금속의 결정 구조, BCC, FCC, HCP

금속의 결정구조란?

 

<기출 - 금속재료>

23-1-1	1. 상온에서 주요 금속의 일반적인 결정구조 조건하에서 아래 표의 배위수와 충전률을 채우시오.
23-1-13	13.HCP 금속의 소성가공이어려운이유를설명하시오.
15-1-1	1. 금속원소의 결정구조 3 가지에 대하여 각 결정구조에서 충전율 (packing factor, %)을 구하시오.
15-1-3	3. 결정 계의 7 가지 종류와 각 결정계의 축길이， 축각에 대하여 설명하시오.
23-1-2	2. 상자성체와강자성체의차이점을설명하시오.
22-3-2	2. 오스테나이트 상이 페라이트(α) 상으로 변태할 때 결정 구조학적으로 일어나는 부피 변화율을구하시오. (단,원자반지름은고정되어있고원자들은서로hardsphere로충진되어있다고가정하시오.)
17-1-2	2. 금속의 응고 시 결정입자의크기에대하여설명하시오.

20-1-1	1. 금속을 결정구조에 따라 크게 Al, Cu, Ni 등을 포함하는 A그룹과 Ti, Mg 등을 포함하는 B그룹으로 나눌 때 B그룹이 A그룹에 비해 연신율이 작은 이유를 결정구조 관점에서설명하시오.
20-4-2	2. 합금강에서Hall-Petch관계식을쓰고,이식의의미를전위(dislocation)이동과연계하여설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 금속 결정의 정의

 금속과 같이 상온에서 원자가 규칙적으로 배열하여 있는 것 
다양한 모양과 크기의 결정입자(grain)가 무질서하게 결합되어있지만, 각가의 결정립 내를 보면 원자들이 규칙을 이루면서 배열되어있음. 

결정입자(grain)

 

2) 금속의 결정계 종류

금속 결정계는 각각 좌표축에 따른 단위길이의 평형이동의 조합으로 나타낼 수 있음 
결정계는 7가지 (7결정계), 결정격자는 14가지 (브라베이스, bravais 14결정격자형)

대부분의 금속의 단위격자는 체심입방격자(BCC), 면심입방격자(FCC), 조밀육방격자(HCP)에 해당한다 

금속 결정계의 결정요소

금속 결정계와 결정격자

 

2. 주요 결정격자 

 

1) 주요 결정격자의 특징

대부분 금속의 단위격자는 체심, 면심, 조밀 3종류에 해당한다

원자충전율을 보면 BCC결정구조를 가지는 a철이 FCC결정구조를 가지는 r철보다 밀도가 작다 (충전율이 작다). 따라서, 동소변태 전, 온도에 따라 체적이 계속 팽창하다가 a철이 r철로 변태하면 갑자기 체적이 수축하게 됨

탄소의 고용도는 원자충전율이 높은 FCC가 더 높은데, FCC 결정격자 중앙에 큰 공간이 기워져 있어 탄소가 쉽게 비집고 들어갈 수 있기 때문이다 (충전율은 높고, 밀도 또한 높지만, 실질적으로 탄소가 들어갈 수 있는 공간이 FCC가 더 크다) 

실제 순철 기준, 오스테나이트가 페라이트보다 약 100배정도 탄소를 더 함유할 수 있음  

체심입방격자, 면심입방격자, 조밀육방격자

(1) 체심입방격자 (BCC; Body-Centered Lattice)

체심입방격자, 블로그

입방체의 각 꼭지점에 8개의 원자가 둘러싸여있고, 중심에 1개의 원자가 배열된 결정격자

면심입방격자보다 전연성은 적으나 금속 자체는 강함 

• 전체 원자수 : 2개 (1/8 x 8 + 1)
• 원자충전율 : 68% (격자공간 32%)
• 배위수(coordination number, 그 원자 주위에 있는 최근접 원자의 수) : 8개 

(2) 면심입방격자 (FCC; Face-Centered Lattice)

면심입방격자, 블로그

입방정의 각 모서리와 각 면의 중심에 각각 1개의 원자가 배열되어있는 결정격자

전연성이 크기 때문에 가공성이 좋음 

• 전체 원자수 : 4개 (1/8 x 8 + 1/2 x 6)
• 원자충전율 : 74% (격자공간 26%) 
• 배위수 : 12개 

(3) 조밀육방격자(HCP; Hexagonal Close-Packed Lattice)

조밀육방격자, 블로그

육면체 형태로 원자가 배열되어 있는 결정구조 

취약하며 전연성이 적음 

• 전체 원자수 : 6개
• 원자충전율 : 74% (격자공간 26%)
• 배위수 : 12개

조밀육방격자의 소성가공이 어려운 이유

소성가공이라 함은, 금속결정격자의 이동, 전위의 이동, 슬립, 쌍정으로 구분된다 (근본 이론은 전위론)
합금의 강화는 코트렐 효과(COTTRELL EFFECT)와 같이, 전위이동이 합금화에 의해 방해를 받기 때문에 발생된다. 가공경화 또한 금속에 응력을 가해서 전위가 격자를 통과하여 슬립이 발생하면, 다른 전위가 발생하고 이것이 추가적인 슬립을 방해하는 방향으로 작용함에 따라 임계전단응력이 증가하는 현상으로 설명할 수 있다.

온도를 높이면 금속원자의 열진동이 커지고 전위선이 통과하기 쉽게 되는데, 이는 임계전단응력의 감소를 의미하고 크리프 현상(CREEP EFFECT) 또한 이 현상으로 볼 수 있다. 

