재료공학부는 반도체, 금속, 고분자 등 여러 물질들을 연구하는 학부입니다. 그래서 자신이 관심있는 재료에 관한 수업들을 선택해서 들을 수 있는데요, 그 전에 모든 물질의 기본이 되는 원리를 배우는 수업이 있습니다. 바로 여러분이 재료공학부에 입학하면 처음으로 수강하게 될 전공수업, ‘재료공학원리’입니다. 물질들의 구조와 원리를 훑어보는 강의인만큼 다양한 주제를 다루는데, 그 중 금속 재료를 강화하는 원리, 즉 강도1를 높이는 방법을 소개해드리려고 합니다.
먼저, 금속은 무엇일까요? 머릿속에 구리, 은, 금, 철과 같이 주변에서 흔히 접할 수 있는 금속들이 떠오를 텐데요, 이들의 공통점을 찾다 보면 금속을 정의할 수 있습니다. 바로 열이 잘 전달되고, 전기가 흐를 수 있고, 광택이 있다는 것입니다. 나무나 플라스틱과 같은 다른 물질들에 비해 단단하다는 것도 금속의 중요한 특징이죠. 이렇듯 고유한 성질을 가진 금속은 굉장히 오랜 시간 인류의 역사와 함께 발전해왔는데요. 청동기 시대와 철기 시대를 거치며 금속의 활용은 우리 생활에 큰 변화를 일으켰습니다. 그중 금속의 대표적인 활용 분야는 바로 비행기, 화물차, 선박과 같은 운송 수단이죠. 하지만 자연 상태 그대로의 금속은 이러한 시설과 장비에 사용되기에는 강도가 충분하지 않기에, 다음과 같이 금속을 강화해 강도를 높이는 기술들이 개발되었습니다.
먼저, 금속은 무엇일까요? 머릿속에 구리, 은, 금, 철과 같이 주변에서 흔히 접할 수 있는 금속들이 떠오를 텐데요, 이들의 공통점을 찾다 보면 금속을 정의할 수 있습니다. 바로 열이 잘 전달되고, 전기가 흐를 수 있고, 광택이 있다는 것입니다. 나무나 플라스틱과 같은 다른 물질들에 비해 단단하다는 것도 금속의 중요한 특징이죠. 이렇듯 고유한 성질을 가진 금속은 굉장히 오랜 시간 인류의 역사와 함께 발전해왔는데요. 청동기 시대와 철기 시대를 거치며 금속의 활용은 우리 생활에 큰 변화를 일으켰습니다. 그중 금속의 대표적인 활용 분야는 바로 비행기, 화물차, 선박과 같은 운송 수단이죠. 하지만 자연 상태 그대로의 금속은 이러한 시설과 장비에 사용되기에는 강도가 충분하지 않기에, 다음과 같이 금속을 강화해 강도를 높이는 기술들이 개발되었습니다.
1 단단하고 센 정도. 단위는 N/m2 등을 사용하는데, 재료가 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 면적 당 힘을 의미한다.
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그림 1. 현미경으로 관찰한 금속의 결정립. -
그림 2. 다른 방향의 결정립
1. 결정립 미세화 (Grain Size Reduction)
결정립 미세화는 결정립의 크기를 줄여 강도를 높이는 기술입니다. 특정한 방향으로 배열된 원자 묶음은 하나의 결정립을 형성하고, 여러 결정립들이 모여 금속 덩어리를 이룹니다. 따라서 금속 덩어리에는 여러 방향의 결정립이 존재하죠. 다른 방향을 가진 결정립은 충격에 의해 금속 원자들의 배열이 미끄러지는 것을 방해하여 강도를 증가시킵니다. 그림 1에서 보이는 것처럼 작고 다양한 결정립들로 구성된 금속이 더 단단한 것도 이 때문이지요.
결정립을 작게 만드는 방법에도 여러 가지가 있는데, 금속의 온도를 변화시켜 새로운 결정을 만들도록 하거나 원자들 사이에 아주 적은 양의 불순물을 추가해서 큰 결정립이 생기는 것을 방해할 수도 있습니다. 그리고 이렇게 만들어진 결정립의 크기가 금속 강도에 미치는 영향은 홀-패치 관계식(Hall-Petch equation)을 통해서 수치적으로 확인할 수 있습니다.
결정립 미세화는 결정립의 크기를 줄여 강도를 높이는 기술입니다. 특정한 방향으로 배열된 원자 묶음은 하나의 결정립을 형성하고, 여러 결정립들이 모여 금속 덩어리를 이룹니다. 따라서 금속 덩어리에는 여러 방향의 결정립이 존재하죠. 다른 방향을 가진 결정립은 충격에 의해 금속 원자들의 배열이 미끄러지는 것을 방해하여 강도를 증가시킵니다. 그림 1에서 보이는 것처럼 작고 다양한 결정립들로 구성된 금속이 더 단단한 것도 이 때문이지요.
