결정립 미세화(grain refinement) 강화의 원리와 방법

결정립 미세화(grain refinement) 강화는 결정립의 크기를 줄임으로써 재료의 강도와 기계적 특성을 개선하는 강화기구 중 하나입니다. 결정립(grain)은 같은 결정 방위(crystal orientation)을 가지는 결정 영역을 의미합니다. 이러한 결정립의 크기는 강도, 연성 및 인성을 포함하여 재료의 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

 

결정립 미세화(grain refinement)에 의한 강화의 원리

결정립 미세화 강화의 원리는 결정립이 작을수록 인접한 결정립 사이의 계면인 결정립계(grain boundary)가 더 많아진다는 것입니다. 이러한 결정립계는 금속 및 합금의 소성 변형을 담당하는 전위의 이동에 장애물로 작용합니다. 전위가 입계를 만나면 방향을 바꾸거나 완전히 멈추게 되어 재료의 소성 변형을 일으키는 능력을 방해하게 됩니다.

 

Hall-Petch 식

Hall-Petch 식은 금속의 입자 크기와 항복 강도 사이의 경험적 관계식입니다. 식을 통해 입자 크기가 감소함에 따라 금속의 항복 강도가 증가한다는 것을 알 수 있습니다.

 

Hall-Petch 식 [1]

 

여기서 σ_y는 재료의 항복 강도, σ_0와 k_y는 재료별 상수, d는 재료의 평균 입계 직경입니다.

이러한 관계는 변형을 일으키는 전위와 같은 결함의 존재가 금속의 항복 강도에 크게 영향을 미친다는 사실에서 성립됩니다. 입자 크기가 감소함에 따라 결정립계의 밀도가 증가하고 결과적으로 전위 운동에 대한 장벽이 재료의 항복 강도를 증가시킵니다.

 

결정립 미세화 방법

결정립을 미세화하는 방법은 다양합니다. 가장 일반적인 것 중 하나는 HPT(high pressure torsion) 또는 ECAP(equal channel angular pressing)과 같은 기술을 통해 재료에 큰 변형을 가하는 방법입니다. 이러한 소성 변형이 일어나는 과정에서 입자가 더 작은 크기로 조각화됩니다.

결정립 미세화를 위한 다른 방법에는 티타늄 또는 지르코늄과 같은 물질에 결정립 미세화제를 첨가하는 것으로, 이렇게 첨가된 미세화제가 응고 중에 새로운 결정립을 형성하기 위한 핵생성 부위를 형성합니다. 분무 주조 또는 용융 방사와 같은 급속 응고 기술을 사용하면 입자 크기가 작아질 수도 있습니다.

 

결정립 미세화 강화의 효과는 재료의 초기 결정립 크기, 미세화 공정을 통해 달성된 결정립 미세화 정도, 재료 전체의 결정립 크기 분포를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 더 작은 입자 크기는 일반적으로 더 강하고 더 연성인 재료를 생성하지만 입자 경계 이동성 및 열 안정성과 같은 다른 요인이 제한 요인이 되기 전에 입자 크기를 작게 만들 수 있는 실제적인 한계가 있습니다.

 

결정립 미세화(grain refinement) 강화는 결정립의 크기를 줄임으로써 재료의 강도와 기계적 특성을 개선하는 데 사용되는 방법입니다. 이것은 소성 변형과 같은 물리적 방법이나 결정립 미세화제 첨가 및 급속 응고 방법과 같은 기술을 통해 가능합니다. 

결정립계에 따른 전위의 이동 [1]

 

참고문헌

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering, 9th Edition SI Version