k㎈/m · hºC와 ㎈/㎝ · sºC로 나타낸다.

 금속은 일반재료에 비해 열의 양도체로, 열전도도는 순수할수록 양호하며, 불순물이 많을수록 나빠진다. 금속 중에서 열전도도가 좋은 것은 Ag이며, 다음이 Cu, Au, Al순이다. 열전도도를 이용하는 공업재료에는 Cu와 Al가 가장 많다.

 

④ 전기전도도와 열기전력

㉮ 전기전도도

 금속 결정은 많은 전도전자를 가지고 있으며, 다른 일반 재료에는 없는 금속 특유의 성질로서 전기의 전도가 있다. 전도의 정도를 전기전도도 또는 전기전도율이라 한다. 금속은 전기의 양도체이므로 전기저항이 적다. 전기전도도는 순수한 금속일수록 좋으며, 불순물이 함유되면 나빠지고, 합금은 성분금속보다 좋지 못하다.

 

㉯ 열기전력

 2개의 서로 다른 금속의 양끝을 아래 그림의 (a)와 같이 접합하고, 각각의 접점 T₁, T₂를 온도의 차가 있는 곳에 놓으면 양 접점 사이에 전위차가 생겨 전류가 흐른다. 이 전류를 열전류라 하며, 발생된 전위차를 열기전력, 이 두 종류의 금속을 조합한 것을 열전대라 하며, 1000ºC 이상의 정밀 고온 측정에 이용된다. 아래 그림의 (b)는 열기전력을 이용한 열전대의 보기이다.

기전력과 열전대의 종류

 (2) 금속의 화학적 성질

금속재료의 용도가 다양해짐에 따라 금속재료의 화학적 성질이 물리적 성질과 기계적 성질 못지않게 중요시되고 있다. 금속의 화학적 성질 중에서 실제적으로 문제가 되는 것은 부식과 내식성을 들 수 있다.

 

① 금속의 부식

 금속은 접하고 있는 주위환경, 즉 화학적이거나 저기 화학적인 작용에 의해서 비금속성 화합물을 만들어 점진적으로 소실되어 가는데, 이 현상을 부식이라 한다. 금속은 수분의 작용이 없는 200ºC 이하의 조건에서는 부식이 일어나지 않는다. 그러나 일반 대기중에는 수분이 표함되어 있으므로, 다른 공업재료에 비해 양극이 되는 금속 부분은 심하게 부식된다. 이와 같이 환경에 의한 금속의 부식은 크게 수분이 작용하는 습식 부식과 수분이 작용하지 않는 건식 부식으로 구분할 수 있다.

 

② 내식성

 금속재료의 부식에 대한 저항력을 내식성이라 하며, 그 정도는 금속의 조성과 조직에 따라, 또는 물이나 산, 알칼리, 염류 등의 종류, 농도, 온도 및 그 밖의 상태에 따라 달라진다.

 Cu는 내식성이 우수하며, 황동과 청동은 강도와 내식성이 우수한 대표적인 비철합금이며, 기계재료로 다양하게 사용되고 있다. 또한, 알루미늄과 그 합금은 대기중에서 쉽게 산화되지만, 표면에 생성된 얇고 치밀한 산화막이 공기와의 접촉을 막아 주어 산화작용을 방지하므로 내식성이 우수하다. 또한 Ni과 Cr를 함유한 스테인레스강은 내식강의 대표적인 철합금이다.

 

 (3) 금속의 기계적 성질

① 주요한 기계적 성질

 금속재료는 각종 기계와 공업제품의 구성재료로 쓰이는데, 사용중에 재료가 변형되거나 파괴되는 일이 생긴다. 재료가 사용중에 파괴되는 원인을 요약하면 다음과 같다.

 

ⓐ 충격적인 힘에 의한 파괴

ⓑ 피로에 의한 파괴

ⓒ 마멸에 의한 파괴

ⓓ 크리프에 의한 파괴

ⓔ 부식에 의한 파괴 등

 

이상과 같은 원인을 방지하고 안전을 위해서는 외력에 의한 파괴나 변형에 대한 저항성, 즉 강도, 인성, 경도 등이 필요하며, 또 요구되는 기계부품의 형상과 치수로 가공하기 위한 성질, 즉 연성과 전성 및 절삭성이 필요하다. 따라서, 기계 부품으로 사용할 재료에 대하여 각종 시험을 행하여 가공성과 안전한 범위를 미리 알고 있어야 한다.

 

㉮ 강도

 강도란 재료의 파괴에 대한 저항을 뜻하나, 변형에 대한 저항을 포함시키는 경우도 있다. 강도를 나타내는 대표적인 기계적 성질에는 인장 강도, 압축 강도, 굽힘 강도, 항절력, 비틀림 강도, 전단강도, 항복점 외력 또는 탄성한계, 피로강도, 크리프 강도 등이 있다. 여기서 금속재료의 기계적 강도를 개략적으로 알고자 할 때에는 보통 인장시험을 적용하고 있다.

