기 계 재 료 한국폴리텍대학 서울강서캠퍼스 산업설비자동화과 지도 교수 오 병 덕.

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1 기 계 재 료 한국폴리텍대학 서울강서캠퍼스 산업설비자동화과 지도 교수 오 병 덕

2 제1장 총 론 산업설비자동화

3 ◈ 재료기술은 왜 배우는가? 재료 (Materials) ■ 재료기술은 모든 산업분야의 기초를 이룬다. 건설 자동차 조선 항공기
전기전자 재료 (Materials) 산업설비자동화

4 제1장. 기계재료의 총론 1. 기계재료의 총론 ◈ 기계재료 : 기계를 구성하고 있는 부품의 재료 ► 금속, 비금속
◈ 기계재료 : 기계를 구성하고 있는 부품의 재료 ► 금속, 비금속 • 금속 : 철강재료, 비철금속재료 • 비금속 : 무기재료, 유기재료 ► 신금속 : 소재산업의 발전에 따라 새로운 금속이 개발 • 기존의 금속재료의 특성을 획기적으로 개선시킨 금속 ► 신소재 : 복합소재(금속, 무기질, 유기질 원료를 조합) • 성능, 기능, 특성 및 용도에 따라 부가가치가 높은 소재 산업설비자동화

5 제1절 기계재료의 개요 순철 - 전해철 철강재료 강 - 탄소강,합금강,주강 주철 - 보통주철, 특수주철 1)금속재료
제1절 기계재료의 개요 1. 기계재료의 분류 순철 - 전해철 철강재료 강 - 탄소강,합금강,주강 주철 - 보통주철, 특수주철 1)금속재료 알루미늄과 그 합금 구리와 그 합금 비철금속재료 마그네슘과 그 합금 티탄과 그 합금 니켈과 그 합금 아연,납,주석과 그 합금 귀금속 등 2)비금속재료 무기질재료 - 유리,시멘트,석재 등 유기질재료 - 플라스틱,목재,고무,피혁,직물 등 산업설비자동화

6 각 부품의 사용 조건, 환경 고려 2. 기계재료의 선정 각 기계 부품에 요구되는 기능의 분석  기계적 성질 검토
 내마멸성, 내식성, 내열성 등의 필요성 검토 요구되는 소재의 모양과 치수 고려  가공성 검토 경제성 조사 및 검토 산업설비자동화

7 3. 기계재료의 특성 ◈ 금속의 공통적 특성 1 2 3 4 5 실온에서 고체이며, 결정체이다. (Hg 제외)
빛을 반사하고 고유의 광택이 있다. 3 비중이 크고, 경도 , 강도 및 용융점이 높다. 4 열, 전기의 양도체이다. 5 가공이 용이하고, 연성 및 전성이 크다. 산업설비자동화 Chang-Won campus, Korea Polytechnic VII College

8 비중이란 물에 대한 재료의 상대적인 질량을 말한다.
3. 기계재료의 특성 ◈ 경금속과 중금속 비중 (4.5) 비중이란 물에 대한 재료의 상대적인 질량을 말한다. 비중 = 재료의 밀도 / 물의 밀도 경금속 Al Mg Fe Cu Ti Be Li : 0.54 중금속 Fe : 7.87 Ni Mo W 산업설비자동화

9 3. 기계재료의 특성 3) 비금속의 특징(무기질재료) : 점토, 유리, 시멘트, 도자기, 각종 내화물 등
     ① 융점이 높고 강도, 경도, 내열성, 내식성이 높다.      ② 밀도와 팽창계수가 작다.      ③ 전기절연체이고, 열전도율이 작다.      ④ 취성파괴의 특성을 가진다.      ⑤ 냉간가공이 어렵다. 4) 비금속의 특징(유기질재료) : 플라스틱, 고무, 섬유, 도료, 접착제 등    ► 유기고분자재료 : C, H, O, N 을 주성으로 하는 고분자화합물의 총칭    ► 고분자재료의 장점      ① 부품수를 감소시키고 마무리 작업이 불필요.   ② 조립이 간편하고 가볍다.     ③ 소음이 적고 윤활하지 않아도 되는 경우가 있다. 5) 복합재료의 특징    ► 두가지 이상의 다른 물질이 거시적으로 혼합되어 유용한 물질이 된 것 ① 비강성과 비강도가 크고, 원하는 방향으로 강성과 강도를 조정 가능.   ②열팽창계수가 적고, 제조가 용이하다. 산업설비자동화

