상온가공성, 금속의 가공성, 슬립(slip)이론

금속의 가공성이란?

<기출 - 금속재료>

22-1-3	3. 금속재료의 상온가공성에 대하여 결정학적인측면에서 설명하시오.
22-2-5	5. 냉간압연용 박강판의 가공성에 미치는 성형성, 결정입도 및 화학성분의 영향을 설명 하시오.

 

1. 개요

 

1) 금속의 일반적 특성

① 연성 및 전성이 좋음

② 열과 전기의 양도체

③ 일부 금속을 제외하면 상온에서 고체이다 

④ 금속적 광택을 가지고 있음

⑤ 고체 상태에서 결정구조를 갖는다

 

2) 금속의 가공성; 금속이 가공이 가능한 이유

금속의 가공이란 크게 절삭가공과 비절삭가공(소성가공)으로 나눌 수 있음 
그 중 소성가공(plastic working)이란 외력에 의해 재료 내부에 생긴 응력(stress)이 제거되었을때 원복되는 탄성변형 외 외력이 제거되어도 금속재료에 변형이 남는 소성변형(plastic deformation)을 일으키는 가공을 의미함

금속이 소성가공이 가능한 이유를 금속 일반 특성에서 찾아보면 ① 연성 및 전성이 좋으며, ② 고체 상태에서 결정구조를 갖기 때문. 

금속은 소성의 범위가 넓은 특징을 가지고 있기에 이를 이용해 판, 관, 봉, 선, 단조품등을 생산한다.

알루미늄의 변형 전/후 비교

 

3) 소성 가공의 원리

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

단결정 기준 크게 슬립(slip)과 쌍정(twin) 두 가지 기구 의해 소성변형이 발생한다. 
슬립이 발생할때, 슬립면을 따라서 원자의 위치를 상대적으로 이동시키며 물체가 변형이 되는데 이때 원자가 1개씩 이동하며 간다는 이론이 대표적이며, 해당 과정이 전위이론이다.
 슬립면의 위, 아래에서 하나의 원자면이 중단된 곳을 전위(dislocation)이라 하며, 전위는 결정 내부에 작은 결함이 있다고 가정하는 점에서 출발하여 생기게 되며, 일반적으로 불완전한 격자로부터 생긴다. 

금속의 전위, HRD

(1) 슬립 변형 (slip)

어느 방향으로 재료에 인장력을 가하면, 결정내의 어느 부분이 일정한 면을 따라서 슬립을 일으키고 어느 방향으로 이동하는데 슬립선을 따라 슬립방향으로 층상이동하며 슬립띠, 슬립선을 발생시키며 변형하는 현상을 슬립변형이라고 함. 
슬립이 일어나는 원자면을 슬립면(Slip plane)이라 하고, 그 방향을 슬립방향(slip direction)이라 함.

온도가 높아지면 원자의 열진동 에너지(energy)가 크게 되어 다른 면에서도 이동할 수 있게 됨(슬립면은 원자밀도가 가장 조밀한면이 되고, 슬립방향은 원자 간격이 가장 작은 방향 - 원자 간격이 넓은 방향에서 쪼개진다) 또한 슬립이 생겨도 결정형에 변화가 없으며 결정의 불연속 또한 생기지 않는다. 
슬립면(slip plane)과 슬립방향(slip direction)의 조합을 슬립계(slip system)이라하며, 슬립계가 많은 금속일수록 소성변화가 쉽고, 따라서 슬립계가 적은 육방정계에 속하는 금속이 가장 가공이 곤란하다 (Zn, Be, Mg...) 

다결정의 소성변형

다결정체는 많은 단결정으로 구성되어있다.
다결정체는 대단히 미세한 단결정의 집합체로서, 전체가 등방성을 띄고 있다. 