결정립을 작게 만드는 방법에도 여러 가지가 있는데, 금속의 온도를 변화시켜 새로운 결정을 만들도록 하거나 원자들 사이에 아주 적은 양의 불순물을 추가해서 큰 결정립이 생기는 것을 방해할 수도 있습니다. 그리고 이렇게 만들어진 결정립의 크기가 금속 강도에 미치는 영향은 홀-패치 관계식(Hall-Petch equation)을 통해서 수치적으로 확인할 수 있습니다.
그림 3. 홀-패치 관계식(Hall-Petch equation). σy는 금속의 강도, ky는 재료의 고유값, d는 결정립의 직경으로 d가 작아질수록 강도가 커진다.
2. 변형 강화 (Strain Hardening)
지금부터 퍼즐을 맞춘다고 상상해 봅시다. 매트 위에는 무작위로 흩뿌려져 있는 퍼즐 조각들이 있습니다. 이 상태에서는 퍼즐 조각들의 경계가 뚜렷하게 보이고 판을 조금만 흔들어도 조각들이 쉽게 움직입니다. 하지만 조각들을 이리저리 이동시키면서 퍼즐을 다 맞추면, 어느새 조각들의 경계는 사라지고 하나의 판만 남게 됩니다. 이때는 판을 흔들어도 모양이 그대로 유지되죠. 변형 강화도 비슷한 방법으로 금속의 강도를 높입니다. 넓은 부분에 퍼져 있는 결함들을 모아 서로 상쇄시키는 것이죠. 이는 금속의 재결정 온도2 보다 낮은 온도에서 일어나기 때문에 냉간 가공(Cold working)이라고도 불립니다.
지금부터 퍼즐을 맞춘다고 상상해 봅시다. 매트 위에는 무작위로 흩뿌려져 있는 퍼즐 조각들이 있습니다. 이 상태에서는 퍼즐 조각들의 경계가 뚜렷하게 보이고 판을 조금만 흔들어도 조각들이 쉽게 움직입니다. 하지만 조각들을 이리저리 이동시키면서 퍼즐을 다 맞추면, 어느새 조각들의 경계는 사라지고 하나의 판만 남게 됩니다. 이때는 판을 흔들어도 모양이 그대로 유지되죠. 변형 강화도 비슷한 방법으로 금속의 강도를 높입니다. 넓은 부분에 퍼져 있는 결함들을 모아 서로 상쇄시키는 것이죠. 이는 금속의 재결정 온도2 보다 낮은 온도에서 일어나기 때문에 냉간 가공(Cold working)이라고도 불립니다.
2 금속을 가열하면 기존 결정 구조를 유지하고자 하는 힘들이 점점 약화되면서 새로운 형태의 결정이 만들어지는데, 이 과정이 시작되는 온도를 재결정 온도라고 한다.
그림 4. 냉간 가공의 종류. 압연(Rolling), 단조(Forging), 압출(Extrusion), 인발(Drawing)
변형 강화에도 여러 가공법이 있는데요, 압연은 금속을 롤러 사이에 밀어 넣어 두께나 단면적을 줄이고 길이를 늘리는 방법, 단조는 망치 등으로 압력을 가해 변형시키는 방법입니다. 압출과 인발은 비슷해 보일 수 있지만 압출에서는 재료를 컨테이너 뒤쪽에서 밀어 모양을 만드는 반면, 인발은 구멍 사이로 뽑아낸다는 점에서 차이가 있습니다.
그림 5. 냉간 가공률(%CW). A0은 가공 전 단면적, Ad는 가공 후 단면적을 의미한다.
이렇듯 다양한 변형 방법을 거치며 금속의 형태는 변화하고 단면적이 바뀌는데, 냉간 가공률이 커질수록 금속의 강도도 커지게 됩니다.
3. 고용체 강화 (Solid Solution Strengthening)
고용체 강화는 잘 모르시더라도 합금은 다들 들어 보셨을 겁니다. 구리와 주석을 혼합한 청동처럼, 합금은 하나의 금속에 다른 금속이나 비금속 원소를 섞어 만든 고체이죠. 그리고 이런 합금이 바로 고용체 강화의 한 종류랍니다. 고용체 강화의 근본적인 원리는 결정립 미세화와 동일한데요, 충격이 퍼지는 것을 방해하여 금속을 더 단단하게 만드는 것입니다. 일정한 크기의 원자가 규칙적으로 배열된 공간에 크기가 다른 입자가 들어서게 되면, 주변 원자들은 새로운 크기의 입자에 적응하기 위해 움직입니다. 그 과정에서 원자들 간 상호작용하는 힘이 추가적으로 생기게 되고, 이는 원자들을 붙들어 매어 금속의 강도를 증가시킵니다.
