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16. 4. 분산 강화
앞에서 서술한 바와 같이 분산 강화란 강화상인 제2상이 석출에 의하지 않고 인위적으로 첨가된 경우에 나타나는 강화 현상을 말한다. 기지와 부정합 상태를 이루고 있는 매우 단단한 제2상 입자가 합금을 강화시켜서 주로 고온 성질을 우수하게 한다. 이러한 합금에 사용되는 분산입자(dispersoid)는 기지에 대한 용해도와 성분 원소의 확산 속도가 작고, 융점이 높으며, 또한 형성 자유 에너지가 커서 화학적 안정성을 가져야 한다. 이러한 목적을 위해서 분산 강화형 합금 제조에는 분말야금법(粉末冶金法, powder metallurgy)이 주로 이용되고 있다.
분산 강화에 가장 흔히 이용되는 강화상은 산화물이다. 예를 들면 TD-nickel 이나 TD-nichrome은 100 ~ 1000Å 의 직경을 갖는 등축상의 ThO 2 입자를 2vol% 정도 분산시켜서 강도를 향상시킨 고온 구조용 재료이다. 이 재료와 이러한 강화 현상은 항공기 제트 엔진의 가스 터빈 블레이드(gas turbine blade)의 가동 온도인 1200℃ 정도의 고온에서도 매우 우수한 강도를 나타낸다.
한편 1970년도에 기계적 합금화(機械的 合金化, mechanical alloying ) 방법이 개발되면서 Ni기 초내열 합금에 Y 2 O 3 를 분산시킬 수 있었는데, 이렇게 제조된 합금인 Inconel-MA-753은 매우 우수한 고온 성질을 나타내고 있다.
분산 강화 기구는 2가지로 대별할 수 있다. 첫째로, 분산 입자가 석출물과 마찬가지로 전위 이동에 대한 장애물로서 작용한다는 것이다.
이 경우에는 식 16.1이 적용될 수 있다. 또 하나는 일종의 가공 경화와 분산 강화의 조합으로서 대부분의 분산 강화형 합금의 제조시에는 소성 가공이 이루어지는데, 이때 분산 입자가 전위원(dislocation source)으로 작용하여 기지 조직을 가공 경화시키게 된다.
더구나 분산 입자들이 전위를 안정화시켜서 전위가 소멸되는 회복과 재결정 과정을 방해하기 때문에 합금의 용융점에 가까운 온도에서 조차도 고강도를 유지할 수 있도록 하는 것이다.
16. 5. 결정립 미세화 강화
일반적으로 다결정 재료에 있어서 결정립계 그 자체는 고유의 강도를 갖고 있지 않으며, 결정립계에 의한 강화는 결정립 내의 슬립을 상호 간섭함에 의해 일어난다고 알려져 있다. 따라서 결정립계 면적이 클수록, 즉 결정립 크기가 작아질수록 재료의 강도는 증가한다. Hall 과 Petch 는 인장 항복 응력과 결정립 크기와의 사이에 다음과 같은 식이 성립함을 발견하였다.
여기서, σ y = 항복 강도
σ i = 결정립내에서 전위의 이동을 방해하는 마찰 응력
k = 상수
d = 결정립의 직경
이 식을 Hall-Petch 관계식 (Hall-Petch relationship)이라 하는데, 대부분의 결정질 재료의 항복 강도는 결정립 크기가 미세할수록 증가한다는 것을 나타내고 있다.
이와 같이 결정립이 미세할수록 금속의 항복 강도뿐만 아니라 피로 강도 및 인성이 개선되므로 실제로 금속 재료 분야에서 결정립의 미세화는 매우 중요한 기계적 성질 개선책으로 이용되고 있다.
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