오로완 기구의 뜻
전위가 절단할 수 없는 단단한 입자 사이로 활처럼 휘어 나와 빠져나가며, 입자 주위에 전위 루프를 남기는 기구. 필요한 응력은 입자 간격에 반비례한다.
일본어 명칭: オロワン機構
‘오로완 기구’ 관련 연습 문제는 1개 분야에 4문제가 있습니다(강화 기구와 전위 등).
이 용어의 분야: 강화 기구와 전위
휘어 나와 빠져나가는 원리
슬립면 위에 전위가 절단할 수 없는 단단한 입자가 늘어서 있으면, 전위는 입자에 걸려 입자와 입자 사이에서 활처럼 휘어 나옵니다. 전위에는 선의 길이를 줄이려는 선장력(약 Gb²/2)이 있어, 휘어 나옴을 크게 하려면 응력이 필요합니다. 휘어 나옴이 반원을 넘으면 입자의 양쪽으로 돌아 들어간 부분이 반대쪽에서 만나 서로 소멸하고, 전위는 앞으로 나아가며 입자 주위에는 전위 루프가 남습니다. 이렇게 빠져나가는 데 필요한 전단 응력은 Δτ ≈ Gb/L(L은 입자 간격)이며, 오로완 응력이라고 부릅니다.
입자의 크기와 양의 효과
부피 분율 f가 같다면 입자 간격 L은 입자 반지름 r에 거의 비례하고 √f에 반비례합니다. 그러므로 미세한 입자를 많이 분산시킬수록 L이 좁아져 오로완 응력은 커집니다. 시효가 진행되어 석출물이 조대해지면, 부피 분율이 변하지 않아도 간격이 넓어져 강도가 내려가며, 이것이 과시효의 연화에 해당합니다. 한편 석출 초기의 작고 정합인 입자는 우회되는 것보다 전위에 절단되는 쪽이 쉬우므로, 오로완 기구가 아니라 절단으로 강화합니다. 절단과 우회가 바뀌는 크기에서 강도가 최대가 됩니다.
남은 루프와 가공 경화
입자 주위에 남은 오로완 루프는 다음에 오는 전위에 대해 반발하는 응력을 미치고, 입자의 실질적인 크기를 크게 하여 다음 통과를 어렵게 합니다. 그러므로 단단한 입자를 포함한 합금은 가공 경화가 커지기 쉬우며, 반대 방향의 하중을 가하면 루프의 응력이 변형을 도우므로 바우싱거 효과도 커집니다. 산화물 입자로 강화하는 분산 강화나 과시효한 석출물, 탄화물을 포함한 강의 강화 대부분이 이 기구에 따릅니다. 고온에서는 전위가 상승 운동으로 입자를 넘어갈 수 있으므로 강화의 효과는 작아집니다.
오로완 기구 연습 문제에 도전
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?
- A약 74 MPa
- B약 228 MPa
- C약 24 MPa
정답과 해설 보기
정답: B. 약 228 MPa
Δτ = 26×10⁹ × 0.286×10⁻⁹/(100×10⁻⁹) ≈ 7.4×10⁷ Pa, 약 74 MPa입니다. 다결정 항복 응력의 증분으로 하려면 테일러 인자를 곱하여 Δσ = 3.06 × 74 ≈ 228 MPa가 됩니다. 약 74 MPa는 전단 응력 그대로 M을 곱하는 것을 잊은 값이고, 약 24 MPa는 M으로 나누어 버린 값입니다. 전위의 선장력은 약 Gb²/2이며, 전위가 석출물 사이에서 반원까지 휘어 나오면 빠져나갈 수 있다는 점에서 이 식이 나옵니다. 부피 분율이 같다면 입자가 미세할수록 간격 L이 좁아져 오로완 응력은 커집니다. 보다 정확한 식에는 전위의 성격이나 입자 크기에 따른 계수와 로그 항이 붙으며, 값은 이 어림보다 작아집니다.
자주 묻는 질문
오로완 식에 계수나 로그 항이 붙는 것은 왜입니까?
선장력은 전위의 성격(칼날 전위인지 나사 전위인지)이나 전위가 휘어 나왔을 때의 형태에 따라 달라지고, 입자의 크기에도 로그로 의존하기 때문입니다. 보다 정확한 오로완-애시비 식에서는 Gb/L로 어림한 값보다 작아집니다.
오로완 기구는 어떤 입자에서 작용합니까?
기지와 비정합인 입자, 단단한 산화물이나 탄화물, 크게 성장한 석출물처럼, 전위가 절단하는 데 큰 응력이 필요한 입자에서 작용합니다. 작고 정합인 석출물은 보통 전위에 절단됩니다.
부피 분율을 같게 하고 강도를 올리려면 어떻게 합니까?
입자를 미세하게, 수를 많게 하여 간격을 좁힙니다. 입자의 크기를 절반으로 하면, 부피 분율이 같은 경우 간격도 거의 절반이 되어 오로완 응력은 거의 2배가 됩니다.
해설 속의 ‘오로완 기구’
부피 분율이 같다면 입자가 미세할수록 간격 L이 좁아져 오로완 응력은 커집니다.
알루미늄 합금에서 전위가 석출물 사이로 휘어 나와 빠져나가는 오로완 기구에 의한 전단 응력의 증분을 Δτ …인장하는 동안 전위는 결정립계나 석출물, 다른 전위의 무리 앞에 쌓이고, 단단한 입자 주위에는 오로완 루프가 남습니다.
금속을 인장으로 소성 변형시킨 뒤 하중을 제거하고 반대 방향의 압축을 가하면, 압축에서의 항복 응력이 인장…석출물이 커지면 절단하는 것보다, 그 사이로 활처럼 휘어 나와 루프를 남기고 빠져나가는 오로완 기구 쪽이 쉬워지며, 그 응력은 석출물의 간격에 반비례하여 입자가 조대해질수록 내려갑니다.
시효로 석출물이 커짐에 따라 강도가 올라가 최대가 되고, 그 후 내려간다(과시효). 석출물과 전위의 상호작…단단하고 비정합인 입자는 전위에 절단되지 않고 오로완 기구로 강화합니다.
Cu에 미세한 Al₂O₃ 입자를 분산시킨 합금이나, 철에 Y₂O₃ 입자를 분산시킨 ODS강처럼, 산화물 입…
‘오로완 기구’ 관련 문제(4문제)
- 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?
- 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?
- 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.
- Cu에 미세한 Al₂O₃ 입자를 분산시킨 합금이나, 철에 Y₂O₃ 입자를 분산시킨 ODS강처럼, 산화물 입자로 강화하는 분산 강화의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?
관련 용어
전위 테일러 인자 바우싱거 효과 공공 홀-페치 관계 분산 강화 오스트발트 숙성 크리프 석출 경화 슈미트 인자