재료의 구조, 결함 및 변형
재료의 강도와 변형 거동은 원자 수준에서부터 거시적인 수준까지 다양한 구조적 요소에 의해 결정된다.
이를 이해하려면 원자 구조, 결정 구조, 미세 구조 등 다양한 스케일에서 재료를 분석해야 한다. 또한, 실제 재료는 완벽한 결정 구조를 가지지 않으며, 점 결함, 선 결함, 면 결함 등의 구조적 결함이 존재하며, 이러한 결함은 변형 및 파괴 거동에 중요한 영향을 미친다.
따라서, 재료의 구조와 결함, 변형 메커니즘을 이해하는 것은 재료의 기계적 특성을 예측하고, 적절한 공학적 활용 방안을 찾는 데 필수적이다.
1. 재료의 구조
재료의 구조는 원자 간 결합 방식에 따라 크게 달라지며, 이러한 차이는 기계적 성질(강도, 연성, 전도성 등)에 직접적인 영향을 미친다. 구조를 분석할 때는 원자 구조, 결정 구조, 미세 구조의 세 가지 수준으로 나누어 접근할 수 있다.
1.1 원자 구조
- 이온 결합: 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합 (예: NaCl, MgO). 일반적으로 강하지만 깨지기 쉬운 성질(취성, Brittle)이 있음.
- 공유 결합: 전자를 공유하여 결합을 형성 (예: 다이아몬드, 실리콘). 강하지만 변형이 어려움.
- 금속 결합: 자유전자가 존재하여 전도성이 높고, 연성과 가공성이 뛰어남 (예: 철, 구리, 알루미늄).
- 반데르발스 결합: 분자 간 약한 힘으로 결합 (예: 고분자, 흑연의 층간 결합).
1.2 결정 구조
- BCC (체심입방격자, Body-Centered Cubic): 강도가 높지만 연성이 낮음 (예: 철(α-Fe), 텅스텐).
- FCC (면심입방격자, Face-Centered Cubic): 연성과 가공성이 우수함 (예: 알루미늄, 구리, 니켈).
- HCP (조밀육방격자, Hexagonal Close-Packed): 연성이 낮고 취성이 강함 (예: 마그네슘, 티타늄).
1.3 미세 구조
- 결정립 (Grain): 작은 결정들이 모여 재료를 형성하며, 크기가 작을수록 강도가 증가하는 경향(할 페치 관계, Hall-Petch Relationship).
- 결정립계 (Grain Boundary): 결정 사이의 경계로 전위 이동을 방해하여 강도를 증가시킴.
- 상 (Phase): 합금에서 나타나는 서로 다른 조성과 구조를 가지는 부분.
2. 재료의 결함
실제 재료는 완벽한 결정 구조를 가지지 않으며, 다양한 결함이 존재한다. 이러한 결함들은 재료의 변형 및 파괴 메커니즘을 결정짓는 중요한 요소가 된다.
2.1 점 결함
- 공공 (Vacancy): 격자 내 원자가 빠진 상태.
- 치환형 불순물 (Substitutional Impurity): 다른 원자가 원래 원자를 대체.
- 간섭형 불순물 (Interstitial Impurity): 작은 원자가 격자 사이에 위치.
2.2 선 결함 (전위, Dislocation)
- 엣지 전위 (Edge Dislocation): 격자가 부분적으로 삽입되어 변형이 발생.
- 스크루 전위 (Screw Dislocation): 원자층이 비틀려 있는 형태.
2.3 면 결함
- 결정립계 (Grain Boundary): 결정 방향이 다른 영역이 만나면서 형성.
- 쌍정 (Twin Boundary): 특정 방향으로 대칭적인 배열을 가진 원자층.
- 계면 (Phase Interface): 서로 다른 상(Phase)이 만나는 부분.
3. 재료의 변형
3.1 탄성 변형
- 하중을 제거하면 원래 상태로 복원됨.
- 후크의 법칙(Hooke's Law)이 적용됨:
σ = Eε- σ (응력, Stress): 단위 면적당 가해지는 힘.
- E (탄성 계수, Elastic Modulus): 재료의 강성을 나타내는 계수.
- ε (변형률, Strain): 원래 길이에 대한 변형의 비율.
3.2 소성 변형
- 일정한 응력 이상에서 영구 변형이 발생.
- 전위 이동이 소성 변형의 원인.
3.3 변형 강화 메커니즘
- 입자 미세화 (Grain Refinement): 결정립 크기가 작을수록 변형이 어려워짐.
- 고용체 강화 (Solid Solution Strengthening): 불순물 원자가 변형 저항을 증가.
- 석출 강화 (Precipitation Hardening): 석출물이 전위 이동을 방해하여 강도 증가.