1. 기계재료학 기초.
1-1. 기계재료학 개요.
기계를 구성하고 있는 재료는 종류가 다양하고 그 성질도 각기 다르기 떄문에 사용 조건에 만족할 수 있으면서 가공성과 경제성을 구비하고 있어야 한다. 또한 기계를 설계하거나 가공제작 수리 보수하려면 기계재료에 관한 풍부한 지식과 경험이 있어야 이에 대처할 수 있다.
기계에 사용되는 재료의 대부분은 철강재료이다. 그러나 기계재료의 사용 목적에 따라 특수합금강, 비철합금 또는 비금속재료 등 다양한 재료가 사용되고 있다.
따라서 기계재료(material for machine)는 기계나 구조물의 제작에 필요한 모든 재료를 뜻하며 기계 부품 제작에 쓰이는 각종 공구의 재료도 기계재료에 포함된다.
기계재료는 크게 금속재료와 비금속재료로 나누며, 금속재료는 또 철강재료와 제철금속재료로 분류하고 있다.
1. 기계재료의 특징.
기계재료는 각종 기계와 구조물의 구성 재료로서 그들의 기능을 발휘할 수 있는 특성뿐 아니라 요구되는 모양과 치수로 공작하기 위한 가공성과 제품의 생산가와 관련되는 경제성을 갖고 있어야 한다. 현대 산업 발전의 근간을 이루고 있는 현대화된 기계 공업은 전자 기술의 급속한 발전에 따라 기계에 의한 제조 공업이 더욱 발달되면서 기계 부품의 소형 정밀화, 공작 기계 및 생산 설비의 자동화, 로봇을 이용한 생산의 무인화로 생산체제가 크게 달라지면서 공장 자동화가 보편화되고, 이에 따른 기계 재료의 중요성이 더욱 높아지고 있다.
1) 기계 재료학.
기계를 구성하는 주체는 고체 물질이며, 여기에는 금속재료가 주가 되는데 이밖에 액체와 기체의 물질도 사용된다.
즉, 유압기기에는 기름이, 공압기계 등은 공기가 기계적 작동을 하는데 중요한 물질이다.
또한, 수압 기계의 물, 내연 기관의 연료 등의 물질도 기계와 밀접한 관계를 갖는다. 이 재료들은 기계 내부의 압력이나
폭발 등의 작용에 의해 물질의 상태가 변화하는 경우도 적지 않다.
물질의 여러가지 상태와 변화에 대한 물리적 화확적 기초 지식들은 기계공학에서 기계와 장치 설비 등 종합적인 목적
을 위해 활용하게 된다. 그러나 기계재료학에서는 기계구조의 설계와 제작에 관계가 깊은 물질인 기계재료에 한정하여
다루게 된다. 따라서 유체기계에 사용되는 매체인 유류나 공기, 기계의 동작이나 에너지원에 관련되는 물질인 연료 등은
기계재료의 대상에서 제외하고 있다.
특정 물질이 갖고 있는 성질을 어떤 목적에 이용하려 할 때에는 그 물질을 재료(material)로 취급하여야 하는데, 이를
위해서는 그 물질의 여러가지 성질을 측정하고, 외력이나 열을 가했을 때의 거동 변화 등을 조사하는 일이 필수적이다.
기계재료학은 기초지식을 바탕으로 여러가지 기계재료의 특성을 규명하고 이를 응용하는 학문이다.
기계재료학에서는 기계재료로 사용되는 물질의 성질이나 특성을 알아보기 위해서 여러가지 과학적 방법을 동원하고
있다. 즉, 화학분석으로 물질이 갖고 있는 성분으로부터 조성과 성질을 알아보고 현미경으로 물질의 미세한 상태조직을
조사하여 물질의 성질과 그 변화과정을 규명하고 있다. 특히 외력에 대한 재료의 거동을 측정하는 기계적 시험은 기계
의 강도설계에 있어 중요한 기초자료를 제공한다.
2) 기계재료의 종류.
(1) 금속재료.
금속원소와 비금속원소에 의해 구성되는 무기재료를 금속재료라 한다.