고용체 강화를 하기 위해서는 원자 크기가 다른 원소들을 섞어주면 됩니다. 그림 6의 왼쪽 그림처럼 동일한 원자들 사이에 크기가 작은 다른 원자가 들어오면, 주변 원자들이 빈공간을 메우려 쪼그라들면서 안쪽으로 움직이는 힘이 발생합니다. 반대로 오른쪽 그림처럼 작은 원자들 사이에 큰 원자는 공간을 확보하기 위해 주변 원자들을 미는 힘을 만들어냅니다.
고용체 강화는 잘 모르시더라도 합금은 다들 들어 보셨을 겁니다. 구리와 주석을 혼합한 청동처럼, 합금은 하나의 금속에 다른 금속이나 비금속 원소를 섞어 만든 고체이죠. 그리고 이런 합금이 바로 고용체 강화의 한 종류랍니다. 고용체 강화의 근본적인 원리는 결정립 미세화와 동일한데요, 충격이 퍼지는 것을 방해하여 금속을 더 단단하게 만드는 것입니다. 일정한 크기의 원자가 규칙적으로 배열된 공간에 크기가 다른 입자가 들어서게 되면, 주변 원자들은 새로운 크기의 입자에 적응하기 위해 움직입니다. 그 과정에서 원자들 간 상호작용하는 힘이 추가적으로 생기게 되고, 이는 원자들을 붙들어 매어 금속의 강도를 증가시킵니다.
고용체 강화를 하기 위해서는 원자 크기가 다른 원소들을 섞어주면 됩니다. 그림 6의 왼쪽 그림처럼 동일한 원자들 사이에 크기가 작은 다른 원자가 들어오면, 주변 원자들이 빈공간을 메우려 쪼그라들면서 안쪽으로 움직이는 힘이 발생합니다. 반대로 오른쪽 그림처럼 작은 원자들 사이에 큰 원자는 공간을 확보하기 위해 주변 원자들을 미는 힘을 만들어냅니다.
그림 6. 작은 치환형 원자(왼쪽), 큰 치환형 원자(오른쪽)
그림 7. 구리-니켈 합금에서 니켈의 중량 퍼센트에 따른 금속의 강도
위 그래프는 구리-니켈 합금에서 니켈의 인장 강도(tensile strength)3 와 항복 강도(yield strength)4 를 나타낸 그래프인데요, x축의 니켈 함량이 증가할수록 y축의 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있습니다.
지금까지 금속을 가공하는 기본 원리에 대해서 알아보았습니다. 우리 생활을 편리하게 해주는 금속들이 이런 과정을 통해 만들어졌다는 사실을 알고 나니, 금속의 세계가 더욱 흥미롭게 느껴지지 않나요? 오늘은 금속 재료, 그 중에서도 강화법에 관해서만 설명했지만, 재료공학부에서는 이 외에도 고분자, 전자 재료, 세라믹을 원자 수준에서 다루는 여러 기술들에 대해 배울 수 있습니다. 자신이 관심 있는 재료를 더욱 깊이 공부하다 보면 그것을 통해 만들어지는 모든 공학 제품을 만드는 데에 이바지할 수 있다는 것도 재료공학부의 장점일 거예요.
지금까지 금속을 가공하는 기본 원리에 대해서 알아보았습니다. 우리 생활을 편리하게 해주는 금속들이 이런 과정을 통해 만들어졌다는 사실을 알고 나니, 금속의 세계가 더욱 흥미롭게 느껴지지 않나요? 오늘은 금속 재료, 그 중에서도 강화법에 관해서만 설명했지만, 재료공학부에서는 이 외에도 고분자, 전자 재료, 세라믹을 원자 수준에서 다루는 여러 기술들에 대해 배울 수 있습니다. 자신이 관심 있는 재료를 더욱 깊이 공부하다 보면 그것을 통해 만들어지는 모든 공학 제품을 만드는 데에 이바지할 수 있다는 것도 재료공학부의 장점일 거예요.
3 재료가 힘에 의해 파괴될 때까지 최대로 작용하는 단위 면적 당 힘
4 재료에 힘을 가했을 때 되돌릴 수 있는 변형인 탄성 변형을 넘어서 되돌릴 수 없는 소성 변형이 시작되는 지점에서 작용하는 단위 면적 당 힘
- 그림출처
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그림 1, 2, 3, 5, 6, 7: Jr., W. C. D., & Rethwisch, D. G. (2020). Materials Science and Engineering: An Introduction (10th ed.). Wiley.
그림4: C., N. A. Y. (2015). Handbook of Manufacturing Engineering and Technology. Springer Reference.