10 3. 기계재료의 특성 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ... 6) 합금 (alloy)
금속의 성질을 개선하기 위하여 단일 금속에 한가지 이상의 금속이나 비금속 원소를 첨가한 것    ① 철 합금 : 탄소강, 특수강, 주철, 합금강    ② 구리 합금 : 황동, 청동, 특수구리 합금    ③ 경합금 : 알루미늄, 마그네슘, 티탄 합금    ④ 원자로용 합금 : 우라늄, 토륨    ⑤ 기타 합금 : 납- 주석 합금, 베어링 합금, 저 용융 합금 7) 준금속, 귀금속, 희유금속    ① 준금속 : 금속적 성질과 비금속적 성질을 같이 갖는 것으로 B(붕소) 등 약 7종이 있다.    ② 귀금속 : 자체의 광택이 아름다우며, 산출량이 적고 화학약품에 대한 저항력이 크다    ③ 희유 금속 : 채취가 힘들고 특수한 목적에 사용한다.(U, Th, Hf, Ge) 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

11 ※ 원소의 주기율표 산업설비자동화 원소를 원자핵의 양성자수가 증가하는 순으로 배열한 주기율표상의 화학원소의 번호. 중성 원자에서 양성자수는 전자수와 같으며 이것이 원자번호이다.

12 3. 기계재료의 규격 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ... 가. 국가별 산업규격
국가 및 기구 규 격 기 호 제 정 년 도 영국 BS(British Standards) 1901 독일 DIN(Deutsche Industrie Normen) 1917 미국 ANSI(American National Standards Institute) 1918 스위스 SNV(Schweitzerish Normen des Vereinigung) 프랑스 NF(Norme Francaise) 일본 JIS(Japanese Industrial Standards) 1952 한국 KS(Korean Industrial Standards) 1961 국제표준화기구 ISO(International Organization for Standardization) 1947 나. 한국 산업규격의 분류 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

13 3. 기계재료의 특성 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

14 3. 기계재료의 특성 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

15 3. 기계재료의 특성 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

16 3. 기계재료의 특성 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

17 3. 기계재료의 특성 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

18 3. 기계재료의 특성 산업설비자동화 Ge : 게르마늄, U : 우라늄, Th : 토륨 , Hf : 하프늄 ...

19 제2절 기계재료의 물성변화 및 재료시험 ◈ 기계적 성질 ► 항복점 : 인장시험에서 하중을 0으로부터 증가시키면 응력의 근소한
    ► 항복점 : 인장시험에서 하중을 0으로부터 증가시키면 응력의 근소한 증가나 또는 증가 없이도 변형이 급격히 증가 하는 점에 이르게 되는데, 이 점을 항복 점이라 한다.     ► 연성 : 물체가 탄성한도를 초과한 힘을 받고도 파단되지 않고 늘어나 서 소성 변형이 되는 성질로서 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금, 납, 아연, 철 등의 순으로 좋다.     ► 전성 : 금속을 얇은 판이나 박으로 만들 수 있는 성질로서 금, 은, 알루미늄, 철,니켈,구리,아연 등의 순으로 좋다. ► 인성 : 굽힘이나 비틀림 작용을 반복하여 가할 때 이 외력에 저항하는 성질, 즉 끈기 있고 질긴 성질을 말한다. ► 취성 : 물체가 약간의 변형에도 견디지 못하고 파괴되는 성질로서 연 성에 반대 된다. ► 가공경화 : 금속이 가공에 의하여 강도, 경도가 커지고 연신 율이 감소 되는 성질이다 산업설비자동화

20 ► 강도 : 물체에 하중을 가한 후 파괴되기까지의 변형저항을 총칭하는 말 로서 보통 인장강도가 표준이 된다.
◈ 기계적 성질 ► 강도 : 물체에 하중을 가한 후 파괴되기까지의 변형저항을 총칭하는 말 로서 보통 인장강도가 표준이 된다. ► 경도 : 물체의 기계적인 단단함의 정도를 수치로 나타낸 것이다. ► 가단성 : 단조가 잘되는 정도의 성질. ► 가주성 : 유동성이 좋아져서 주조작업이 가능한 성질. ► 피로 : 재료에 인장과 압축하중을 오랜 시간 동안 연속적으로 되풀이 하면 파괴되는 현상. ► 크리프 : 고온에서 탄성한도내의 하중을 걸어 시간이 경과에 따라 변형 이 서서히 증가하는 현상     산업설비자동화

