13. 금속재료-금속가공

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1. 금속의 소성변형

금속 가공은 절삭가공과 비 절삭가공, 즉 소성가공으로 분류된다. 그리고 소성가공 (plastic working)이란, 가공변형의 원인이 외력이고, 이 외력에 의하여 재료내부에 생기는 응력(stress)이 제거되었을 때 재료가 원상으로 복구하는 탄성변형(elastic deformation)과 비교되는 외력이 제거되어도 금속재료에 변형에 남는 소성변형(plastic

deformation)을 일으키는 가공을 말한다.

압연, 단조, 인발 및 프레스 등의 소성가공 정도는 재료의 소성영역에서 역학적 특성에 의하여 지배된다. 재료의 변형과정 중에 회복현상이 생기지 않는 조건하에서의 가공방법, 즉 냉간가공에서는 가공 중에 재료가 심하게 경화하여 원하는 형태를 얻기전에 파괴될 수 있다. 한편, 열간 가공은 변형 중에 회복 및 재결정이 생기는 조건하에 가공하기 때문에 보다 큰 변형이 가능하다.

일반적으로 금속은 이와 같은 소성의 범위가 넓은 특징을 가지고 있으므로 이것을 이용하여 공업적으로는 금속 및 합금의 판(plate), 관(pipe), 봉(bar), 선(wire), 단조품 등이 만들어진다.

탄성변형은 흔적을 보기가 어려우나 소성가공으로 생긴 소성변형은 금속현미경 조직 및 X선(x-ray) 실험을 통하여 재료의 변형을 측정할 수 있다.

금속재료는 소성변형을 받으면 그 성질이 변화한다. 그러나 이것을 가열하면 그 성질이 변형 전과 같이 돌아갈 수 있다. 이 가열 조작을 풀림(annealing)이라 한다.

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2. 단결정의 소성변형

하나의 결정만으로 되어 있는 단결정에 탄성한도 이상의 외력을 가하여 소형변형을 일으키면 단결정은 변형한다. 이 변형은 슬립(slip)에 의한 경우와 쌍정(twin)에 의한 경우가 있으며, 금속이 변형하는 것은 이 두 가지 기구에 의해서 이루어지며, 슬립과 쌍정에 의한 변형기구는 아래 그림과 같다.

 

<슬립과 쌍정에 의한 소성 변형>

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가. 슬립변형

(a)는 소성변형 전의 원자배열을 나타낸 것이다.

여기에 화살방향으로 인장력을 가하면, (b)와 같이 결정내의 어느 부분이 일정한 면을 따라서 슬립을 일으키고 어느 방향으로 이동한다. 즉, 슬립선을 따라 슬립방향으로 층상이동하면서 슬립띠(slip band) 또는 슬립선(slip line)이 생긴다.

(b)에서와 같이 미끄럼을 일으키는 변형현상을 슬립변형이라고 하며, 겹쳐 놓은 상자가 미끄러지는 형태와 유사하다. 금속이나 합금이 변형하는 대부분의 경우는 한 개 결정의 슬립변형이 집합된 결과 일어난다고 생각되며, 슬립면은 원자밀도가 가장 조밀한 면, 또는 그것에 가까운 면이고, 그리고 슬립방향은 원자간격이 가장 작은 방향이다. 이것은 그와 같은 면에서 같은 방향으로 이동하는 것이 에너지가 가장 적게 들기 때문이다.

그러나 온도가 높아지면 원자의 열진동 에너지(energy)가 크게 되므로 다른 면에서도 이동할 수 있게 된다. 그리고 슬립(slip)이 생겨도 결정형에는 변화가 없고 또한 결정의 불연속도 생기지 않는다.

앞에서 설명된 슬립면(slip plane)과 슬립방향(slip direction)의 조합을 슬립계(silp system)라 하며, 금속은 슬립계가 많은 금속일수록 소성변형하기 쉽다. 따라서 육방정계에 속하는 금속이 가장 가공이 곤란하다. 실제로 Zn, Mg, Be 등은 가공하기 어려운 금속들이다.