다결정은 금속을 구성하고 있는 많은 결정의 방향이 각각 달라, 서로 인접한 결정에는 슬립면, 슬립방향 등이 일치하지 않는 것이 일반적이라 결정경계에 있는 2개의 결정입자는 슬립요소의 간섭으로 인해 변형이 방해됨
(단결정의 변형은 금속 결정격자의 변형)
이는, 미세한 결정일수록 결정경계의 총면적이 커, 결정입자가 미세한 다결정의 금속일수록 슬립변형이나 쌍정변형이 발생하기 어려워 굳고 강하게 되는 원리를 뜻한다. 
다결정을 소성변형하면 다면체 결정은 나중에 일정한 방향성을 가지게 되는데, 이를 선택방향성(preferred orientaion)이라 한다. 
ex. 압연한 재료는 압연면에 평행한 방향으로 방향성을 갖게되며, 냉간인발가공의 경우 길이방향에 대한 일정한 결정축을 가지게 된다. 이를 섬유조직(fiber structure)이라고도 한다.

또한 다결정은 소성변형을 통해 단결정에 비해 훨씬 경화된다. (결정립이 미세할수록 더욱 경화된다) 
이는 결정립계에서 슬립면의 방향이 변화하여 인접한 결정립끼리 서로 슬립을 방해하기 때문이다. 

같은 재료라도, 조대한 조직은 미세한 조직보다 작은 강도값을 나타내기에(조대한 조직이 전위의 슬립을 방해하는 정도가 약함) 일반적으로 미세한 조직을 갖게 하여 높은 강도를 갖게 한다(금속강화기구 중 하나) 

 

(2) 쌍정 변형 (twin)

쌍정은 특정 평면을 경계로 처음의 결정과, 거울면에서 시메트리한 원자배열을 가진 결정의 부분을 말함

쌍정형성은 원자의 전단적인 이동에 의하여 형성되는데, 전단이 발생하는 방향을 쌍정방향(Twinning direction)이라 함

쌍정이 발생하면 응력이 완화된다고 볼 수 있으며, 결정의 방위가 변해 새로운 슬립계(slip system)이 작용하기 쉽게 만들어준다. 따라서 미끄럼계가 적은 조밀육방정에 속하는 금속은 쌍정이 주요 변형방법이 된다 (애초에 미끄럼계가 많은 면심입방의 경우 쌍정이 거의 나타나지 않는다 - 조밀육방, 체심입방, 충격적인 하중, 낮은온도에서 변형할때 많이 발생함) 

위에서 언급한 것처럼 쌍정에서는 원자의 이동이 원자 간격보다 적으므로 쌍정으로는 영구변형을 일으킬 수 없고 소성변형은 미끄럼변형(slip)에 의존한다. 

슬립과 쌍정, HRD

 

 

 

2. 가공성에 영향을 미치는 요소들

 

1) 금속의 결졍면과 방향

금속의 결정면은 소성변형에서 슬립의 방향과 그 용이성을 조절함
원자밀도가 최대인 면일수록 면간거리가 커지고, 이들의 원자면끼리 상대적인 미끄럼이 발생하기 쉬우며, 원자간의 거리가 적은 방향에서는 원자들끼리 결합이 강하여 미끄럼이 발생하기 어렵다. 
따라서 슬립은 원자밀도가 최대인면에서 원자밀도가 최대힌 방향으로 일어난다. 
슬립계가 많은 금속일수록 소성변형을 일으키기 쉽고 이는 가공성이 좋다는 것을 의미한다 

 

2) 성형성 

성형성이 좋아야 가공성이 좋다. 
판재의 성형성을 측정하는 시험법은 여러가지가 있는데, 딥드로잉공정의 한계드로잉비, 한계돔높이를 측정하는 것이 대표적인 성형성 측정 방법이다. 또한 에릭슨시험이 있으며 이는 한계돔높이 측정 시험과 흡사하다. 

<에릭슨 시험>
1개소에서 뒷면에 도달하는 균열이 생길때까지 펀치 끝이 주름 누르개 면에서 이동한 거리를 mm로 표시한 수치 

성형성이 좋지 않으면 소성가공시 찢어짐, 주름, 파단, 균열 등 여러 문제가 발생한다. 

