금속재료의 성질 학습내용 학습목표 ▐ 이번 차시의 주요 학습내용과 학습목표입니다. 1. 금속의 일반적 성질 2. 금속재료의 물리적 성질 3. 금속재료의 화학적 성질 4. 금속재료의 가공상 성질 5. 금속재료의 기계적 성질 학습목표 일반적인 금속의 성질은 물론 금속재료의 물리적, 화학적, 가공상, 기계적 성질에 대해 설명할 수 있습니다.

- 연성 및 전성은 다른 말로 뽑힘성 및 퍼짐성 이라 함 1. 금속의 일반적 성질 1) 금속 상온(常溫)에서 일반적으로 고체이다. 비중이 일반적으로 크다. 불투명하며, 특수한 색과 광택을 가지고 있다. 연성(延性) 및 전성(展性)이 우수하다. 열 전달 및 전기의 흐름이 좋은 양도체 (良導體)이다. Level up! - 연성 및 전성은 다른 말로 뽑힘성 및 퍼짐성 이라 함

1. 금속의 일반적 성질 2) 수은 수은 만드는 과정 상온에서 고체가 아닌 금속

1. 금속의 일반적 성질 3) 합금 합금 만드는 과정 + 공업재료의 대부분이 합금 상태로 사용 합금의 특징 융합 1종 또는 단일 금속 1종 또는 그 이상의 다른 금속 원소 금속적 성질을 가진 새로운 물건 생산 공업재료의 대부분이 합금 상태로 사용 합금의 특징 ① 합금(alloy)은 성분금속의 선택과 배합비율에 따라 순금속으로는 얻기 어려운 우수한 성질을 가지게 할 수 있음. ② 합금의 제 물성은 합금의 조직을 구성하고 있는 상(phase)의 성질 또는 혼합비에 의해 변화 함. ③ 재료의 조성이 동일하더라도 주조(casting), 압연(rolling), 단조(forging) 등의 가공법과 열처리에 의해 물성이 변함.

2. 금속재료의 물리적 성질 1) 비중 비중이란? Level up! ※ 비중에 대한 자세한 내용은 강의를 참조하여 작성해 보세요. 비중이란? 중량의 제한을 받는 항공기 등에 사용될 때 중요! 원자재 소요량 계산시 중요! Level up! - 경금속 : 비중이 4 이하의 금속으로, Al과 Mg이 대표적 금속 - 합금의 비중 : 조성과 일반적으로 직선적 관계가 있음

2. 금속재료의 물리적 성질 2) 열적 성질 온도 차가 있을 때 흐르는 열량 온도상승 금속재료 가열 길이나 체적의 변화 열팽창 계수 비열 열 전도율 기계설계 및 사용상 충분히 고려 -> 이종금속의 접합(용접, 리베팅) 열기관, 열교환기 및 보일러 등에 중요한 성질 -> 동, 알루미늄 널리 사용

2. 금속재료의 물리적 성질 2) 열적 성질 -물질 1g의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량. -단위 : cal/g.℃ -합금의 비열은 조성과 직선적 관계가 있는 것이 대부분임. 비열 열팽창 계수 -물체의 온도가 1℃ 상승할 때 단위 길이의 늘어난 양. -선팽창 계수와 체적 팽창계수가 있음. -거리 1cm에 대해 1℃의 온도 차가 있을 때 1cm2의 단면을 지나 1초간에 전달되는 열량. -단위 : cal/cm.sec.℃ -금속의 열 전도율은 순도가 낮을수록 떨어지며, 합금의 경우는 성분 금속의 것보다 일반적으로 적음. 열 전도율