인장 시험편의 표면에 나타나는 슬립선을 자세히 관찰하면 국부적으로 슬립선이 휘어져 있는 부분(lattice bending)을 볼 수 있다. 이와 같은 부분은 상당한 넓이를 가진 띠모양으로 나타나므로 변형띠(deformation band)라고 하며, 이 부근에서는 결정격자의 굽힘이나 회전(lattice rotation)이 일어나고 있다.

이때의 격자 굽힘이나 회전은 슬립면 안에 있어서 슬립방향에 수직한 방향을 축으로 하여 일어난다. 변형대의

생성은 한 개의 슬립면 위에서 미끄럼을 일으킬 수 있는 거리에 한도가 있으므로 변형이 국부적으로 불균일하게 되기 때문이며, 변형대는 면심입방의 금속이나 체심입방의 금속에서는 나타나나 육방계 금속에서는 나타나지 않는다.

육방계 금속에서 볼 수 있는 특정적인 변형에는 킹크 밴드(kink band)가 있다. 이것은 Cd, Zn과 같은 육방계 금속을 슬립면에 수직으로 압축하면 미끄럼을 일으키기가 곤란하므로 아래 그림과 같이 변형한다.

이런 변형을 킹크(kink)라 하고, 킹크에의하여 생긴 변형 부분을 킹크 밴드라 한다.

<킹크밴드>

 

P를 킹크면(kink plane)이라 하고, 이 면(plane)에서 결정의 방향이 급격히 변하고 있다. 킹크 밴드는 변형대의 특별한 경우이다.

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나. 쌍정변형

소성변형에는 슬립변형 외에 쌍정(twin)이 있다. 쌍정이란 특정의 평면을 경계로 하여 처음의 결정과, 앞의 소성변형의 모형도와 같이 거울 면에서 경계하는 것과 같은 원자배열을 가진 결정의 부분을 말한다. 즉 한 쪽의 결정이 회전을 일으킨 것과 같은 위치에 이동하여, 다른 쪽의 회전을 일으키지 않은 결정과 거울면에서 양쪽의 원자가 서로 대칭적인 위치에 배열된 부분을 말한다. 이와 같은 이 거울 면을 쌍정면이라고 하며, 쌍정형성의 특징은 원자의 전단적인 이동에 의하여 형성 되는 것인데, 이 전단이 일어나는 방향을 쌍정방향(twinning direction)이라 한다.

쌍정변형에서 그 이동거리는 쌍정면에서의 거리에 비례하여 증가한다.

쌍정(twin) 형성은 일종의 응력완화현상이나 이와 동시에 결정의 방위가 변함으로써 새로운 슬립계(slip system)가 작용하기 쉽게 되는 것이 쌍정형성의 중요한 역할이다. 따라서 미끄럼계가 적으므로 소성변형하기 어려운 조밀육방정의 금속에서는 쌍정이 주요한 변형방법이 되며, 변형할 때에 많은 쌍정이 나타나고, 체심입방의 금속에서

도 변형할 때에 쌍정이 나타난다.

조밀육방이나 체심입방 금속이 어느 것이나, 특히 충격적인 하중이나 낮은 온도에서 변형할 때에 많이 나타나며, 미끄럼계가 많은 면심입방의 금속에서는 변형할 때에 쌍정의 형성은 별로 없다. 금속들에서는 Sn, Sb, Bi는 대단히 쌍정이 생기기 쉽고, 다음으로 Zn, Cu, Mg 등이생기기 쉬우며, Fe에서는 γ-Fe(면심입방격자)이 쌍정이 생기기 쉽고, α-Fe은 상온에서는 쌍정이 생기지 않으나 저온에서는 쌍정이 생기는데, 이 쌍정은 특히 나비가 좁은 것이 특징으로써 뉘만 밴드(Neumann band)라고 한다.

쌍정의 발생에는 2가지 형식이 있다. 즉, 기계적 쌍정(mechanical twin)과 풀림쌍정 (annealing twin)이다.

기계적 쌍정은 기계적인 외력, 즉 결정의 변형에 의해 나타나는 것으로 변형쌍정 (deformation twin)이라고도 하며, α-Fe에서 저온가공 때에 또는 충격시험에서 잘 나타난다.