프레스가공 (전단, 압축, 굽힘, 드로잉, 파인블랭킹, 프레스 종류, 프레스 이론, 파단면 형상, 프

 

3) 결정입도

다결정은 금속을 구성하고 있는 많은 결정의 방향이 각각 달라, 서로 인접한 결정에는 슬립면, 슬립방향 등이 일치하지 않는 것이 일반적이라 결정경계에 있는 2개의 결정입자는 슬립요소의 간섭으로 인해 변형이 방해됨
(단결정의 변형은 금속 결정격자의 변형)
이는, 미세한 결정일수록 결정경계의 총면적이 커, 결정입자가 미세한 다결정의 금속일수록 슬립변형이나 쌍정변형이 발생하기 어려워 굳고 강하게 되는 원리를 뜻한다. 

금속이 응고 후 형성되는 결정입자의 크기는 용액 속의 핵의 수와 냉각속도 등에 좌우됨. 
용액이 수 많은 작은 결정조직으로 응고될때 미세한 결정입자(fine grain)이 형성되며, 이를 위해서는 용액을 급냉시켜야 원자가 오래도록 움직이지 않고 이미 형성된 핵을 찾게되어 수많은 자리에서 핵이 형성되고, 이들 핵으로부터 성장한 결정이 서로 부딫혀서 미세한 조직을 형성하게 됨. 

<결정립이 미세할때 피로강도와 인성이 개선되는 이유>

피로강도는 재료가 반복하중에 의해 균열이 발생하고 전파되어 파단되기까지의 저항성을 의미.
결정립이 미세할 경우, 미세한 불균일 응력 분포가 억제되어 미세균열의 초기 발생이 지연된다. 또한 균열이 진행되더라도 각 결정립계가 장애물 역할을 하여 균열 전파 경로가 곡선화되고, 에너지 소모가 커져 진행이 느려지며, 미세립 조직은 더 균일한 변형을 유도하여 국부 응력 집중이 줄어들게 된다. 
또한, 결정립이 미세할 경우 항복강도가 증가하는데, 피로강도는 일반적으로 항복강도에 비례하기 때문에 증가한다. 

인성(Toughness)은 재료가 외부 충격이나 하중에 대해 파괴되지 않고 흡수할 수 있는 에너지량으로, 결정립이 미세할경우 전위의 이동을 분산시켜 국부적인 취성 파괴를 억제하고, 보다 균일하게 소성변형이 일어나도록 유도한다. 

 

4) 화학성분

강재에 첨가하는 합금원소에 따라 가공성이 달라짐
탄소 함량이 증가하면 강도와 경도가 높아지지만 연성과 성형성은 감소함(시멘타이트의 형성, 열처리시 마르텐사이트의 형성)
망간 함량이 증가하면 강도와 경도가 높아지며 성형성이 저하될 우려가 있음
인, 황은 강을 취성화시켜 성형성이 좋지 않아짐(고온 균열, 크랙, 비금속 개재물 형성에 의한 결함 등)
규소는 결정립을 조대화시키고 소성을 낮게하여 냉간가공성이 나빠짐 

합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg,

 

3. 고찰

 

1) 금속을 상온가공(냉간가공)하면?

① 가공하면 금속은 경화한다(work hardening)
: 전위의 집적에 의해 전위의 이동이 어렵게 되어, 금속은 경화되고 강도는 증가하나 연신(인성)은 저하한다

② 가공하면 전기저항은 증가한다
: 가공으로 인해 생기는 공격자점이 있으면 자유전자가 해당 위치에서 산란되기 때문에 전기의 전도(자유 전다의 이동)가 방해된다

③ 가공하면 밀도는 감소한다
: 가공에 의해 공격자점이 증가하여 부피가 증가하며 밀도가 감소한다 

냉간가공에 따른 금속의 기계적 성질의 변화, 신금속재료학

 