2. 금속재료의 물리적 성질 ■ 각종 금속 원소의 물리적 성질(20℃) In 7.14 420 0.0915 39.7 0.27 원 소 기 호 비 중 융 점 (℃) 비 열 (cal/g.℃) 열팽창 계 수 (x 10–6) 열전도율 (cal/cm. s.℃) 전 기 비저항 (μΩ. cm) In 7.14 420 0.0915 39.7 0.27 5.92 Al 2.70 660 0.22 23.6 0.57 2.69 Sb 6.62 631 0.049 9.65 0.042 42.0 Cd 8.65 321 0.055 29.8 0.20 7.4 Au 19.3 1,063 0.0312 14.2 0.70 2.30 Ag 10.45 961 0.0559 19.68 1.00 1.59 Cr 7.19 1,875 0.11 6.2 0.16 12.9 Si 2.33 1,412 0.162 2.3x1012 Ge 5.32 936 0.073 5.75 0.14 4.0x1012 Co 8.90 1,492 0.099 13.8 0.165 6.24 Sn 7.30 232 0.054 23.0 0.156 12.8 W 3,380 0.033 4.60 0.40 5.50 Ti 4.51 1,669 0.124 8.41 0.037 55.0 Fe 7.86 1,537 11.76 0.175 9.71 Cu 8.96 1,083 0.092 16.5 0.94 1.67 Pb 11.34 3271 0.0309 29.3 0.083 20.6 Ni 1,455 0.105 13.3 0.21 6.84 Pt 21.45 1,769 0.0314 8.9 10.6 V 6.10 1,905 0.119 8.3 0.074 26 Bi 9.8 271 0.0294 0.019 116 Mg 1.74 650 0.245 27.1 3.90 Mn 7.43 1,244 0.115 22.0 - 160 Mo 10.22 2,615 0.066 4.9 0.34 5.7

2. 금속재료의 물리적 성질 3) 전기적 성질 전기 재료 자체의 특성으로 고유저항이라고도 함 비저항 동 및 알루미늄의 비저항 값 20℃ 부근에서 1℃ 증가마다 0.39%의 저항증가가 생김 국제표준연봉의 도전율 0.58임 메모하기

2. 금속재료의 물리적 성질 4) 자기적 성질 자속밀도 B와 자화력 H와의 관계를 표시하는 이력곡선(B-H곡선)에 의해 알 수 있음 자속밀도 (Flux density) 이력 손실의 크기 : B-H Curve의 면적 - 연자성 재료는 이 면적이 작을수록 좋음 - 경자성 재료는 매우 큰 것이 요구 Level up! 자속밀도 단위는 Gauss 자계강도 단위는 Oersted

2. 금속재료의 물리적 성질 4) 자기적 성질 Level up! 와전류 손실 (eddy current loss) 이력손실 (hysterisis loss) 투자율 (permeability) 자화곡선 철손 (core loss) Level up! - 투자율은 연자성 재료에서 매우 중요한 특성으로, 이것이 매우 큰 것이 요구 - 철손은 열로써 손실되며, 단위는 W/kg, W/p 임

2. 금속재료의 물리적 성질 4) 자기적 성질 강자성체의 처녀시료가 자계에 의해 어느 정도 자화되는가를 강자성체의 처녀시료가 자계에 의해 어느 정도 자화되는가를 나타내는 곡선(B-H Curve) 자화곡선 -와류 : 교류 자화력이 자성재료에 가해지면 교류 자속을 발생 시키며, 이 교류 자속은 자성재료에 적은 교류 전압을 일으켜 발생되는 전류. -와류의 크기 : 자성재료의 두께, 자속밀도 및 주파수의 제곱 에 비례하고, 전기저항의 6승에 반비례 함. 와전류 손실 (eddy current loss) -교류 자화력이 자성재료에 가해질 때 자화 Process를 방해하는 내부 저항으로 손실되는 에너지. -자속밀도(B) : 자성재료 단위 면적당 자력선의 수(#3) -자계강도(H) : 자성재료 단위 길이당 자장을 만드는 힘(#4) -최대 자속밀도(Bm) : 자성재료가 얻을 수 있는 최대 자속밀도. -잔류 자속밀도(Br) : 자계강도(H)가 Zero일 때의 자속밀도. -보자력(Hc) : 잔류 자속밀도(Br)가 Zero일 때의 자계강도. -영향인자 : 결정방위(grain orientation), 자성재료의 순도, 내부응력(internal stress) 이력손실 (hysterisis loss)