풀림쌍정(annealing twin)은 가공한 금속을 고온으로 가열할 때, 결정립계의 이동에 따라서 형성되며, 면심입방의 금속에서 가끔 나타난다.

그러나 모든 쌍정에서는 원자의 이동은 원자 간격보다 적으므로 쌍정으로는 큰 영구변형을 일으킬 수는 없기 때문에 큰 소성변형은 미끄럼변형에 의존하게 된다.

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다. 전위(dislocation)

금속의 결정에 외력이 가하여지면 슬립(미끄럼) 또는 쌍정을 일으켜 변형한다. 슬립을 일으키는 데에 필요한 힘은 슬립면에 따라서 원자의 위치를 상대적으로 이동시키는 데 필요한 힘으로, 이 힘은 슬립면 위에서 원자가 어느 안정한 위치로부터 옆의 안정한 위치로 이동하는 사이 원자에 작용하는 힘을 가정하여 계산할 수 있다. 이렇게 이론적으로 구한 전단 응력의 값과 실제의 측정값을 비교하면 이론값이 103배 이상이나 크다. 이동하는 원자에 작용하는 힘에 관한 가정을 여러 가지로 보정하여도 역시 102배 이상의 차이가 생긴다.

이러한 사실을 설명하기 위하여 슬립이 일어날 때에는 원자면 전체가 동시에 이동 하는 것이 아니고 원자가 1개씩 이동하여 간다고 생각하게 되었으며, 생각에 따라 이런 슬립이 일어나는 과정을 나타낸 것이 전위이론이다.

<전위의 이동에 의한 슬립 변형>

탄성변형의 범위에서는 외력을 제거하면 변형 이전의 처음 상태로 되돌아간다. 그러나 외력이 증가하여 어느 한 곳에 미끄럼이 생기면 다음 차례로 미끄럼이 전하여져서, 나중에는 다른 쪽 끝에 이르러 1원자간 거리의 이동을 일으킨다. 즉 슬립면의 위와 아래에서 하나의 원자면이 중단된 곳을 전위(dislocation)라 하며, 이와 같은 원자의 배열상태에서는 전위의 두 쪽에서 원자에 작용하는 힘이 상대적이기 때문에 중심의 원자만을 움직이는 데에 필요한 힘은 비교적 작아도 되며, 미끄럼을 일으키는 데에 필요한 전단력의 값은 훨씬 적어진다. 전위는 결정내부에 작은 결함이 있다고 가정하는 점에서 출발하여 생기게 되며, 일반적으로 불완전한 격자에서부터 생긴다. 앞에서도 설명하였듯이 금속결정에 큰 외력을 받으면 금속 내부에 변형이 생기고, 또한 이것으로 재료에는 잔류응력(residual stress)이 생기므로, 이와 같이 미끄럼을 일으키는 외력이 크면 가공경화의 정도가 크게 되어 재료의 미끄럼 면에 따라서 파단이 생기게 된다.

<전위의 중심>

위 그림은 결정격자에 결함이 있는 것을 나타내었으며, 여기서 A는 전위중심이라고 하며, A를 통하여 지면에 수직된 선을 전위선(dislocation line)이라고 한다.

전위선이 반드시 직선으로 되는 것은 아니다.

전위에는 보통 전위인 칼날전위(edge dislocation)와 축의 주위를 1회전 시키면서 1격자가 이동하는 식의 나사전위(screw dislocation) 등이 있으나, 실제 문제에서는 각종 전위가 혼합된 혼합전위(mixed dislocation) 상태로 있다. 또 전위가 1회 결정 안을통과한다면 1원자 간격(버거스 벡터)의 미끄럼이 생기는 데 불과하나 실제 결정의

미끄럼에서는 대단히 많은 전위가 발생하여 이것들이 이동함으로써 눈으로 볼 수 있을 정도의 미끄럼이 발생하는 것을 쉽게 알 수 있다.

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출처 : 한국산업인력공단 금속재료 자료 활용

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