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재료공학110

마레이징 강 (Maraging)이란? 펜싱의 검은 어떤 재료로 만들까요?정답은 마레이징 강(Maraging은 "martensite"와 "aging"의 합성어)입니다. 마레이징 강은 높은 강도와 인성을 가지면서도 연성을 잃지 않는 것으로 알려져 있습니다. 여기서 "aging"이란 시효 열처리를 말하며, 장시간의 열처리 과정을 의미합니다. 이 강철은 매우 낮은 탄소 함량의 초고강도 강철로, 그 강도는 탄소에서 오는 것이 아니라 금속간 화합물의 석출에서 비롯됩니다. 주요 합금 성분은 15~25 중량%의 니켈입니다. 코발트, 몰리브덴, 티타늄과 같은 이차 합금 원소들은 금속간 석출물을 형성하기 위해 첨가됩니다. 1950년대 후반 Bieber가 Inco에서 개발한 초기 연구는 20~25 중량%의 니켈 강철에 소량의 알루미늄, 티타늄, 니오븀을 첨가하.. 2024. 8. 7.
원자 결함과 Kirkendall 효과 결정성 고체와 원자 결함 고체 상태 물리학이 탄생한 것은 막스 폰 라우에 (Max von Laue) (1879–1960)가 결정에서 X선의 회절을 감지한 때입니다. 라우에의 실험은 일반적으로 고체 물질이 원자의 3차원 주기적으로 배열하고 있다는 것을 입증했습니다. 그의 발견은 1912년에 프리드리히와 니핑과 함께 발표되었으며, 이 결과로 1914년 노벨 물리학상을 받았습니다. 하지만, 라우에의 이상적인 결정 (crystal) 상태는 '죽은' 상태의 결정입니다. 고체 상태의 확산과 많은 다른 특성은 이러한 이상적인 상태에서 벗어나는 것이 필요합니다. 러시아 물리학자 야코프 일리치 프렌켈 (Yakov Il'ich Frenkel) (1894–1952)은 고체 상태 물리학 분야에서 무질서의 개념을 처음 소개한 .. 2024. 2. 20.
브라운 운동 (Brownian motion) 브라운의 발견 액체에 떠다니는 작은 입자의 불규칙한 운동 현상은 스코틀랜드 과학자 로버트 브라운 (1773-1858)에 의해 발견 되었습니다. 브라운은 목사의 아들이었습니다. 그는 에든버러 대학에서 의학을 공부했지만 학위를 받지 못했습니다. 그는 21세 때에 새롭게 만들어진 스코틀랜드 군단에 복무하기 시작했습니다. 그 시점에서 그는 의학이 아닌 식물학에 진정한 흥미가 있다는 것을 알게 되었고, 그 시점에 이미 식물학자로서 어느 정도의 명성을 쌓은 상태였습니다. 1798년에 그의 군단을 모집하러 런던을 방문했을 때, 그는 왕립 학회 회장이었던 식물학자 Sir Joseph Banks를 만나게 되었고, 해양부에서 자연사 연구원으로 추천 받아 항해를 하게 되었습니다. 브라운은 호주에서 다양한 식물을 폭넓게 수집.. 2024. 2. 19.
확산 (diffusion) 연구에 대해서 확산은 원자 또는 분자의 브라운 운동에 의해 완전한 혼합 상태로 변하는 과정을 말합니다. 기체에서는 확산이 매우 빠른 속도로 진행되며, 액체에서는 일반적으로 초당 수 mm 정도의 오더의 속도로 일어납니다. 고체에서는 확산이 상대적으로 느리며 확산 속도는 온도가 낮아질수록 감소합니다. 금속의 용융 온도 근처에서의 일반적인 속도는 초당 약 1 마이크로미터 정도이며, 용융 온도의 절반 근처에서는 나노미터 정도로 느려지게 됩니다. 고체의 확산에 대한 과학은 19세기에 시작되었지만 과거의 금속을 다루는 장인들은 이미 확산 현상을 응용하여 철기의 칼이나 더 이전에는 금 도금 구리나 브론즈로 된 물건을 만들기도 했습니다. 확산에 대한 과학은 여러 중요한 기초연구를 통해 확립되었습니다. 가장 중요한 것들은 다음과 같습.. 2024. 2. 9.