2. 금속재료의 물리적 성질 4) 자기적 성질 -자성재료가 자화 될 수 있는 용이성의 척도, 또는 자력선이 자성 투자율 재료 내부를 통과해 나갈 때의 통과 난이 정도. -투자율(μ)=최대 자속밀도(Bm)/최대 자계강도(Hm) 투자율 (permeability) 철손 (core loss) -자성재료가 전류에 의해 자화되는 과정에서 손실되는 에너지. -이력손실과 와전류 손실의 합임. 메모하기

3. 금속재료의 화학적 성질 1) 부식 부식이란? -철과 강에 빨간 녹이, 동과 동합금에 파란 녹이 발생한 것. -금속이 주위 환경에 의해 화합물로 변화되어가는 현상으로, 일종의 산화반응임. 부식의 형태 습식(wet corrosion) 건식(dry corrosion) -물 또는 산, 염, 알칼리 용액에 의한 부식 -금속의 표면에 국부전지가 형성됨으로써 발생 함. -공기 중의 수분, 염분, 이산화탄소, 아황산가스, 유화가스, 염산가스, 암모니아가스에 의해 부식이 촉진됨 -고온에서 발생하는 산화 및 유화 현상 순화학적 반응

3. 금속재료의 화학적 성질 1) 부식 부식의 종류 금속조직의 결정입계에 합금 원소의 편석에 의해 그 부근이 ※ 부식의 종류에 관한 자세한 내용은 강의를 참조하여 작성해 보세요. 금속조직의 결정입계에 합금 원소의 편석에 의해 그 부근이 국부적으로 부식되는 현상 인장에 의한 변형과정과 부식이 동시에 일어날 때 발생하는 균열 전해질 용액 속에서 이종금속이 접촉하여 그것들 사이에 전위차가 있을 때 생기는부식 금속의 표면과 표면 사이에 틈새가 있을 때 이온의 농도 차에 의해 생기는 부식 금속에 유체, 분체의 충돌 및 마찰에 의해 침식되는 현상 특정한 원소만이 선택적으로 용출되는 부식 부식환경 속에서 반복하중에 의해 금속이 피로해지는 현상

3. 금속재료의 화학적 성질 1) 내식성 내식성이란? 금속재료의 부식에 대한 저항력 금속의 화학조성 및 용액의 종류 및 농도 조직 용액의 종류 및 농도 온도 이온화 경향 부동태 메모하기

4. 금속재료의 가공상 성질 - 소성 가공의 난이도로, 각각의 소성 가공법에서는 단조성, 압연성, ※ 금속재료의 가공상 성질에 관한 자세한 내용은 강의를 참조하여 작성해 보세요. - 소성 가공의 난이도로, 각각의 소성 가공법에서는 단조성, 압연성, Press 성형성 등의 용어로 불리고 있음 - 소성 : 재료가 외력에 의해 여러 가지 형상으로 변형되는 성질로, 가 소성 이라고도 함. - 소성 가공은 재료의 변형능력과 변형저항에 의해 지배 됨 - 온도가 높을수록 변형저항이 감소하고, 변형능력이 증가 -주물 제작의 난이도로, 용탕의 유동성과 수축성을 포함하는 성질 -순금속보다 합금 쪽이 주조하기 용이 -절삭공구에 의한 피절삭 재료의 절삭 난이도를 표시 -판정기준 : 절삭공구 수명의 장단, 절삭저항의 대소, 절삭 마무리 면의 정도, 절삭칩 처리의 난이 정도 -접합 재료의 용접 난이도를 표시하는 것으로, 작업상의 접합성과 용접부의 사용성능 양자가 포함

