기계재료학 -기계재료와 결정구조에 대한 정리

재료란?

실제적인 물품을 만들기 위해 사용되는 소재 혹은 원료물질이다.

(재료의 종류 : 금속,중합체(플라스틱,고무),세라믹,복합재료,반도체)

기계의 부품에 사용될 조건

1.쉽게 구할수 있어야 한다.

2.가공이 용이해야 한다. (주조성,용접성,절삭성,열처리성,표면처리성)

3.기계의 성능을 장기간 보증할 수 있어야 한다.(기계 부품의 조건에 적합한 재료 특성)

4.물리화학적 특성이 우수해야 한다.(내식성,내열성,내마모성)

 

기계재료는 크게 금속재료와 비금속재료로 나뉜다.

 

금속재료는 철금속과 비철금속으로 구성되어 있는데, 철금속은 순철,강,주철이 있으며, 비철금속은 구리와 합금,니켈,경합금,아연,납,주석,귀금속,희유금속 등이 있다.

 

비금속재료는 무기질재료인 유리,시멘트,석재 등이 있으며, 유기질재료는 플라스틱,목재,고무,피혁,직물 등이 있다.

 

희유금속은 3가지로 나누어 볼 수 있다.

1)지각에 많지만 정련이 어려운 금속 : 칼슘,규소,나트륨,티타늄

2)지각에 적지만 정련이 쉬운 금속 : 비소,카드뮴,코발트

3)지각에 적고 정련도 어려운 금속 : 바륨,베릴륨,토륨,텅스텐,우라늄

금속의 특징

1.상온에서 고체이다. 단, 수은은 제외한다.(액체)

2.연성과 전성이크고 광택이 있다.

(연성 : 파괴되지 않고 늘어나는 성질, 전성 : 부서지거나 구부러지지 않고 판 모양으로 얇게 펴지는 영구변형)

3.열전도율과 전기전도율이 좋다.

4.비중과 경도가 크며, 용융점이 높다.

 

중금속과 경금속을 구분하는 기준은 비중 4.5(티타늄)을 기준으로 한다.

4.5보다 작으면 경금속, 4.5보다 크면 중금속이다.

비중 : 물에 대한 재료의 상대적 질량

용융점(녹는점) 고체가 액체가 되는 온도

W - 텅스텐 3,410도로 가장 높다. ,Hg -수은 -38.8도로 가장 낮다.

 

열팽창계수(선팽창계수,부피팽창계수)

선팽창계수 : 온도가 1도 상승할때마다 팽창하는 길이 변화

부피팽창계수 : 온도가 1도 상승할때마다 팽창하는 부피 변화

 

전기전도율 : Ag(은)>Cu>Au(금)>Mg>Zn>Ni>Fe>Pb>Sb(안티모니)

 

중합체 : 플라스틱,고무, 합성섬유 등..

1.강도와 연성이 다양하다.

2.전기전도도가 낮다.

3.밀도가 작고, 상대적으로 낮은 연화온도 또는 분해온도를 갖는다

연화온도  : 물질이 가열에 의해 변형을 일으키기 시작하는 온도
분해온도 : 물질이 분해되는 온도.

세라믹 : 금속과 비금속원소가 결합된 무기재료

1.높은 경도나 고온 강도를 가지나 취성(깨짐)이 있다.

2.내열성,내마모성,단열 특성이 양호하다.

-탄소를 주체로 하면 유기물, 그밖에는 무기물

 

복합재료 : 둘 또는 이상의 혼합체

1.각 성분이 용해되지 않고, 계면이 물리적으로 일치될 수 있다

2.각 구성재료보다 우수한 성질을 갖는다.

 

경사기능재료 : 재료의 두께 방향으로 성분과 조성을 연속적으로 변화시킨 소재

반도체 : 도체와 부도체의 중간상태의 전기 전도도를 갖는다.