21 2. 항복강도/인장강도/ 항복비 항복강도 : 인장강도 : 항복비 : 0.2% 항복강도를 구하는 방법 산업설비자동화

22 응력과 변형율 선도 산업설비자동화

23 3. 물리적 특성 ◈ 비중(Specific gravity) ► 물과 똑같은 부피를 가진 물체의 무게와의 비
►제품의 무게 / 제품과 같은 체적의 4℃ 물의 무게 ►비중에 의해 경금속(4.5이하), 중금속(4.5 이상)으로 구분 ◈ 비열(Specific heat) : cal ►물질 1gr을 1 ℃ 만큼 높이는 데 필요한 열량을 그 물질의 비열이라 함 ►1 cal : 물 1gr을 1 ℃ 만큼 높이는 데 필요한 열량  ◈ 용융점(melting point), 응고점(solidification point) ►가열에 의해 고체금속이 액체금속, 액체금속이 고체금속으로 되는 온도 산업설비자동화

24 3. 물리적 특성 산업설비자동화

25 3. 물리적 특성 ◈ 용융잠열(melting latent heat)
►용융점에 도달한 금속이 고체에서 액체로 변화하는데 필요한 열량 ►냉각곡선에서 금속이 응고할 때 시간이 경과하여도 온도의 변화가 생기질 않고 금속 전부가 응고되어야 만 온도가 내려 감 ◈ 비등점 또는 비점(Boiling point) ►액체금속이 기체금속으로 변하는 온도 ►Ag(2,210 ℃), Al(2,450 ℃), Au(2,970 ℃) 등 ◈ 열전도율(heat conductivity) ►물체내에서 열에너지의 이동을 열전저도라 함 ►cal/cm2 • sec • ℃ : 길이 1cm에 대하여 1 ℃ 온도차가 있을 경우 1cm2 의 단면적을 통하여 1초 동안 전달되는 열량 물 1gr을 온도 1 ℃ 만큼 올리는데 필요로 하는 열량은 1cal이다 산업설비자동화

26 3. 물리적 특성 산업설비자동화

27 4. 전기적 특성, 자기적 특성 ◈ 도전율(conductivity) ►전기저항의 역수로서 전기전도도라 함
4. 전기적 특성, 자기적 특성 ◈ 도전율(conductivity) ►전기저항의 역수로서 전기전도도라 함 ►전기저항 : 길이 1m, 단면적 1mm2 선의 저항을 Ω(ohm)으로 나타낸 것 ►고유저항이 작을수록 전기전도율이 좋다 ◈ 자성 ►상자성체 : 외부 자기장에 의해 자화되고 자기장이 사라지면 자성이 사라 지는 물질(Pt, Al, Sn, Ir, Mn 등) ►강자성체 : 외부에서 가해진 자기장이 사라져도 자화가 남아있는 물질 (Fe, Ni, Co 등) ►반자성체 : 외부 자기장에 의해 반대 방향으로 자화되는 경우 (Bi, Sb, Au, Hg, Cu 등) 강자성체 : 외부에서 강한 자기장을 걸어주었을 때 그 자기장의 방향으로 강하게 자화된 뒤 외부 자기장이 사라져도 자화가 남아 있는 물질을 말한다(자화 : 물체가 자성을 지니는 현상) 상자성체 : 외부에서 가해진 자기장이 사라지면 자성이 사라지는 물질 산업설비자동화

28 ◈ 산화(Oxidation) 와 환원(Reduction)
5. 화학적 특성 ◈ 산화(Oxidation) 와 환원(Reduction) ► 산화 : 어떤 물질이 산소와 화합하는 과정(산화반응 : Zn+O→ZnO) ► 환원 : 산화물이 산소를 빼앗기는 현상(환원반응 : ZnO+C→Zn+CO) ► 산화막 : 산화에 의해 금속의 표면에 생긴 산화물 층 : 보호적, 비보호적) ◈ 부식(Corrosion) ► 부식 : 물, 공기중 또는 가스류에 의해 금속의 표면이 변화(화학적작용) • 건부식 : 수분이 작용하지 않고 일어나는 부식 • 습부식 : 수분이 작용하여 일어나는 부식 현상 • 침식 : 기계적인 작용에 의해 표면이 변화하는 상태 산업설비자동화