응력-변형 선도(Stress-Strain Diagram) 5. 금속재료의 기계적 성질 1) 강도 강도(Strength) 란? -재료의 파괴 및 변형에 대한 저항력 응력-변형 선도(Stress-Strain Diagram) 응력-변형 선도는 인장시험에서 얻어짐 다음과 같은 하중-연신 그래프(Load-Elongation Diagram)라고도 함 P E Y U (u) σ (y) (e) (p) 변 형 량(ε) 응 력(σ) 파단 Neck 발생 비례한도(proportional limit) -> 응력과 변형량이 정비례하는 최대응력 σ(e) ☞탄성한계(elastic limit) : 응력이 Zero가 되면 변형도 Zero가 되는 최대응력 한도[σ(e)] σ(Y)] ☞항복점(yield point) : 하중을 제거해도 변형량이 Zero로 되지 않고, 영구변형이 생기는 하중점(Y) Y ☞항복강도(yield strength) : 항복점 하중(Y) / 시험편 단면적 ☞인장강도(tensile strength) : 최대하중(U) / 시험편 단면적 σ(U)

5. 금속재료의 기계적 성질 1) 강도 강도의 형태 -재료의 파괴 및 변형에 대한 저항력 ■ 피로강도(fatigue strength) -피로(fatigue) : 재료에 반복 하중이 작용할 경우, 탄성한계 이하의 작은 하중에서 파괴가 일어나는 현상 -피로한도 : 무한한 반복하중에 견딜 수 있는 하중(응력)의 상한치 -시간 피로강도 : 어느 수명시간에 해당하는 반복 회수에 견딜 수 있는 응력 ■ 크리프 강도(creep strength) -크리프(creep) : 재료가 소정의 응력과 소정의 온도하에서 시간의 경과와 더불어 변형량이 증가하는 현상. -크리프 한도 : 소정의 온도에서 하중을 가하여 어느 긴 시간 후의 크리프 변형이 Zero가 되는 최대 응력. -크리프 파단강도 : 어느 규정된 시간에 크리프 파단이 생기는 응력

5. 금속재료의 기계적 성질 2) 연성 연성이란 -재료가 외력에 의해 얼마만큼 변형 가능한가에 대한 것으로, 변형 능력이라고도 함. 강도 좋은 재료 연성 Level up! -인장시험에서 얻은 총 연신율과 단면 수축율로 나타 냄 -총 연신율(total elongation), e = [(L2 - L1) / L1] x 100(%) L1 : 인장시험 전 표점거리(mm) L2 : 인장시험 후 표점거리(mm) -단면 수축율(reduction of area), R =[(A1 – A2) / A1] x 100(%) A1 : 인장시험 전 단면적(mm2) A2 : 인장시험 후 단면적(mm2)

5. 금속재료의 기계적 성질 3) 인성(toughness) 연성이란 ※ 인성에 관한 자세한 내용은 강의를 참조하여 작성해 보세요. 연성이란 -충격하중이 작용하였을 때 파괴되지 않고 견딜 수 있는 성질 ※ 관계 있는 것끼리 줄긋기를 해보세요. 충격치 파단에 사용된 에너지를 시험편 노치부 단면적으로 값(kgf.m/cm2) 시험편을 1회의 충격하중으로 판단하는 데 소요된 에너지, 또는 흡수된 에너지 샤르피(charpy) 충격치 아이조드(Izod) 충격치 금속이 소성변형을 일으키지 않고 파괴되는 성질 취성(brittle) 파단에 사용된 에너지로 표시(kgf.m)

변형저항의 대소를 나타내는 점에서 강도와 관계가 있음. 5. 금속재료의 기계적 성질 4) 경도(hardness) 경도란? -강한 물체를 재료에 압입할 때의 변형저항. 변형저항의 대소를 나타내는 점에서 강도와 관계가 있음. Level up! 각 기계적 성질의 관계 -경도값의 소정의 범위 내에서는 강도와 경도는 비례관계에 있으며, 연성은 강도에 반비례 함. 즉, 경도가 큰 금속일수록 강도가 크며, 반대로 연성은 작아 짐. 메모하기