고용체 강화

1. 정의

합금 원소가 기본 금속에 용해되어 일정 정도의 격자 왜곡을 유발하고, 그 결과 합금의 강도가 증가하는 현상.

2. 원칙

고용체에 용해된 용질 원자는 격자 왜곡을 일으켜 전위 이동 저항을 증가시키고, 미끄러짐을 어렵게 하여 합금 고용체의 강도와 경도를 증가시킵니다. 특정 용질 원소를 용해시켜 고용체를 형성함으로써 금속을 강화하는 이러한 현상을 고용체 강화라고 합니다. 용질 원자의 농도가 적절할 경우, 재료의 강도와 경도는 증가하지만 인성과 소성은 감소합니다.

3. 영향 요인

용질 원자의 원자 분율이 높을수록 강화 효과가 커지며, 특히 원자 분율이 매우 낮을 때 강화 효과가 더욱 두드러진다.

용질 원자와 모재 금속의 원자 크기 차이가 클수록 강화 효과가 커집니다.

격자간 용질 원자는 치환 원자보다 고용체 강화 효과가 더 크며, 체심 입방 결정에서 격자간 원자의 격자 왜곡이 비대칭적이기 때문에 면심 입방 결정보다 강화 효과가 더 큽니다. 그러나 격자간 원자의 고용도는 매우 제한적이므로 실제 강화 효과 또한 제한적입니다.

용질 원자와 기본 금속 사이의 원자가 전자 수 차이가 클수록 고용체 강화 효과가 더욱 뚜렷해지는데, 즉 원자가 전자 농도가 증가함에 따라 고용체의 항복 강도가 증가한다.

4. 고용체 강화 정도는 주로 다음과 같은 요인에 따라 달라진다.

기지 원자와 용질 원자 사이의 크기 차이. 크기 차이가 클수록 원래 결정 구조에 대한 간섭이 커지고 전위 미끄러짐이 더 어려워집니다.

합금 원소의 양. 합금 원소를 많이 첨가할수록 강화 효과가 커집니다. 원자의 크기가 너무 크거나 작으면 용해도 한계를 초과하게 됩니다. 이 경우 분산상 강화라는 또 다른 강화 메커니즘이 작용합니다.

격자간 용질 원자는 치환 원자보다 고용체 강화 효과가 더 크다.

용질 원자와 기본 금속 사이의 원자가 전자 수 차이가 클수록 고용체 강화 효과가 더욱 두드러진다.

5. 효과

항복 강도, 인장 강도 및 경도가 순수 금속보다 강합니다.

대부분의 경우 연성은 순수 금속보다 낮습니다.

전도성은 순수 금속보다 훨씬 낮습니다.

고온에서의 강도 손실, 즉 크리프 저항성은 고용체 강화로 개선될 수 있습니다.

가공 경화

1. 정의

냉간 변형 정도가 증가함에 따라 금속 재료의 강도와 경도는 증가하지만, 소성 및 인성은 감소합니다.

2. 서론

금속 재료를 재결정 온도 이하에서 소성 변형시킬 때 강도와 경도가 증가하는 반면, 소성 및 인성은 감소하는 현상을 냉간 가공 경화라고 합니다. 그 이유는 금속이 소성 변형될 때 결정립 사이의 미끄러짐과 전위의 얽힘으로 인해 결정립이 길어지거나, 파괴되거나, 섬유화되고, 금속 내부에 잔류 응력이 발생하기 때문입니다. 가공 경화 정도는 일반적으로 가공 후 표면층의 미세 경도와 가공 전 표면층의 미세 경도의 비율 및 경화층의 깊이로 나타냅니다.

3. 전위 이론의 관점에서 본 해석

(1) 전위 사이에 교차가 발생하고 결과적으로 절단이 발생하여 전위의 이동을 방해합니다.

(2) 전위들 사이에 반응이 일어나며 형성된 고정 전위는 전위의 이동을 방해합니다.

(3) 전위의 증식이 일어나고 전위 밀도가 증가함에 따라 전위 이동에 대한 저항이 더욱 증가합니다.

4. 피해

가공 경화는 금속 부품의 후속 가공에 어려움을 초래합니다. 예를 들어, 강판을 냉간 압연하는 과정에서 강판이 점점 더 단단해지기 때문에 가공 과정 중 열처리를 통해 가공 경화를 제거해야 합니다. 또 다른 예로, 절삭 과정에서 공작물 표면이 취성이 있고 단단해지면 공구 마모가 가속화되고 절삭력이 증가합니다.

5. 장점

냉간 가공은 금속, 특히 열처리로는 강도, 경도, 내마모성을 향상시킬 수 없는 순수 금속이나 특정 합금에 효과적입니다. 예를 들어, 냉간 인발 고강도 강선이나 냉간 코일 스프링 등은 냉간 가공 변형을 통해 강도와 탄성 한계를 향상시킵니다. 또한, 탱크, 트랙터 궤도, 분쇄기 턱, 철도 분기기 등의 경도와 내마모성을 향상시키기 위해 가공 경화를 적용하는 것도 또 다른 예입니다.

6. 기계공학에서의 역할

냉간 인발, 압연, 쇼트 피닝(표면 강화 참조) 등의 공정을 거치면 금속 재료, 부품 및 구성 요소의 표면 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

부품에 응력이 가해진 후, 특정 부품의 국부 응력이 재료의 항복 한계를 초과하여 소성 변형이 발생하는 경우가 많습니다. 가공 경화로 인해 소성 변형의 지속적인 진행이 억제되어 부품 및 구성 요소의 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

금속 부품이나 구성 요소를 스탬핑할 때, 소성 변형과 함께 강도 증가가 일어나 변형이 주변의 가공되지 않은 경화 부분으로 전달됩니다. 이러한 반복적인 교대 작용을 통해 단면 변형이 균일한 냉간 스탬핑 부품을 얻을 수 있습니다.