 

㉯ 연성

 연성이란 상온에서 재료를 인장하거나 굽힘 등의 외력에 의해서도 파괴됨이 없이 재료가 어느 정도 변형될 수 있는가 하는 변형한계의 능력을 뜻하는 것으로 변형능이라 불린다.

 인장과 압축, 비틀림, 굽힘 등의 외력에 의해 생기는 늚, 수축, 비틀림, 굽힘 등의 전도에 의해 그 값이 정해진다. 일반적으로 금속재료의 연성은 인장 시험에서 얻은 전 연신율 또는 단면수축률로 나타내며, 연성이 큰 재료를 연성재료라 한다. 강하고 경도가 큰 재료는 보통 연성이 부족하고 메짐성을 가지는 경향이 있다.

 

㉰ 인성

 인성이란 재료에 충격적인 하중이 작용하였을 때 파괴되지 않고 견디는 성질, 즉 재료의 질긴 정도를 말한다. 이와는 반대로 충격에 약한 성질을 메짐성 또는 취성이라 하며, 이러한 재료를 취성재료라 한다. 인성의 값은 충격시험에서 얻은 충격값, 즉 충격강도를 적용하며 일반적으로 충격값이 클수록 인성이 좋다.

 

㉱ 경도

 시험할 재료에 따라 규정된 경한 물체를 일정한 압력으로 재료 표면에 가압하였을 때, 이 외력에 대한 저항의 크기, 즉 저항으로 시험재료의 단단한 정도를 나타내는데, 이것을 경도라 한다. 기계재료의 경도는 재료의 변형저항이 크고 작음을 나타낸다는 점에서 인장강도와 관련성이 있으며, 재료의 경도와 인장강도 사이에는 비례관계가 있다. 일반적으로 재료의 기계적 성질을 나타낼 때에는 위에서 제시하고 있는 네 가지, 즉 인장강도, 경도, 충격값, 연신율 등을 기본으로 표시한다.

 

② 기계적 성질과 온도의 영향

 기계재료는 상온에서 사용되는 경우가 많지만 고온 또는 저온에서 사용되는 경우도 많이 있다. 기계적 성질은 사용 온도에 따라 요구되는 성질이 달라지게 되므로 상온에서의 성질만으로는 적정한 재료의 선정 자료로 충분하지 못하다. 따라서 실제 사용 온도에서의 기계적 특성을 알고 있어야 한다.

 일반적으로, 금속재료의 기계적 성질은 상온에서의 상태를 기준으로 하여 시험을 한다. 그러나 금속재료는 온도가 높아짐에 따라 그 기계적 성질이 크게 변하므로 내연 기관, 보일러 부품 등과 같이 고온 상태에서 사용되는 재료에는 고온에서의 기계적 성질에 유의해야 하며 특히 중요한 성질은 고온 강도, 경도, 연신율, 크리프 한도 및 저온에 있어서의 메짐성 등이다.

 금속재료는 온도의 상승과 더불어 강도가 감소하고 연신율이 커지는 것이 보통이지만 반대로 감소하는 경우도 있다. 보기를 들면 연강은 200 ~ 300ºC에서는 상온에서 보다 연신율이 낮아지고 강도와 경도는 높아진다. 즉, 이 온도 범위에서의 강은 부스러지기 쉬운 성질을 가지게 되는데 이러한 현상을 청열 취성 또는 청열 메짐이라 한다. 또한 보다 고온으로 되면 다시 취성이 나타나는데 이 현상을 적열 취성이라 한다. 특히 탄소강의 고온 강도는 온도의 상승에 따라 저하되는데 450 ~ 500ºC 이상이 되면 크리프 한도와 피로 강도의 저하 현상이 일어나므로, 고온에서 사용되는 경우에는 상온에서의 인장강도 또는 항복강도를 설계의 기준으로 사용할 수 없게 된다. 따라서 고온하에서 사용되는 재료는 크리프 강도를 적용해야 한다.

 재료의 온도가 상온보다 낮아지면 경도나 인장강도는 증가하지만, 연신율이나 충격값 등은 감소하여 부스러지기 쉽게 된다. 이와 같이 온도가 낮아짐에 따라 강도가 급격기 증가하면서 생기는 현상을 저온 취성 또는 저온 메짐이라 한다.

 또한, 보일러, 터빈, 원자로에 있어서 부하의 변동이나 운전 · 정지 등에 의해 열응력이 반복하여 작용하는 경우에 생기는 현상인 열피로와 고온 피로 즉, 고온에서의 피로강도가 있다.