2) 금속의 상온가공성에 대한 결정학적 관점 

(1) 금속의 결정 구조

금속은 결정체 구조로 되어있어 소성 변형이 가능하며, 그 경계면은 결정입계로 구분외며, 비교적 강도와 연신이 좋은 편임
금속의 결정구조는 크게 체심입방격자(BCC), 면심입방격자(FCC), 조밀육방격자(HCP)로 구분된다. 
금속의 상온 가공성은 슬립면과 슬립 방향의 수에 따라 결정될 수 있음. 체심입방구조는 활성화 가능한 슬립 시스템의 수가 제한적이며, 면심 입방 격자 구조는 활성화 가능한 슬립 시스탬의 수가 상대적으로 많아 가공성이 우수하다.
즉, 슬립계(슬립 시스템)가 많을수록 소성변형하기 쉽기 때문에 HCP는 금속이 가장 곤란함
슬립계는 BCC, FCC, HCP 각각 48, 12, 3개로 BCC가 가장 많지만 체심입방구조는 상온에서 열적 활성화 에너지가 부족하여 대부분의 슬립계가 비활성화된다. (ACTIVE SLIP SYSTEMS)
또한 FCC는 낮은 CRSS(임계전단응력; 내부에서 전위가 특정 슬립면과 방향으로 이동하기 위해 필요한 최소한의 전단 응력)값을 가지고 있어 소성변형이 용이하다. CRSS는 슬립면의 밀집도, 슬립 시스템의 수, 결정 구조에 따른 열적 활성화 특성에 따라 결정된다. 
그리고 FCC는 슬립면과 슬립방향의 밀도가 높아 쉽게 이동할 수 있다.

체심입방격자
(원자충전율 68%, 격자공간 32%)
(Li, Na, K, ⍺-Ti, V, Mo, W, ⍺-Fe, 𝛅-Fe, Nb) 
면심입방격자보다 전연성은 적으나 금속 자체는 강함

면심입방격자 
(원자충전율 74%, 격자공간 26%)
(Ca, Sc, 𝛄-Fe, Ni, Pt, Cu, Ag, Au, Al)
전연성이 크기 때문에 가공성이 좋다

조밀육방격자
(원자충전율 74%, 격자공간 26%)
(Mg, Zn, Be, Cd, Ti, Te)
취약하며 전연성이 적다

 

결정체별 슬립면 및 슬립 방향, HRD

금속의 결정 구조, BCC, FCC, HCP

 

인장시험, 진응력, 포아송비, 탄성계수, 진변형률, 전단계수, 등방성 재료

 

결정구조 별 슬립계의 비교

<상온에서 FCC가 BCC보다 소성변형(slip)이 잘 일어나는 이유>

기본적으로 슬립계는 ⍺-Fe가 48개로 훨씬 많음 (FCC는 12개, 특정 BCC는 24개인 것도 있음 - Ta, W, Mo)
그럼에도 불구하고 FCC가 슬립이 더 많이 발생하는 이유 중 하나는 CRSS(전단임계응력값)이 훨씬 작은 원인이 있음. 

기본적으로 전단응력이 해당 재료의 CRSS값보다 커야 해당 슬립면에서 slip현상이 발생을 하는데, 전단응력은 모든 슬립면에서 다르게 작용이 된다. (EX. micro geometry 관점에서 보면 CRSS값이 45일때, 각 slip면 당 전단응력이 10, 13, 20, 50, 23, 40, 56만큼 가해졌다면 50, 56의 전단응력이 가해진 면만 슬립이 될 것이다)

따라서 아무리 슬립계가 많아봤자 CRSS값이 크다면 슬립은 발생하지 않을 것이고, 어떻게 보면 슬립계의 수보다는 CRSS값이 더 지배적인 factor일 수 있다고 생각한다. 

온도가 증가되면 원자들의 운동이 활발해져 CRSS값이 작아지게 되는데, 이는 고온에서 소성가공이 더 용이한 이유가 된다. 