 

재료의 결합 (구분짓는 가장 큰 특징은 전기전도성)

금속결합 : 금속 + 금속 ex)철 , 전기전도성은 고체 O 액체 O

이온결합 : 금속 + 비금속 ex)NaCl, 고체X 액체 O

공유결합 : 비금속 + 비금속 ex) H2O 고체X 액체 X

 

금속의 응고 : 응고점에서 결정핵이 발생 - > 결정이 성장 -> 결정입계의 형성 -> 결정체 완성

1.수지상결정(수지상정) : 결정핵이 생겨 나뭇가지 모양을 이룸

2.주상결정(주상정) : 금속주형에서 표면에 빠른 냉각으로 중심부 향해 기둥모양으로 성장한 결정

3.입상결정(입상정,등측정) : 주형의 중심부에서 응고하고 성장한 둥근 입자모양 결정

 

결정격자 - 일정한 규칙으로 배열된 결정을 구성하는 원자를 연결하여 생기는 3차원 격자

단위격자 - 결정격자의 특징을 나타내는 최소의 단위 공간

 

1.체심입방격자 BBC Cr,Mo,W,알파철,베타철(Fe동소체)

입방격자의 각 모서리와 무게중심에 원자가 배치됨 (총9개)

특징 : 강도와 경도가 크고, 용융점이 높고 연성과 전성이 떨어진다.

 

2.면심입방격자 FCC AI,Ni,Cu,Au,Ag,Pb,Pt,Y-철

입방격자의 각 모서리와 6개 면 중심에 원자가 배치

특징 : 강도와 경도가 작고,연성,전성이 좋음,가공성이 우수함.

 

3.조밀육방격자 HCP Mg,Zn,Ti,Co,Be

6각기둥의 각 모서리와 상,하면 중심 6개의 삼각기둥 중심에 원자가 배치됨

특징 : 연성과 전성이 나쁘고, 취성이 있다.

면의 밀러지수 

x,y,z 축의 단위 길의 배수를 구한다. -> 배수의 역수를 취한다. -> 최소공배수를 곱한다.

ex) 1,2,3 -> 1 1/2 1/3 -> 6 3 2 (면의 밀러지수)

 

금속의 변태 : 자기변태와 동소변태

자기변태 - 원자배열에는 변화 없으나, 자기의 크기가 변화되는것.

즉, 원자 내부에서만 변화가 일어남(고체상태에서 변화)

 

동소변태 - 고체에서 결정격자의 형성 즉,원자의 배열이 변화되는 것

동소체 : 같은 원소이나 결정격자가 다른 물질 ex) 탄소와 다이아몬드와 흑연

순철의 3가지 동소체 : 알파철(체심입방) 감마철(면심입방) 

변태점 : 어떤 변태가 일어나는 온도

 

순철의 변태점 - 기계적 성질이 좋지 않아 주로 전기 재료로 사용됨

알파철 ~910도, 감마철 ~1400도

 

고용체란, 2가지 이상의 물질이 혼합하여 완전히 균일한 고체가 되는 것.

1.치환형고용체 : 어떤 금속 성분의 결정격자 원자가 다른 성분의 결정격자원자와 바뀌어 고용된것

(원자반경크기가 유사한 경우 형성)

2.침입형고용체 : 어떤 금속 성분의 결정격자 원자 중에 다른 성분의 결정격자가 침입되어 고용된것

(원자 반경 크기가 다른 경우 형성)

결정의 결함(격자결함)

완전 결정 : 결함이 없는 결정

점 결함 : 원자 혹은 이온 크기 정도의 점 모양 결함

1.원자 공공 : 원자의 빈공간으로 공격자점 혹은 Schottky결함

2.격자간원자 : 격자점 사이에 끼인 동종원자

3.불순물원자 : 모체결정과는 다른 원자가 존재

4.공동 : 원자 공공 및 가스가 많이 모여 크게 된 빈 공간

5.Frenkel 결함 : 원자공공과 격자간 원자가 한 쌍으로 존재한 결함

 

선결함 = 전위

결정 격자에서 배열이 선상 또는 면상을 경계로 어긋난 결함

=> 버거스 벡터 : 1개의 전위선 존재에 의하여 결정 격자가 상대적으로 어긋나게 되는 정도를 나타내는 벡터, 원자지름 정도임.