금속의 결정조직, 결정립, 재결정(기계기술사, 기술고시 기출 해설)

<기계기술사 기출>

6. 금속의 결정조직과 이들의 가공상의 특징을 설명하시오.

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1) 체심입방구조(BCC) - 48개의 슬립 시스템

- 강도가 높고 중간 정도의 연성, 높은 온도에서 고연성

ex) 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐

2) 면심입방구조(FCC) - 12개의 슬립 시스템

- 중간정도의 강도와 높은 연성

ex) 알루미늄, 금, 구리, 은

3) 육방밀집구조(HCP) - 3개의 슬립 시스템

- 실온에서 잘 부러지는 편

ex) 베릴륨, 마그네슘, 아연

<기계기술사 기출>

4. 응고과정 중에 냉각속도가 응고조직의 결정립 크기와 기계적 성질에 미치는 영향을 설명하라.

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금속이 응고할 때 결정들은 액체 내의 여러 곳에서 독립적으로 형성되어 상호간 랜덤하고 무연한 방위를 가지게 된다. 이러한 각각의 결정은 성장하여 결정구조 및 결정립이 된다.

1. 냉각속도가 빠를 때 

냉각속도가 빠르면 결정핵의 생성속도가 결정립의 성장속도보다 빠르게 되어 결정립의 크기가 작고 단위체적당 수가 많아진다.

2. 냉각속도가 느릴 때

냉각속도가 느리면 결정핵 생성속도보다 결정립의 성장속도가 빠르게 되어 결정립의 크기가 크고 단위체적당 수가 적어진다.

3. 결정립계의 크기와 단위체적당 수에 따른 기계적 성질

 1) 결정립이 단위체적당 수가 많으면  전위 운동이 다수의 결정립에 의해 방해받게 되어 변형에 대한 저항이 증가하여 재료의 강도가 증가한다. 반면, 단위체적당 수가 적을수록 강도 증가 효과가 적다.

 2) 미세한 결정립은 많은 전위가 한 입계에 집적하지 않으므로 국부적인 응력집중이 일어나기 어려우므로 연성과 인성도 증가한다.

 3) 조대한 결정립은 압연공정에서 나타나는 오렌지필 현상처럼 표면특성이 나쁘다.

 4) 소성변형 시 결정립계는 손상되지 않으며, 대량성 역시 보존된다. 변형된 금속은 결정립계의 전위로 인한 얽힘으로 인해 더 높은 강도를 갖게되어 변형에 대한 저항이 커진다. 더 작은 결정일 때 단위부피당 결정립계 표면적이 넓어서 변형경화 효과가 크며, 큰 결정일수록 결정립계의 표면적이 작아서 변형경화 효과가 작다.

<2016 행정고시 기술직 기계공작법 기출>

제 3 문. 다결정구조(polycrystalline)를 가진 금속소재에 대한 다음 물음에 답하시오. (총 20점)

1) 결정립(grain) 크기와 기계적 강도의 상관관계를 기술하고, 그 이유를 설명 하시오. (10점)

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1) 결정립의 크기와 강도의 상관관계

결정립이 작을수록 단위체적에 존대하는 결정립계 및 결정립의 수가 많아져서 전위의 장애물이 증가하는 효과가 생기고, 이에따라 변형에 대한 저항이 증가하여 강도가 증가한다.

- Hall-petch 관계식

Y_0: 큰 결정립 재료의 항복응력, K: 상수, d: 평균 결정립 직경

2) 열간 단조와 냉간 단조 제품의 기계적 강도를 결정립 형상변화와 관련지어 비교하고, 그 이유를 설명하시오. (10점)

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2) 열간/냉간 단조 제품의 기계적 강도와 결정립의 형상 변화

열간단조는 재결정온도 이상의 온도에서 가공하기 때문에 소성가공으로 변형된 결정립 및 결정립계 대신 변형이 없는 새로운 등축입자가 생성되어 전위밀도를 낮추고 강도는 감소되며 연성은 증가한다.

반면, 냉간단조는 주로 실온에서 가공하기 때문에 재결정이 없고, 소성가공에 의해 변형된 결정립 및 결정립계가 전위의 장애물로 작용하여 강도가 증가한다.

<2006 행정고시 기술직 기계공작법 기출>

제 2 문. 철금속을 고온상태로 유지하게 되면 결정조직에 변화가 생기면서 물성치가 변화한다. 이러한 결정조직 변화는 회복, 재결정, 결정립 성장 등의 단계로 구분할 수 있다. 고온상태의 철금속에서 발생하는 결정, 잔류응력 및   기계적 성질의 변화를 각 단계별로 설명하시오.                 (25점)

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1. 회복

 1) 온도 - 재결정온도 이하 특정 온도범위

 2) 과정 - 전위의 재배열로 다각 형상화를 통한 부결정립계 형성됨

 3) 효과 - 응력의 완화, 약간의 연성 회복, 잔류응력 감소

 4) 비영향 - 강도, 경도

2. 재결정

 1) 온도 - 1시간 안에 완전히 재결정하는 온도 (약 0.3 ~ 0.5 Tm)

 2) 과정 - 이전의 입자들을 대신하여 변형이 없는 새로운 등축의 입자가 형성됨

 3) 효과 - 강도 완화, 금속의 연성 증대

 4) 비영향 - 선택적 방향성

3. 결정립성장

 1) 온도 - 재결정온도 이상

 2) 과정 - 결정립이 더 성장하여 본래의 결정립보다 크기가 커진다.

 3) 효과 - 강도, 경도 저하, 연성 증가, 거친 표면 형성

4. 재결정 전 냉간가공의 영향 

 1) 냉간가공은 전위 운동에 저장된 에너지를 상승시키고 이를 재결정에너지에 제공하기도 한다. 따라서 재결정온도가 낮아지는 효과가 있다.

 2) 큰 냉간가공은 재결정 결정립의 크기를 미세하게 만든다.

 3) 냉간가공으로 생긴 이방성의 일부는 재결정 이후에도 잔류한다. 이는 재결정온도보다 높은 온도에서 제거할 수 있다.