금속에 외력을 가하면 원자면에 전단력이 발생해, 결정격자가 슬립방향으로 이동하며 집단슬립을 하며 슬립선이 생긴다.
이때 슬립면은 원자 밀도가 가장 조밀한 면이며, 슬립 방향은 원자 간격이 가장 작은 방향으로 생긴다.
따라서, 해당 슬립이 잘 발생하는 결정격자가 소성변형(소성가공)이 용이하다고 할 수 있으며, 면심입방격자(FCC)는 슬립시 12개의 조밀한 슬립계를 가져 소성변형이 쉽다고(슬립의 발생이 쉬워) 할 수 있으며, 조밀육방격자(HCP)는 3개의 슬립계를 가지기 때문에 상대적으로 소성변형이 어렵다고 할 수 있다.

소성 이론, 응력변형률 선도, 재료의 성질, 슬립, 쌍정, 전위, 비강도

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Q.  금속을 결정구조에 따라 크게 Al, Cu, Ni 등을 포함하는 A그룹과 Ti, Mg 등을 포함하는 B그룹으로 나눌 때 B그룹이 A그룹에 비해 연신율이 작은 이유를 결정구조 관점에서설명하시오

Al, Cu, Ni등은 FCC결정구조이고, Ti, Mg는 HCP구조이다. 
이 둘은 미끄럼계의 수가 많이 차이나며, FCC 구조가 미끄럼계의 수가 훨씬 많고 전위 이동에 필요한 CRSS값이 작아서 연신율이 크고 가공성이 좋다. 

 

Q.  오스테나이트 상이 페라이트(α) 상으로 변태할 때 결정 구조학적으로 일어나는 부피 변화율을구하시오. (단,원자반지름은고정되어있고원자들은서로hardsphere로충진되어있다고가정하시오.)

부피는 격자상수^3이라 하고, 원자 반지름을 R이라 했을때 FCC, BCC의 원자 반지름과 격자상수간의 관계를 구해서 부피의 비를 구하면 됨

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3. 고찰

 

1) 자성체 (상자성체, 강자성체)

자기변태는 원자의 배열, 격자의 배열 변화가 없고 자성 변화만을 가져오는 변태를 의미함. 
철은 상온에서 강자성체지만, 약 780도 근처에서 급격히 자성을 잃어버리고 상자성체가 되는데, 이 변화를 자기변태 (magnetic transformation)이라 한다. 

강자성을 잃어버리는 온도를 자기변태점 (curie point)라고 한다. 
(강자성체 금속 : Fe, Co, Ni)

① 강자성체 (Fe, Co, Ni)

외부로부터 자계를 가하면 같은 방향의 자기를 강하게 띄는 동시에, 외부로부터 자계를 제거해도 계속해서 강한 자기가 남는 재료

② 상자성체 (Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr..)

외부로부터 자계를 가하면 자계와 같은 방향의 자기를 약하게 띄지만, 외부로부터 자계를 가하지 않으면 자기를 띄지 않게 되는 재료

③ 반자성체 (물, Au, Ag, Cu, Zn..)

외부로부터 강한 자계를 강하면, 매우 약한 반대 방향의 자기를 띄는 재료 

 

금속 조직별 일반적인 기계적 성질, 자성차이 - 마르텐사이트, 오스테나이트, 페라이트, 펄라이

상자성체와 반자성체의 차이

 

2) Hall-Petch equation 및 전위의 이동과의 관계 

다결정 재료에서 결정입계 그 자체는 고유의 강도를 나타내지 않지만 결정립계는 결정립 내의 슬립을 방해하기 때문에 결정입계가 많을수록(결정의 입도가 작아질수록) 재료의 강도는 증가함 (결정입계 길이가 길수록, 면적이 클수록, 결정 입도가 작아질수록)
결정입도가 미세화될수록, 면적당 결정입계가 많아지며, 이는 전위의 이동에 간섭되는 장벽이 더 많이 생기는 것을 의미하며 이로 인해 항복강도(외부 응력에 의한 변형에 대한 저항)이 증가되어 강화 

Hall-Petch식에서는 대부분의 결정질 재료에서 결정립 크기가 감소할수록 항복강도가 증가함을 증명함 
홀-패치식은 전위의 이동과도 관계가 있는데, 전위의 이동이 어려우면(마찰응력이 크면) 항복강도가 증가한다는 것. 
즉 전위의 이동이 어려우면 금속의 강도가 높아지고 가공성이 좋지 않음 

결정립의 크기는 금속의 종류, 불순물, 가열, 냉각속도 등에 영향을 받음 
냉각속도가 클수록 결정립은 미세해지며, 석출물이 많을수록 결정립의 성장을 방해해 결정립이 미세해짐. 
결정립 크기가 미세할수록 항복강도 뿐 아니라 피로강도 및 인성이 개선되기 때문에 결정립 미세화는 매우 중요함 

금속의 결정립과 졀정입계

좌측부터 항복강도, 결정립계에서 전위의 이동을 방해하는 마찰응력, 상수, 결정립 직경

 

4. 참고 자료

금속의 강화기구, 금속조직(결정립) 미세화 방안, 석출강화, 고용체강화, 가공경화

비정질금속 (Amorphous metals)

가단주철 (malleable cast iron)

응력부식균열 (SCC; Stress Corrosion Cracking)

비금속 개재물 (Nonmetallic Inclusion) / 금속화합물

소성 이론, 응력변형률 선도, 재료의 성질, 슬립, 쌍정, 전위, 비강도