타이타늄 합금에 대해 타이타늄 합금에 대해 알아봅시다. 최근 아이폰15의 바디를 타이타늄으로 만들었다는 것을 크게 홍보하더군요. 타이타늄 합금이 그만큼 가볍고, 튼튼하다는 인식이 있다는 의미인 것 같기도 합니다. 1. 타이타늄 합금의 특징 타이타늄 합금은 주로 타이타늄(Ti)에 다른 금속 원소들을 결합하여 만들어집니다. 경량성: 타이타늄은 아주 가벼운 금속으로, 강철보다 약 45% 가벼운데도 불구하고 매우 강한 강도를 가집니다. 이러한 경량성은 항공 우주 산업 및 자동차 제조와 같은 분야에서 중요한 장점으로 작용합니다. 내식성: 타이타늄 합금은 내식성이 뛰어나다는 특징이 있어, 부식 및 부식에 대한 저항이 우수합니다. 이러한 특성은 해양 및 화학 산업과 같이 부식 환경에서 사용되는 장비에 적합합니다. 고온 안정성: 타이타늄 .. 2023. 10. 23.
공정 합금 (eutectic alloy)에서의 미세조직 변화 Tin-Lead, 주석과 납의 2원계 상태도에서 미세조직의 변화를 생각해 봅시다. 위의 그림과 같이 합금의 조성이 C1인 경우, 액체 상태 영역 내의 온도에서 느리게 냉각되는 상황을 생각해 봅시다. 예를 들어, 350°C에서 더 아래로 이동하는 수직의 점선에 해당합니다. 합금은 C1 조성을 가진 채로 액체 상태로 남아 있으며, 약 330°C에서 액상선(liquidus line)을 넘어가면 고체 alpha 상이 형성되기 시작합니다. alpha상 + L 상 공존 영역을 통과하면서, 계속해서 냉각하면 더 많은 고체 alpha상이 형성됩니다. 또한, 액체 및 고체 상태의 조성은 각각 액상선과 고상선 경계를 따라 이동하며 달라지게 됩니다. 조성 C2에서의 평형상태의 냉각 시 미세조직이 어떻게 변할지 생각해 보겠습.. 2023. 10. 15.
2원계 공정 상태도 (eutectic phase diagram) 위의 구리-은 2원계 상태도는 대표적인 공정 반응(eutectic reaction)을 보여줍니다. alpha 상의 용해 한계는 상 영역을 나누는 경계선인 CBA를 따라 형성된다고 생각할 수 있습니다. 이 경계선은 저온에서 온도에 따라 증가하여 B 지점에서 최대값 (8.0 wt%의 Ag, 779°C)에 이르게 됩니다. B에서 C를 연결하는 고체 용해 한계선을 solvus line이라고 합니다. AB는 solidus line이라고 합니다. beta 상의 경우에도 solvus line과 solidus line인 HG와 GF가 존재하며, 구리의 beta 상에서 최대용해량인 지점 G(8.8 wt% Cu)도 779°C에서 발생합니다. 이러한 최대용해량을 나타내는 두 지점 사이를 이어주는 수평선 BEG는 조성축에 평.. 2023. 10. 14.
Ni-Sn 상태도 / Ni-Sn phase diagram Stable compounds: Ni3Sn4, Ni3Sn2, Ni3Sn Ni은 Cu의 확산억제층으로서 주로 활용됩니다. Cu의 Sn으로의 확산속도는 매우 빠르기 때문에, Cu-Sn 금속간화합물의 성장이 쉽게 일어나고, 확산속도의 불균형으로 인해 Kirkendall effect가 일어날 수 있습니다. 이러한 Kirkendall effect로 인해서 Cu3Sn 금속간화합물과 Cu의 계면 사이 정확히 말하면, Cu3Sn 내부의 계면 부근에서 void가 생기게 되는데, Kirkendall void라고 합니다. 이런 저런 이유로, Cu의 확산을 억제할 필요도 있고, 또한 Cu는 산화가 잘 일어나기 때문에 산화 방지의 목적으로 Ni을 도금하여 접합 계면을 형성하게 되는데, 이때 Ni3Sn4 금속간화합물이 쉽게 생성.. 2023. 10. 3.
Cu-Sn 상태도 / Cu-Sn phase diagram Sn rich composition에서 공정반응(eutectic reaction)이 존재하며, 반도체 미세접합에서 많이 활용됩니다. 이 때 Cu6Sn5와 Cu3Sn 두 가지 금속간화합물이 생성되고, 디바이스의 사용환경의 낮은 온도에서도 장시간 노출 시 성장하게 됩니다. 이렇게 생성되고, 성장하는 금속간화합물은 기계적으로 취약하고, 전기저항도 높아, 많이 성장하는 경우, 접합부의 기계적, 전기적 특성을 나쁘게 합니다. 실제 이원계 상태도를 확인하게 되면, 총 4가지의 안정한 금속간화합물이 존재하지만, 일반적인 접합조건과 환경시험 조건 하에서는 위에 언급한 두 가지의 금속간 화합물이 생성 가능합니다. 2023. 10. 3.

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