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강화 기구와 전위

이론 강도와 전위, 슈미트 인자와 테일러 인자, 파이얼스 응력, 고용 강화와 항복점 현상, 테일러 식, 석출물의 절단과 오로완 기구, 분산 강화, 강화의 중첩, 강도와 연성의 양립을 3지선다 문제로 배웁니다.

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강화 기구와 전위 핵심 정리

금속의 강도는 전위가 얼마나 움직이기 어려운지로 정해집니다. 단결정에서는 슬립계에 작용하는 분해 전단 응력이 임계 분해 전단 응력에 도달하면 슬립이 시작되며, 인장 응력과의 비는 슈미트 인자로 나타냅니다. 다결정에서는 결정립끼리 서로 맞추어 변형해야 하므로, 항복 응력은 임계 분해 전단 응력의 테일러 인자배(FCC에서 약 3배)가 됩니다. BCC 금속에서는 격자의 저항이 크며, 항복 응력이 온도에 강하게 의존합니다.

강화 방법은 용질 원자, 다른 전위, 석출물이나 분산 입자, 결정립계라는 장애물의 종류로 나눌 수 있습니다. 전위 밀도에 의한 강화는 테일러 식으로, 단단한 입자에 의한 강화는 오로완 기구로 어림하며, 작은 석출물은 전위에 절단됩니다. 여러 강화는 단순한 합이나 제곱합으로 중첩합니다. 대부분의 강화는 연성이나 인성을 낮추지만, 결정립 미세화나 변형 중의 변태·쌍정은 강도와 연성·인성을 양립시키는 길을 열어 줍니다.

강화 기구와 전위 문제 목록(15문제)
  1. 완전한 결정에서 슬립면 위아래의 원자면을 한꺼번에 어긋나게 하는 데 필요한 전단 응력(이론 전단 강도)을 τ ≈ G/2π로 어림하면, 구리(강성률 G = 48 GPa)에서는 약 7.6 GPa가 된다. 실제 구리 단결정이 슬립하기 시작하는 전단 응력이 1 MPa 정도로 자릿수가 다를 만큼 작은 이유로 옳은 것은 무엇인가?
  2. 단결정 둥근 막대를 잡아당긴다. 인장축과 슬립면 법선이 이루는 각이 60°, 인장축과 슬립 방향이 이루는 각이 40°인 슬립계의 임계 분해 전단 응력이 0.80 MPa일 때, 이 슬립계가 슬립하기 시작하는 인장 응력에 가장 가까운 것은 무엇인가? 다른 슬립계는 고려하지 않는다.
  3. FCC 금속 다결정의 항복 응력 σy는 단결정의 임계 분해 전단 응력 τc의 약 3배(σy ≈ Mτc, M ≈ 3.06)가 된다. 이 계수 M(테일러 인자)이 슈미트 인자 최댓값 0.5의 역수인 2보다 커지는 이유로 옳은 것은 무엇인가?
  4. 철 등 BCC 금속의 항복 응력은 온도를 낮추면 크게 올라가지만, 구리나 알루미늄 등 FCC 금속에서는 온도에 따른 변화가 작다. 이 차이의 주된 원인으로 옳은 것은 무엇인가?
  5. 어떤 치환형 고용체에서 항복 응력의 증분 Δσ가 용질 농도 c의 1/2제곱에 비례한다(플라이셔 모델)고 하자. 용질 1 at%에서 Δσ = 30 MPa일 때, 용질 4 at%에서의 Δσ에 가장 가까운 것은 무엇인가? 용질끼리의 상호작용이나 석출은 고려하지 않는다.
  6. 풀림한 저탄소강을 잡아당기면 상항복점 뒤에 응력이 내려가고, 뤼더스 띠가 시험편을 따라 전파하는 항복점 현상이 나타난다. 이 현상과 대책에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  7. 가공 경화한 금속의 유동 응력을 테일러 식 σ = MαGb√ρ로 어림한다(ρ는 전위 밀도). 냉간 가공한 구리에서 M = 3.06, α = 0.3, G = 48 GPa, b = 0.256 nm, ρ = 1.0×10¹⁴ m⁻²일 때, σ에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  8. 금속을 인장으로 소성 변형시킨 뒤 하중을 제거하고 반대 방향의 압축을 가하면, 압축에서의 항복 응력이 인장을 계속했을 때의 유동 응력보다 작아진다. 이 현상(바우싱거 효과)의 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  9. 시효로 석출물이 커짐에 따라 강도가 올라가 최대가 되고, 그 후 내려간다(과시효). 석출물과 전위의 상호작용에서 본 설명으로 옳은 것은 무엇인가? 석출물의 부피 분율은 일정하다고 한다.
  10. 알루미늄 합금에서 전위가 석출물 사이로 휘어 나와 빠져나가는 오로완 기구에 의한 전단 응력의 증분을 Δτ ≈ Gb/L로 어림한다(L은 석출물의 간격). G = 26 GPa, b = 0.286 nm, L = 100 nm로 하고, 다결정 항복 응력의 증분을 Δσ = MΔτ(테일러 인자 M = 3.06)라고 하면, Δσ에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  11. Ni기 초내열합금의 γ'상(L1₂형 규칙상)과 같이, 규칙 구조를 가진 석출물을 전위가 절단하며 지나갈 때의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?
  12. Cu에 미세한 Al₂O₃ 입자를 분산시킨 합금이나, 철에 Y₂O₃ 입자를 분산시킨 ODS강처럼, 산화물 입자로 강화하는 분산 강화의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?
  13. 어떤 합금의 항복 응력을 마찰 응력 50 MPa, 고용 강화 60 MPa, 석출 강화 200 MPa, 전위 강화 100 MPa의 기여로부터 어림한다. 마찰 응력과 고용 강화는 단순히 더하고, 강도가 비슷한 장애물인 석출물과 전위의 기여는 제곱합의 제곱근으로 합친다(σ = σ₀ + σss + √(σp² + σd²))고 하면, 항복 응력에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  14. 강의 강화법 가운데 항복 강도를 올리는 동시에 연성-취성 천이 온도를 낮추어 저온 인성도 높일 수 있는 것은 무엇인가?
  15. 금속을 강하게 하면 보통 균일 연신이 작아진다. 고강도이면서도 큰 균일 연신을 보이는 TRIP강이나 TWIP강의 사고방식으로 옳은 것은 무엇인가? 네킹은 dσ/dε = σ에서 시작한다고 한다(σ, ε는 진응력과 진변형률).

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