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

(2) 전위와 가공성

전위 밀도가 낮으면 슬립이 원할하게 발생하여 가공성이 좋음
또한 전위가 많아지면 상호작용으로 인해 이동이 방해되어 가공성이 좋지 않아짐
대표적으로 가공경화현상이 있음 
가공경화현상은 국부적으로 전위가 밀집하여, 전위의 상호작용으로 이동이 방해되어 변형에 저항이 생기는 것 

인장시험, 진응력, 포아송비, 탄성계수, 진변형률, 전단계수, 등방성 재료

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(3) 결정립 크기와 가공성

결정립 크기가 작으면, 홀-페치관계식에 따라 항복강도가 증가하므로 초기 변형이 어려워질 수 있음
결정립 크기가 작아도 가공성은 우수할 수 있음 (높은 강도, 연신율)

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

 

3) 상온가공 중 발생하는 현상 

(1) 가공경화

금속에 항복점을 넘는 응력을 가하면 소성변형이 되고, 금속에 소성변형을 주는 작업을 소성가공 (plastic working)이라 함. 
소성변형이 발생하면 금속은 경화하는데, 해당 현상을 가공경화(work hardening, strain hardening)이라 한다. 

가공경화가 발생하기 때문에, 점점 높은 응력에서 변형이 발생하는 것으로 우리가 흔히 알고 있는 S-S Curve가 형성되는 것이며 가공경화가 발생하지 않는다면 항복응력에서 응력의 증가 없이 계속 변형만 될 것이다. (완전소성체)

가공경화의 정도는 가공 온도에 따라 다르며, 온도가 높아지면 작아짐
(가공경화는 열간가공에서 발생하지 않으며 냉간가공에서만 발생함)

비정질금속 (Amorphous metals)

 

2024.11.19 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 침입형 고용체, 치환형 고용체, 규칙격자형 고용체, 흄-로더리 법칙, 금속간화합물, 전율가용 고용체, 환율가용 고용체 (뒤 두개 추가하기)

(2) 쌍정 변형 

소성변형은 슬립변형 회 쌍정이 있는데, 쌍정은 특정 평면을 경계로 처음의 결정과, 앞의 소성변형 모형도 거울 면에 시메트리한 원자배열을 가진 결정 부분을 말함. 대칭적인 거울면을 쌍정면이라 하며, 쌍정 형성의 특징은 원자의 전단적인 이동에 의해 형성되는 것인데, 이 전단의 방향을 쌍정 방향(twinning direction)이라 함. 
쌍정현상은 일종의 응력완화현상이고, 이와 동시에 결정의 방위가 변함으로써 새로운 슬립계가 작용하기 쉽게 되는 것이 쌍정 형성의 주 역할이다. 
(ex. 미끄럼계가 적은 조밀육방정체의 경우 쌍정이 주요 변형방법이 되며, 변형시 많은 쌍정이 나타남) 
미끄럼계가 많은 금속일수록 쌍정이 적게  나타나며, 미끄럼계가 많은 면심입방의 금속에서는 변형시 쌍정의 형상은 별로 없음. 

 

4) 결정격자 원자면, 결정방향 읽는법

결적격자 원자면, 결정방향 읽는법

 

4. 참고자료

고진공 다이캐스팅 (High Level Vacuum Die Casting), 다이캐스팅 열처리가 안되는 이유

가공열처리 (Thermo Mechanical Treatment), 오스포밍, 아이소포밍, 가공퀜칭, 제어압연

고속도강(HSS, SKH2,3,51,59...) 열처리, 고속도강, 고속도강 2차 경화 현상, 고속도강 종류

압연가공(rolling), 압연 결함, 압연기 구분, 압하율, 압연 조건, 압연영향요소

공구 재료, 절삭 공구 재료, 공구 코팅, 구비조건, 초경합금, 소결 카바이드, 피복방법 (CVD, PVD)