29 5. 화학적 특성 산업설비자동화

30 1. 금속재료의 결정구조와 변형 산업설비자동화

31 1. 금속재료의 결정구조와 변형 순철의 현미경 조직 산업설비자동화

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36 단위 결정격자 안에 원자 수 ① 체심 입방 격자(B.C.C = body centered cubic lattice)
     /8 ×  = 2개 ② 면심 입방 격자 (F.C.C = body centered cubic lattice)      /8 ×  8 + 1/2  ×  6 = 4개          ③ 조밀 육방 격자(H.C.P = hexagonal close packed lattice)     1/6 × 12 +1/2× 2 ×  3개 = 6개 산업설비자동화

37 1. 금속의 응고 ►금속의 제조법 : 농축방법, 전기분해법, 단련방법, 분말야금법, 용해법 중 공업용
금속재료는 용해에 의한 방법이 주로 사용 산업설비자동화

38 나. 결정성장과 발달 ★결정체 : 물질 구성원자가 규직적으로 배열되어 있는 것.
① 결정순서 : 핵 발생(온도가 낮은 곳)결정의 성장(樹枝狀)결정경계 형성(불순물이 형성) ② 결정의 크기 : 냉각속도가 빠르면 핵 발생이 증가결정입자가 미세화 ③ 주상정 : 금속주형에서 표면의 빠른 냉각으로 중심부를 향하여 방사상으로 이루어지는 결정 ④ 수지상 결정 : 용융 금속의 냉각시 금속 각부에 핵이 생겨 나뭇가지와 같은 모양을 이루는 결정 ⑤ 편석 : 금속의 처음 응고부와 차후 응고부의 농도차가 있는 것불순물이 주 원인 산업설비자동화

39 나. 결정성장과 발달 그림 1-4 순금속의 결정성장과정 참조(p11) 산업설비자동화

40 3. 응고 후의 조직 ◈주상조직 : 빨리 냉각되는 주물의 표면에는 많은 핵이 생기며 천천히 냉각되는 중심부분에는 결정핵이 거의 생기지 않으므 로 중심을 향하여 가늘고 긴 주상조직 즉 주상정이 생긴다. 산업설비자동화

41 나. 금속의 변형 원리와 쌍정 ◈ 용어 정의 ►탄성 : 금속에 외력이 가해지면 변형이 생기고 하중이 제거되면 원상태로 되돌
아 가는 성질 ►소성 : 금속에 가해진 외력이 제거되어도 원래상태로 돌아가질 못하고 영구 변형이 남는 현상 ►소성가공 : 금속의 소성성질을 이용하여 변형을 시키는 가공법 ►슬립(slip) : 금속 결정내의 일정면이 원자면을 따라 미끄럼을 일으켜 층상 이 동하는 것 ►슬립면(slip plane) : 슬립이 일어나는 원자면, 그 방향을 슬립방향 이라 함 ► 쌍정(Twin) : 슬립현상이 대칭으로 나타낸 것으로 황동 풀림 시, 연강을   저온에서 변형 시 흔히 볼 수 있다. ◈주상조직 : 빨리 냉각되는 주물의 표면에는 많은 핵이 생기며 천천히 냉각되는 중심부분에는 결정핵이 거의 생기지 않으므 로 중심을 향하여 가늘고 긴 주상조직 즉 주상정이 생긴다. 산업설비자동화

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43 나. 금속의 변형 원리와 쌍정 ◈ 쌍정(twin) 산업설비자동화
◈주상조직 : 빨리 냉각되는 주물의 표면에는 많은 핵이 생기며 천천히 냉각되는 중심부분에는 결정핵이 거의 생기지 않으므 로 중심을 향하여 가늘고 긴 주상조직 즉 주상정이 생긴다. 산업설비자동화

44 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ㅗ o o o o o o o ㅗ o o o
나. 금속의 변형 원리와 쌍정 ◈ 전위 (Dislocation) : 금속에 외력이 작용하면 어느 한곳에 미끄럼이 생기 고 다른 곳으로 차례로 미끄럼이 발생하여 한원자간의 이동이 생긴다. 그림에서와 같이 슬립면의 위와 아래에서하나의 원자면이 중단된 것 을 전위라 한다.(칼날전위, 나사전위, 혼합전위) ►금속의 소성변형은 주로 전위의 이동에 의한 슬립에 의해 발생 o o o o o o o o  o o o o o o o o o o o o ㅗ o o o o o o o ㅗ o o o 산업설비자동화

