12. 금속재료-결정구조

1. 순금속의 결정구조

대부분의 순금속의 결정구조는 면심입방, 체심입방, 조밀육방의 결정구조 중 하나 에 속하며, 아래 그림은 이들의 3종류의 단위격자를 나타내었다.

<중요한 금속격자형>

 

이들은 대칭성이 큰 결정구조이며, 즉 대칭축과 대칭면의 수가 많으며, 이들 중에서 면심입방과 조밀육방은 둥글다고 생각하는 원자를 가능한 한 밀접하게 쌓아 올려갔을 때에 생기는 구조로 되어 있다. 즉, (a)와 같이 조밀하게 배열한 원자면을 (b)에서와 같이 층층으로 쌓아올리면 면심입방격자가 되고, (c)와 같이 층층으로 반복해서 쌓아올리면 조밀육방격자가 된다.

​

즉, 각 층의 원자 위치를 각각 A, B, C로 표시할 때

……ABCABCABC……

또는

……CBACBACBA……

처럼 쌓아올리면 면심입방격자(F.C.C.)가 얻어지며, 쌓아올리는 층은 (111)의 면, 즉 8

면체의 면(octahedral plane)이다. 한편 조밀육방격자(C.P.H.)는

……ABABAB……

또는

……ACACAC……

처럼 쌓아올리면 된다.

<배열 원자면의 적층 모양>

이것이 조밀육방격자인 것이라는 것은 (c)에 의하여 쉽게 이해할 수 있으며, 이때의 쌓인 층은 육방정계의 바닥 면이다.

순금속은 원자의 지름이 같은 구가 밀접하게 서로 접하며 배열된 구조이므로, 어느 결정구조이거나 각 원자의 둘레에 근접한 같은 거리에 존재하는 원자의 수가 많다. 서로 접촉하고 있는 원자를 최근접 원자(nearest neighbours)라고 하며, 그 중심간의 거리를 근접 원자간 거리(interatomic distance) 또는 원자간 거리라고 하며, 1개의 원자를 중심으로 생각할 때 그 원자 주위에 있는 최근접 원자의 수를 배위수(coordination number)라고 한다.

원자는 서로 접하고 있으므로 근접원자간 거리는 원자의 지름과 같게 되나, 이것은 반드시 격자상수와 같지 않다.

예를 들면, 체심입방격자에서는 입방체 대각선 위에 3개의 원자가 서로 접촉하고 있으므로 단위격자의 입방체 대각선의 길이가 원자간 거리의 2배가 된다. 따라서 체심입방격자의 근접원자간 거리는 입방체 대각선의 1/2이며, 격자상수를 a라 하면 ( 3/2)a 가 된다.

또 격자상수를 알면 최근접원자의 거리가 쉽게 산출된다.

즉, 격자상수를 a라 하였으므로, 면심입방격자는 a/ 2, 체심입방격자에서는 3a/2, 조밀육방격자는 a로 된다. 그러나 조밀육방격자에서는 그 크기를 밑면 육각형의 한변 a만 가지고는 표시할 수 없기 때문에 육각기둥의 높이 c도 함께 사용된다. 하지만, 보통 c는 직접 표시하지 않고, a와의 비로 표시하며, 그 값 c/a를 축비(axial ratio)라고 한다.

즉, 조밀육방격자에서의 근접 원자간 거리가 바닥 면 위에서는 a가 되며, c축 방향에서는,

이 되고, 배위수는 밑면의 중심에 있는 원자에서 관찰하여 알 수 있듯이 12이다. 그리고 원자가 완전한 둥근 모양이며, 이것이 쌓여서 단위격자가 구성되면 조밀육방격자의 의 값은 일정하다. 조밀육방격자의 중간층에 있는 3개의 원자와 그 위 아랫면의 중심에 있는 각 1개의 원자만을 택하면 아래 그림과 같은 배열이 된다.

 

<조밀육방격자의 관계>

이것은 정사면체를 위아래로 2개 겹친 것으로, 결국 c의 값은 한 변의 길이 a인 정사면체 높이의 2배가 되며, 정사면체의 높이는 그림에서 알 수 있는 것과 같이 된다.

​

대표적인 결정계의 주요 인자를 정의하면 다음과 같다.

⑴ 최근접 원자 : 서로 접촉하는 원자

⑵ 근접원자간 거리 : 서로 접촉하고 있는 원자의 중심간거리

⑶ 배위수 : 원칙적으로는 1개의 원자 주위에 있는 최근접원자수이나, 근소한 거리

의 차에 있는 제2인접원자가 있을 경우에는 이것도 포함한 원자수를 말한다.

⑷ 충전율(packing fraction) : 단위 격자 내에 원자가 차지하는 합계의 부피를 격

자의 부피로 나눈 체적비의 백분율을 말한다.

​

​

​

2. X선에 의한 결정구조 해석

금속을 구성하는 원자의 배열이 규칙성을 갖기 때문에 산란된 X선에서 회절현상이 일어난다. 이런 결정구조 등의 검사에는 X선을 이용하며, 그 중요 사용법으로는 다음과 같은 것이 있다.

① 회절법(diffraction method) : 원자 격자구조의 측정

② 반사법(black reflection method) : 결정의 크기, 가공 변형 형상의 측정

③ 투과법(peneration method) : 주물, 용접물의 결함탐지 등

회절은 X선(ray)에 의한 분말법(powder method)으로 많이 측정된다. X선은 대개 10-6 ~10-10cm 정도의 파장을 가진 전파이므로 금속의 결정구조 연구에 적합하며, 그 파장은 고체 내에서 원자거리와 대략 같으므로 X선이 결정질에 도달하면 회절 현상이 생긴다. X선 회절법은 브래그 법칙(Bragg's raw)에 의해 설명된다.

PM1+QM1=2d sinθ

dsinθ+dsin=2d sinθ

∴nλ=2d sinθ

여기서, n : 반사의 정수

λ: X선의 파장

d : 결정면 (h, k, ℓ)의 간격

<X선의 회절 현상>

즉, X선 회절은 입사 각도 θ에서 결정면간거리 d와 파장 λ가 거의 같은 크기일 때 일어난다.

원자면에 의한 X선의 회절 현상을 보여 주고 있으며, X선의 회절 현상으로부터는 결정내의 면간거리를 알 수 있으며, 이것으로부터 그 결정의 단위격자의 모양과 그 중의 원자 위치 및 격자상수 등이 결정된다. 또 격자상수와 근접원자의 관계로부터 원자 반지름이나 지름을 구할 수 있다.

​

​

​

​

출처 : 한국산업인력공단 금속재료 자료 활용

​