용접기술사 Part.2 고용과 강도

오늘은 금속의 강화기구 중 "고용에 의한 강화(석출경화 혹은 합금)"에 대하여 알아보겠습니다.

강화는 금속에서 아주 중요한 부분이죠. 대부분의 엔지니어링(금속에 대한)의 목적이 여기 있다고 해도 과언이 아닙니다. 아래 내용은 개인적인 이해를 통한 부분이기 때문에, 사실 지금 기술사 공부를 시작하고 나서 기존에 알고 있던 용어와 많이 헷갈리기 때문에 아래 내용은 정확하게 맞지 않을 수도 있습니다. 감안하고 포스팅 봐주시기 바랍니다(저도 배우는 입장이라..)

금속의 강화는 기본적으로 전위(Dislocation이라고 표현하는 것이 좀더 와 닿을수도 있습니다)와 아주 밀접한 관련이 있습니다. 이런한 전위가 이동하고 같은 극을 만나고 이동하고(위로,아래로,옆으로) 합쳐지는 것을 통해서 금속이 강화됩니다. 기본적인 개념은 전위의 이동을 방해하는 요소가 많을 수록 금속의 성질이 강해지는 쪽으로 작용된다고 이해하시면 됩니다.

1.전위의 이동을 방해하는 요인은?

전위의 이동을 방해할 수 있는 요인은 여러가지가 있습니다.

기본적인 개념은 전위가 이동할 수 있는 방향 Slip 면에서의 이동을 어렵게 하는 것입니다.

장애물이 있으면 돌아가거나 이동이 어렵듯이 전위도 마찬가지의 개념으로 이해하면 될것 같습니다.

그러한 장애물은 입계 Grain boundary가 될수도 있고, 결정구조가 될수도 있고, 치환이나 침투성 원자가 될수도 있습니다. 입계면의 경우, 입계의 면이 맞닿지 않는 경우 Slip면을 따라서 이동하는 전위가 입계를 넘어갈때 많은 에너지(힘)이 필요하게 됩니다. 그러므로 이 경우 강도가 세진다고 할 수 있습니다.

이걸 요약하자면, 결정구조를 왜곡지키면 전위의 이동을 방해할 수가 있습니다. 그런 전위의 이동의 방해는 합금처리를 하거나 열처리를 하여 전위가 이동하는 길목에 장애물을 넣으면 이동이 어려워지기 때문에 소성변형이 어려워 지면서 강도가 증가합니다.

이러한 전위의 이동을 방해하는 것은 여러가지 요인이 있는데 기본적으로 금속은 대부분 단결정이 아닌 다결정상태이기 때문에, 피로 및 진동 Fatigue가 많이 발생하는 부분은 피로균열을 예방하려 결정을 줄이는 방식으로 Engineering이 발달했습니다. 만들기 어려운 방법이죠. 이게 메이커들의 노하우 인거 같습니다.

2.그렇다면 석출에 의한 강화 Mechanism은?

위에서 이야기 한데로 전위가 이동하는 골목에 장애물을 넣으면(합금) 강도가 증가하게 되는데 이를 다른 말로 이야기하면 A라는 금속에 B라는 금속을 고용하면 됩니다. B라는 금속이 고용되었다고 가정하면 고용도 이상으로 고용되었을때-> A속에서 B금속이 석출하기 시작합니다. 다만 이때 완전하게 자체 결정구조를 이루지 못하고 불완전한 화합물의 형태로 존재하게 됩니다.

그후, 석출이 더 많아지게 되면 B금속이 자체 결정구조를 이루기 시작하면서 A금속과 분리되기 시작합니다. 이러한 과정을 거쳐 석출이되게 되어지는데, 이 경우 완전한 결정구조를 이루게 되면 오히려 강도는 강도하게 됩니다. 왜곡이 점점 약해지기 때문이죠.

즉, 금속의 강도는 금속내부의 결정구조가 어지러워 질수록 전위가 통과하기 어렵기 때문에 강도가 증가한다고 볼수 있습니다. 이는 다른 경우로도 설명할 수 있는데, 전위선이 지나가고 있고 석출물이 그 경로상에 존재한다고 하면(석출물이 단단한 경우에 예를 들어 Cr이라고 하면) 아래와 같이 휘어지게 됩니다.

나중엔 휘어지다가 전위환을 형성하며 전위는 빠져나오고 Slip Plane을 따라서 계속 진행하게 되죠. 휘어지는 과정과 전위환을 형성하는 과정에서 기존에 있던 전위가 길어지므로, 그만큼 많은 에너지가 지나가는데 소모되게 되고 이는 즉 전위를 옮기는데 많은 에너지가 들어간다는 이야기와 같으므로 강도가 증가한다는 말입니다.

전위의 길이가 길어질수록 강도가 증가하는데, 여기서 용접에서의 Grain Size와 좀 연계되는 개념이 나옵니다. 석출물이 강도가 있고, 석출물 사이의 간격이 좁을수록 전위가 통과하기 어려운데 이럴때는 같은 크기의 석출물을 균일하고 촘촘하게 석출시킬수록 강도가 증가합니다. 이말은 용접을 하고나서 Grain 을 Fine하게 유지하면 강도가 증가하는 것과 일맥상통합니다. 석출 모양과도 연관이 있는데 최대 강도는 긴 모양으로 침상이면서(Acicular) 조직자체가 Fine하면 강도가 높아지면서 Stress에도 강하다고 알려져 있습니다.

Grain은 사실 결정립계에 의한 강화인데 비슷한 내용이라 하나로 묶어서 생각하면 좀더 기억하기 쉬울거 같습니다.

금속을 목적에 맞게 사용하기 위하여 강도를 높이는 과정은 금속을 사용하는데 필수적인 요소인데, 이러한 강도를 석출물(침입형, 치환형)을 고용함에 따라서 강도를 높이고 석출물의 모양을 조정함에 따라 Toughness 또한 높일 수 있다는 점이 중요한 점입니다. 다음시간에는 연속되는 시간으로 열처리에 대하여 알아보겠습니다.

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