7. 금속재료-금속조직

 

1. 결정의 생성과 발달

아래 그림은 순금속의 결정성장 과정을 나타낸 설명도이다.

 

(a)는 순금속을 냉각할 때 열의 방출과 더불어 온도가 강하되고, 응고점에 도달하였을 때 융체 내부의 여러 부분에 작은 결정이 발생하여 이것이 핵으로 급속히 성장되는 과정을 나타낸 것이다.

(b)는 결정의 발달을 설명하는 것으로, 1개의 결정핵이 발달하여 그 금속원자 고유의 결정격자를 이루면서 나뭇가지 모양으로 결정을 이룬다. 이런 것을수지상결정(dendrite)이라고 한다. 또 결정은 그림 (b)와 같이 ①, ②, ③의 순서에 따라 인접된 단결정이 서로 충돌, 간섭하면서 결정경계선(crystal boundary line)이 형성됨을 알 수 있으며, 결정의 핵(nucleus)이 1개로 크게 성장하면 수정과 같은 단결정이 된다.

(b) ④는 응고가 끝난 불규칙한 망상(network)의 결정경계를 나타낸 것이다. 이것을 결정입자(crystal grain) 또는 단결정(single crystal)이라고 한다. 순금속의 단결정은 보통 입상 조직(granular structure) 또는 다면체 조직(polycrystalline structure)을 형성한다.

금속은 결정질이지만, 수정과 같이 규칙적인 결정이 형성되지 못하는 것은 금속이 응고시에 결정경계에서 위에서와 같이 간섭(interference)을 받기 때문이다.

탐만(Tamman)에 의하면 응고할 때에 어떤 온도에 있어 단위시간에 단위체적의용액 내에 생기는 결정핵의 수와 과냉도(degree of supercooling)와의 관계와 같으며 용융된 금속이 응고온도 이하로 냉각되면 점성(viscosity)이 증가 되어 많은 결정핵이 생긴다.

<결정핵의 성장속도와 핵생성의 수>

결정의 크고 작음 및 핵의 수는 금속의 종류와 불순물에 따라서 차이가 있지만, 이것들이 같은 조건으로 되어 있을 때에는 냉각속도에 따라서 달라진다.

결정핵의 수는 용융점 또는 응고점 바로 밑에서는 비교적 적으나 과냉도가 증가하면 점점 많게 되어, 결국 어떤 온도에서 최대에 달하며, 다시 그 이상 과냉을 받을 때에는 발생하는 결정핵 수는 감소된다. 이 성질은 핵의 수와 과냉도 곡선에서 알 수 있으며 결정핵의 발생이 왕성한 온도범위를 급속히 통과하면 다시 결정핵이 발생하는

온도범위가 넓게 되고 결정속도가 커지는 특징이 있다.

즉, 핵을 중심으로 결정이 성장하는 속도(G)에서도 결정핵이 생기는 수(N)가 응고점에서는 대단히 적고, 응고점의 다소 아래 온도, 즉 어느 정도 과냉되었을 경우 최대가 되는 것과 같이, 응고점에 있어서 비교적 속도(N)는 작고 과냉될수록 커지는데, 대개의 경우에는 핵의 수가 최대로 되는 온도보다 다소 높은 온도로 과냉되었을 때에 최대로 된다.

따라서, 용융금속을 서서히 냉각하면 핵이 생기는 수가 적은 동안에 성장속도가 커지므로 결정입자는 굵고 거칠어지며, 빠르게 냉각하면 처음에 생긴 핵이 충분히 발달하기 전에 핵이 생기는 수가 최대로 되는 온도에 도달하여 많은 핵이 생기게 되므로,결정입자가 가늘고 작아지는 것이다.

즉, 결정핵 수(N)와 결정속도(G)의 2개는 결정 정출을 지배하는 중요한 요소이며, 최대결정속도와 최대 핵 발생 수는 원료의 성분과 냉각속도에 크게 관계되며, 결정 형성에 영향을 주는 다른 주요한 원인에는 다음과 같은 것이 있다.

① 금속의 표면장력

② 결정경계 위에 작용하는 각종 힘(force)

③ 점성 및 유동성

 

 

 

출처 : 한국산업인력공단 금속재료 자료 활용