가공경화는 저탄소강의 절삭 성능을 향상시키고 칩 분리를 용이하게 하지만, 금속 부품의 후가공에 어려움을 초래하기도 합니다. 예를 들어, 냉간 인발 강선은 가공경화로 인해 추가 인발 시 많은 에너지가 소모되고 심지어 파손될 수도 있습니다. 따라서 인발 전에 가공경화를 제거하기 위해 어닐링 처리를 해야 합니다. 또 다른 예로, 절삭 시 공작물 표면을 취성 및 경도로 만들기 위해 재절삭 시 절삭력을 증가시키면 공구 마모가 가속화됩니다.

미세 입자 강화

1. 정의

금속 재료의 기계적 특성을 향상시키는 방법으로 결정립 미세화 공정을 들 수 있는데, 이를 결정 미세화 강화라고 합니다. 산업계에서는 결정립 미세화를 통해 재료의 강도를 향상시킵니다.

2. 원칙

금속은 일반적으로 여러 개의 결정립으로 구성된 다결정체입니다. 결정립의 크기는 단위 부피당 결정립의 개수로 나타낼 수 있습니다. 결정립의 개수가 많을수록 결정립이 미세합니다. 실험 결과에 따르면 상온에서 미세 결정립 금속은 조립 결정립 금속보다 강도, 경도, 소성 및 인성이 더 높습니다. 이는 미세 결정립이 외부 힘에 의해 소성 변형을 받을 때 더 많은 결정립에 분산될 수 있고, 소성 변형이 더욱 균일하며 응력 집중이 적기 때문입니다. 또한, 결정립이 미세할수록 결정립계 면적이 넓어지고 결정립계가 더욱 구불구불해져 균열 전파가 더욱 어려워집니다. 따라서 산업계에서는 결정립을 미세화하여 재료의 강도를 향상시키는 방법을 결정립 미세화 강화라고 합니다.

3. 효과

결정립 크기가 작을수록 전위 클러스터 내 전위 수(n)가 작아집니다. τ=nτ0에 따르면 응력 집중이 작을수록 재료의 강도가 높아집니다.

미세 결정립 강화의 강화 법칙은 결정립계가 많을수록 결정립이 미세해진다는 것입니다. 홀-페이치 관계에 따르면, 결정립의 평균값(d)이 작을수록 재료의 항복 강도가 높아집니다.

4. 결정립 미세화 방법

과냉각도를 높이십시오.

손상 치료;

진동 및 교반;

냉간 성형 금속의 경우, 변형 정도와 어닐링 온도를 조절함으로써 결정립을 미세화할 수 있다.

2단계 강화

1. 정의

단상 합금과 비교하여 다상 합금은 기지상 외에 제2상을 포함한다. 제2상이 미세한 입자로 기지상에 균일하게 분포될 경우, 상당한 강화 효과를 나타낸다. 이러한 강화 효과를 제2상 강화라고 한다.

2. 분류

전위의 이동과 관련하여 합금에 포함된 제2상은 다음과 같은 두 가지 상황을 갖습니다.

(1) 비변형성 입자의 강화(우회 메커니즘).

(2) 변형 가능한 입자의 강화(절단 메커니즘).

분산 강화와 석출 강화는 모두 2차상 강화의 특수한 경우입니다.

3. 효과

2차상 강화의 주된 이유는 2차상과 전위 사이의 상호작용 때문이며, 이는 전위의 이동을 방해하고 합금의 변형 저항성을 향상시킵니다.

요약하자면

강도에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 재료 자체의 구성, 구조 및 표면 상태입니다. 두 번째는 힘이 가해지는 속도, 하중 방식, 단순 인장 또는 반복 하중 등 힘의 상태이며, 이러한 요소들은 강도에 각기 다른 영향을 미칩니다. 또한, 시편의 형상과 크기, 그리고 시험 환경도 큰 영향을 미치며, 때로는 결정적인 요소가 되기도 합니다. 예를 들어, 초고강도강의 경우 수소 분위기에서는 인장 강도가 기하급수적으로 감소할 수 있습니다.

금속 재료의 강도를 높이는 방법은 크게 두 가지입니다. 하나는 합금의 원자 간 결합력을 증가시켜 이론적인 강도를 높이고, 위스커와 같은 결함이 없는 완전한 결정을 만드는 것입니다. 철 위스커의 강도는 이론값에 매우 근접한 것으로 알려져 있는데, 이는 위스커 내에 전위가 없거나 변형 과정에서 증식할 수 없는 소량의 전위만 존재하기 때문으로 추정됩니다. 그러나 위스커의 직경이 커지면 강도가 급격히 감소하는 문제가 있습니다. 다른 하나는 결정 내에 전위, 점결함, 이종 원자, 결정립계, 고분산 입자 또는 불균일성(예: 편석) 등과 같은 다수의 결정 결함을 도입하는 것입니다. 이러한 결함은 전위의 이동을 방해하고 금속의 강도를 크게 향상시킵니다. 실제로 이것이 금속 강도를 높이는 가장 효과적인 방법임이 입증되었습니다. 공학 재료의 경우, 일반적으로 종합적인 강화 효과를 통해 더 나은 종합적인 성능을 달성합니다.