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제 16 장 금속의 강화 기구
금속의 강도란 소성 변형에 대한 저항성을 나타내는 말이다. 즉 어떤 강도를 갖는 재료를 영구 변형시키거나 가시적인 변형(소성 변형)을 일으키기 위해서는 어떤 응력이 필요하다는 것으로 이해할 수 있다. 그런데, 앞 장에서 언급한 바와 같이 금속 결정들의 유동 응력이 원자의 결합 강도에 기초한 계산에 의한 이론적인 전단 강도에 비해 상당히 낮게 나타난다. 그 이유는 금속 결정 내에 존재하고 있는 전위 때문인 것으로 밝혀졌다.
즉, 금속 결정에 외력이 가해지면 전위의 이동에 의해 변형이 일어나기 때문에 이상적인 전단 강도보다도 휠씬 작은 응력에 의해서도 금속 결정의 변형이 일어나는 것이다. 따라서 모든 강화 기구는 일반적으로 전위의 이동도(mobility)를 감소시키고, 전위가 결정 내에서 어는 거리만큼 움직이는데 필요한 응력을 상승시키는 것이라 할 수 있다.
따라서 본 장에서는 금속 결정의 항복 현상과 함께 금속 결정의 강화를 유도할 수 있는 여러 방법에 대해 간단히 살펴보기로 한다.
16. 1. 금속 재료의 항복 현상
구조물의 기계적 성질 중에서 가장 중요한 것의 하나가 소성 변형을 일으키는 항복 응력이며, 이는 설계자에게 특히 중요하다.
우리가 재료에 어떤 응력을 가할 때 그 응력이 항복 응력보다 휠씬 낮은 경우에는 전위가 불순물 원자, 제 2상 결정립계 또는 다른 전위와의 상호 작용에 의해 고착되어 있기 때문에 전위는 이동하지 못한다. 따라서 이같이 낮은 응력에서는 탄성변형만이 일어난다. 그러나 응력이 높아져서 전위가 움직이게 되면 재료는 소성 변형을 시작하게 되는데, 소성 변형의 초기에는 가동 전위의 수가 적고 이동 속도도 느려서 응력-변형률 곡선의 기울기는 탄성 변형 영역의 기울기에서 약간 벗어날 뿐이다. 계속 응력이 가해지면 전위의 증식이 일어나고, 전위의 평균 속도도 증가하여 소성 변형률이 탄성 변형률보다 휠씬 커져 응력-변형률 곡선이 소성 변형에 의해 지배받게 된다.
이처럼 재료의 항복 현상은 재료 내에서 전위의 이동도와 관계가 깊고, 재료 내에서의 전위의 이동도는 전위와 다른 결함과의 상호작용에 의해 좌우된다. 따라서 재료 내에서의 전위 이동을 억제시키는 여러 가지의 방법이 재료의 강화 기구가 될 수 있을 것이다.
16. 2. 고용체 강화
일반적으로 용매 원자의 격자에 용질 원자가 고용되면 순금속보다 강한 합금이 된다. 이는 고용체를 형성하면 그것이 치환형 고용체이건 침입형 고용체이건 간에 격자의 뒤틀림 현상이 생기고, 따라서 용질 원자의 근처에 응력장(應力場, stress field)이 형성된다. 이 용질 원자에 의한 응력장이 가동 전위의 응력장과 상호 작용을 하여 전위의 이동을 방해하여 재료를 강화시키게 되는 것이다. 이러한 형태의 강화를 고용체 강화(固溶體强化, solid solution strengthening)라고 한다.
예를 들면 Cu-Ni계 합금에서 치환형 원자인 Ni을 용매 격자인 Cu속에 첨가하면 순동(純銅)보다 높은 강도를 나타낸다. 또한 Cu에 Zn을 40%이하로 첨가해도 역시 순동에 비교하여 높은 강도를 나타낸다.
고용체 강화의 효과는 2가지 인자에 의해서 결정된다. 첫째로, 용매 원자와 용질 원자 사이의 원자 크기 차이가 클수록 강화 효과는 커진다. 즉, 용매 원자와 용질 원자 사이의 원자 크기 차이가 날수록 용매 격자의 변형이 심해지므로 슬립이 일어나기가 어려워진다.
그림 16-1은 이것을 나타낸 것으로서, Cu와 원자 크기가 비슷한 Ni 이나 Zn보다는 Cu에 비해서 원자 크기가 많이 차이나는 Be 이나 Sn이 강화에 기여하는 효과가 휠씬 크다.
그림 16-1. Cu의 항복강도에 미치는 합금원소의 영향
둘째로, 첨가되는 합금 원소량이 많을수록 강화 효과는 커진다. 그림 16-2는 전율 고용체를 이루는 Cu-Ni합금에서 조성에 따른 기계적 성질의 변화를 상태도와 관련지어 나타낸 것이다. Cu의 강도는 60%의 Ni이 첨가될 때까지 증가되는 반면에 Ni은 40%의 Cu가 첨가될 때까지 고용체 강화된다. 따라서 최대 강도는 Monel이라 불리어지는 Cu-60%Ni 합금에서 얻어진다. 이 최대 강도는 상태도에서 보면 Ni 쪽에 가까운데, 그 이유는 순Ni의 강도가 순Cu의 강도보다 크기 때문이다.
한편 재료의 여러 가지 성질에 미치는 고용체 강화의 영향을 종합해 보면 다음과 같다.
가. 고용체를 이루는 합금의 항복 강도, 인장 강도 및 경도는 순금속보다 크다. 그러나 고용체 강화만에 의한 강화 효과는 그다지 큰 편은 아니다.
나. 합금의 연성은 순금속보다 낮다. 그러나 Cu-Zn계 합금에서는 그림 16-3에서 보는 바와 같이 고용체 강화에 의하여 강도와 연성이 같이 증가된다.
다. 합금의 전기 전도도는 순금속에 비해서 현저하게 떨어진다. 따라서 송전선에 사용되는 Cu나 Al 선재는 이 방법으로 강화시켜서는 안 된다.
라. 고온(<0.75Tm)에서의 크립 저항성이 순금속보다도 고용체 강화된 합금이 우수하다.
그림 16-3. 어닐링된 Cu의 고용체 강화
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