금속재료의 강화기구 (Strengthening mechanisms)

구조재료는 물론, 기능재료에 대해서도 재료의 고강도화는 중요하다. 재료의 강화는 여러가지 방법으로 가능하지만, 강화기구를 이해하기 위해서는 역학이나 전위 (dislocation)에 대한 지식이 필요하다. 

 

고용강화: 치환형 혹은 침입형고용원자의 도입에 의한 강화.

크기가 다른 용질원자를 첨가하여 그 주변에 격자 변형을 주어 전위가 움직이기 어렵게 하는 방법이다. 금속에 합금원소를 첨가하면 고용체를 만들게 되는데, 이때 용질원자의 원자 반경이 크면 결정격자에 변형이 생기고 원자 면을 따라 슬립이 일어나기 어렵게 됨에 따라 합금의 강도가 증가한다.

 

석출강화: 주로 시효열처리에 의해 미세한 제2상 석출물을 분산시킴.

넓은 의미에서는 스피노달 분해에 의한 강화도 포함된다. 석출물 원자집단 주위의 격자 변형에 의해 전위가 움직이기 어렵게 하는 방법으로, 고용강화가 용질원자 개개에 의한 것이라면 석출강화는 석출물에 의한 것으로 구분된다.

 

분산강화: 산화물 등의 입자를 분산시킴. 단단한 재료의 작고 균일하게 분포된 입자를 모상의 재료 (matrix)에 도입 (균일하게 분산)하여 재료의 기계적 특성을 개선하는 데 사용되는 기술이다. 이러한 입자는 금속 및 합금의 소성 변형의 주요 원인인 전위 (dislocation)의 이동을 방해하는 역할을 한다.

 

가공경화: 소성변형에 따라 재료 내에 전위가 도입되게 되고, 이렇게 도입된 전위에 따라 전위밀도가 높아지게 되어, 전위들 간의 움직임을 어렵게 하여 재료를 강화하는 방법이다.

 

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

 

복합재료강화: 다른 종류의 재료를 복합화 시켜 강화하는 방법이다. 복합 재료 (composite materials)는 기계적 특성을 향상시키기 위해 모상 (matrix) 내에 재료 전체의 강화를 위해 강화상 (reinforcing elements)을 첨가, 분산시키는 복합 재료 강화 (composite materials strengthening)를 통해 만들 수 있다. 

 

금속을 강하게 하려면, 변형을 쉽게 만들어 주는 전위들의 이동을 어렵게 해야 한다. 전위는 금속원자들이 질서 없이 불규칙하게 배열되어 있거나, 격자가 뒤틀려 있는 경우에는 이동하기 어렵게 되고 결과적으로 금속이 강하게 된다.

 

재료강화에 있어 중요한 부분은 미시적인 관점에서 장애물을 도입하여 전위의 운동을 억제하는 것에 있다. 재료 내의 장애물이 많이 있을수록, 그리고 장애물이 잘 고정되어 있으면 있을수록 각각의 전위의 이동을 어렵게 하게 되어, 재료의 소성변형을 위해서는 보다 큰 응력이 필요하게 된다. 재료의 강화에 있어서 다른 방향은 단단한 제2상의 석출물을 도입하여 재료를 거시적으로 복합화 하는 것에 있다. 이것에 의해 재료 내에서는 석출물이 응력의 많은 부분을 부담하게 되어, 모상에 가해지는 응력이 모상만 있는 경우에 비해 저감되는 효과를 가지게 된다. 고용강화 (solid-solution strengthening)와 석출강화 (precipitation strengthening)는 첫번째의 방법에 따른 강화법이고, 복합재료 강화 (composite strengthening)는 두번째 방향에 의한 것이다. 분산강화 (dispersion strengthening)는 2가지 방법을 공존시켜 재료의 강화를 달성한다. 

 

장애물을 뛰어 넘는 항복과정

많은 전위 중에서 한 개의 전위만 운동하는 경우에는 거기에 따른 전단변형량이 작기 때문에 재료의 거시적인 측면에서 항복으로 이어지지는 않는다. 따라서 재료의 거시적인 항복응력에는 다수의 슬립하는 전위가 다양한 장애물을 만나서 이겨내고, 장거리 운동을 일으키는데 필요한 최소의 외부전단응력이 필요하다. 지금부터 장애물은 모두 결정립 내에서 있는 것으로 가정하자. 그래도 장애물이 거대한 경우, 전위가 장애물에 부딪치면, 거기에서 전위가 점점 쌓이게 되는 경우도 있다. 이런 경우에는 본질적으로 결정립계와 비슷한 상황이 된다. 따라서, 복합재료 강화 이외에는 그렇게 큰 장애물은 없고, 미시적인 관점에서의 장애물인 경우가 많다. 장애물이 슬립면 상에 평균간격 L로 분포하고 있다고 하고, 여기서, 1개의 슬립전위를 생각해 보면, 외부전단응력이 가해져서, 전위가 운동한다고 하면, 그림과 같이 전위의 운동은 장애물이 있는곳에서 멈춰서게 되고, 장애물과 장애물의 사이에서 전위가 늘어나는 형태가 되게 된다. 전위의 에너지가 전위의 종류와 상관없이 원호 형태가 된다.

여기에서 전위는 장애물의 위치에서, 임계 각도를 만들며 구부러지면 임계 각도를 만드는 화살표와 같이 전위의 선장력의 합력이 장애물에서의 저항력보다 커지게 되어, 전위가 장애물에서 부터 벗어나 앞으로 진행할수 있게 된다. 장애물이 강한 것일수록 임계 각도는 작아진다. 장애물이 절대적인 pinning point가 되는 경우에는 장애물 사이의 전위의 형태가 반원이 되게 되고, 임계각도는 0이 된다. 장애물이 절대적인 pinning point에 비해 약한 경우를 생각해 보면, 1개의 장애물이 전위에 작용하는 최대저항력을 F라고 하면, 전위를 장애물로 부터 분리시켜 장거리 이동에 필요한 외부 전단응력은 다음과 같이 된다.

고정이 강한 장애물: 전위가 반원형이 될 때까지 늘어나게 된다.

고정이 약한 장애물: 전위는 반원형이 되기 전에 되기 전에 장애물로 부터 벗어나게 된다.

 

참고자료

[1] 加藤雅治: "入門転位論", 裳華房 (1999)