대표적인 금속원소에는 철(Fe), 동(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 등이 있고, 비금속원소에는 탄소(C), 질소(N)
등이 있으며, 산소(O)도 금속재료에 혼입되어 있다. 금속은 원자가 규칙적으로 배열된 결정구조를 하고 있다.
일반적으로, 금속은 열과 전기의 좋은 전도체이다. 대부분의 금속은 상온에서 상대적으로 강하고 연성이 있으며, 고온
에서도 비교적 좋은 강도를 유지한다. 금속과 합금은 강이나 주강처럼 철의 함량 비율이 높은 철계금속합금과 상대적
으로 철의 함유량이 적거나 철을 거의 포함하지 않는 비철금속이 있다. 비철금속에는 알루미늄(Al), 동(Cu), 아연(Zn),
티타늄(Ti), 니켈(Ni) 등이 있다. 비철금속은 철강 이외의 금속재료를 총칭하는 것으로 그 종류가 매우 많다.
(2) 고분자재료.
탄소를 포함하는 긴 사슬이나 망상으로 연결된 분자로 구성된 유기체를 고분자재료라 한다.
고분자재료는 구조적으로 비결정질이나 일부는 결정질과 비결정질 영역의 혼합으로 구성되어 있다.
고분자 재료의 강도와 인성은 매우 다양하다. 그들의 내부구조적 특성 때문에 전기전도성은 매우 낮다. 따라서 우수한
전기절연성을 가지고 있는 재료이므로, 전자기기의 절연물로 이용되고 있다. 또한 일반적으로 밀도가 작고, 상대적으로
낮은 연화온도와 분해온도를 갖는다.
(3) 세라믹스재료.
세라믹스재료(ceramics materials)는 금속원소와 비금속 원소가 화학적으로 결합하여 구성된 무기재료로, 결정질과
비결정질 또는 이 둘의 혼합으로 구성되어 있다. 대부분의 세라믹재료는 높은 강도와 이에 더하여 경량, 저마찰계수,
내열, 내마멸성, 단열성 등이 우수하므로, 공업재료로 많이 사용되고 있다.
세라믹스는 고온에서의 내마멸성과 단열성이 특히 우수하므로 고온에서 용해하는 금속의 노벽에 사용되고 있다.
새로운 세라믹재료는 우주 왕복선이 대기권으로 재진입할 때 고온으로부터 내부의 알루미늄 구조물과 차폐하기 위하
여 외벽으로 사용하고 있다.
(4) 복합재료.
복합재료는 둘 또는 그 이상의 재료를 조합하여 만들어진다. 대부분의 복합재료는 용도와 필요로 하는 기능에 따라
특별한 성질을 가지도록 특정한 섬유나 강화 금속을 결합재로 수지에 의해 구성되어 있다. 이들의 요소는 서로 융합되
지 않고, 물리적으로 경계가 뚜렷하다.
복합재료는 많은 종류가 있으나 복합재료의 공업적인 중요성은 두 개 이상의 서로 다른 재료를 결합하여 각 구성재료
보다 우수한 성질을 나타냄으로써, 각 구성재료가 가지고 있는 특성을 종합적으로 최대한 이용할 수 있는 점이다.
복합재료에는 여러가지 유형이 있는데, 중요한 것으로는 모상에 있자를 분산한 입자강화형과 섬유를 분산한 섬유강화
형이 있다.
(5) 전자재료.
전자재로는 구조재료에 비해 생산량은 적으나 최근에는 정보화 사회의 형성에 있어서 매우 중요한 역할을 담당하고
있는 공업재료이다. 이들 중에서 가장 중요한 전자재료는 금속과 절연체의 중간 정도의 도전성을 가진 물질인 반도체
가 있다. 반도체재료에는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀렌(Se), 텔루르(Te) 등이 있다.
(6) 그밖의 기계재료.
기계재료에는 기능성재료인 초전도재료, 비정질합금, 형상기억합금, 수소저장합금, 제진재료 및 원자로용 재료 등이
있다. 이 밖에 기계재료로 사용되는 비금속재료로 석재, 시멘트, 유리, 노재와 보온재, 목재, 고무와 섬유, 윤활유와
절삭유, 페인트와 접착제 등 그 종류가 많이 있다.