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강화 기구와 전위

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).

  1. A변형 중에 마르텐사이트 변태나 변형 쌍정이 일어나, 변형률이 진행되어도 가공 경화율 dσ/dε가 높게 유지되어 네킹의 시작이 늦어진다
  2. B변형 중에 회복으로 전위가 사라지고 가공 경화율 dσ/dε가 0에 가까워지므로, 유동 응력이 일정하게 유지되어 네킹이 일어나지 않는다
  3. C결정립을 수십 nm까지 미세하게 하여, 가공 경화율을 높게 유지한 채 항복 응력도 올려 강도와 균일 연신을 동시에 크게 한다
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정답: A. 변형 중에 마르텐사이트 변태나 변형 쌍정이 일어나, 변형률이 진행되어도 가공 경화율 dσ/dε가 높게 유지되어 네킹의 시작이 늦어진다

콘시데르(Considère) 조건에서는 가공 경화율 dσ/dε가 유동 응력 σ까지 내려갔을 때 네킹이 시작됩니다. 강화로 σ를 높여도 가공 경화율이 같다면 빨리 조건에 도달하여 균일 연신이 줄어듭니다. TRIP강에서는 잔류 오스테나이트가 변형 중에 조금씩 단단한 마르텐사이트로 바뀌고, TWIP강에서는 적층 결함 에너지가 낮은 고Mn 오스테나이트에 변형 쌍정이 차례로 생겨 쌍정 경계가 전위의 통로를 잘게 나눕니다. 둘 다 변형률이 진행되어도 가공 경화율이 높게 유지되므로, 높은 강도와 큰 균일 연신이 양립합니다. 회복으로 가공 경화율이 0에 가까워지면 네킹은 오히려 곧바로 시작됩니다. 수십 nm의 결정립에서는 결정립 안에 전위가 쌓이기 어려워 가공 경화율이 내려가고, 균일 연신은 작아집니다.

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  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.