45 2. 재료의 강화 방법 ◈ 가공경화(work hardening) : 소성가공에 의해 전위밀도를 증가시켜 금속
◆ 소성 가공 (Plastic working) 의 원리 금속에 외력을 주어 영구 변형(소성 변형 Plastic deformation)을 시켜가공조직의 미세화로 기계적 성질이 향상. 가. 단점 : 내부응력의 발생과 잔류응력이 남게 된다. 나. 목적 : ① 금속을 변형시켜 필요한 모양으로 만든다. ② 주조 조직을 파괴 단련하고 조직을 미세화한 후 풀림 처리하여 기계적 성 질을 좋게 한다. ③ 가공시 내부응력을 적당히 잔류시켜 기계적 성질을 향상 ◈ 가공경화(work hardening) : 소성가공에 의해 전위밀도를 증가시켜 금속 이 단단해지는 현상 산업설비자동화

46 1) 소성 가공 (Plastic working)의 종류
① 단조 : 소재를 가열하여 에어해머로 단련 및 성형하는 조작법 ② 압연 : ROLLER사이에 소재를 넣어 판재나 봉재로 가공하는 조작법 ③ 프레스 : Punch와 Dies에서 성형하는 조작법 ④ 압출 : Container에서 가압해 봉재, 판재, 형재 등으로 가공하는 조작법 ⑤ 인발 : 원뿔 dies를 사용 봉재, 선재를 가공하는 방법 산업설비자동화

47 그 저항이 증가하여 강도, 경도가 증가 하고 연신율이 작아지는 현상
 1) 냉간 가공(cold working) : 재결정온도 이하의 가공. 가공경화로 강도, 경도가 커지고 연신율이 감소하므로 풀림처리로 연성과 전성을 회복시킨다. 치수의 정밀도. 균일한 성질. 표면이 매끈한 제품에 적합  2). 열간 가공(hot working) : 재결정온도 이상의 가공. 내부응력이 없으므로 가공이 용이 ⓐ 가공 경화(work hardening) 소성변형이 진행되면 슬립에 대한 저항이 점점 증가하고 그 저항이 증가하여 강도, 경도가 증가 하고 연신율이 작아지는 현상 ⓑ 시효 경화(age hardening) : 듀랄루민 가공이 끝난 후 시간 경과와 더불어 기계적 성질이 변하여 경화현상이 발생 ⓒ 인공 시효(artificialing) : 720℃ 수냉 저탄소강, 초고장력강 가열로서 시효 경화를 촉진시키는 것. 시효경화는 상온에서 천천히 진행되나 온도를 약 ℃로 높여주어 인위적으로 시효경화를 촉진 산업설비자동화

48 ◈ 재결정 및 회복 1) 재결정(Recrystallization)
냉간 가공으로 소성 변형된 금속을 적당한 온도로 가열하면 가공으로 인해 일그러진 결정 속에 새로운 결정핵이 생기고 성장하여 가공물 전체가 변형 이 없는 본래의 결정으로 치환되는 과정 * 재결정온도 : 재결정을 시작하는 온도 - 재결정 온도에 영향을 주는 요인 ① 가열시간 : 길수록 낮다 ② 가공도 : 클수록 낮다 ③ 가공전 결정입자의 크기 : 미세할수록 낮다. 2) 회복(Recovery) 상온 가공에 의하여 내부 변형을 일으킨 결정립이 가열에 의해 원자 운동이 활발해 지고, 경도를 유지하나 그 모양은 바뀌지 않고 내부응력이 감소되는 현상 산업설비자동화

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50 ◈ 각종금속의 재결정 온도 산업설비자동화

51 산업설비자동화

52 ◈ 고용체 합금 가. 고용체(solid solution)
►침입형 고용체 : 단일 결정체에 타 금속원자나 비금속원자가 녹아 들어간 형태 ►치환형 고용체 : 결정격자의 격자점 원자를 타 금속 및 비금속 원자가 치환한 형태 ►금속이 고온에서는 불규칙적인 원자배열, 한계온도 이하에서는 규칙격자가 생성 산업설비자동화

53 ◈ 금속의 변태 ① 동소 변태 고체 내에서 원자 배열이 변하는 것. (가)성질의 변화가 일정 온도에서 급격히 발생
(나)동소 변태의 금속: Fe, Co, Ti, Sn 산업설비자동화

54 산업설비자동화

55 산업설비자동화

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57 ② 자기변태 : 원자 배열은 변화가 없고, 자성만 변하는 것. 산업설비자동화

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59 ★ 2원계 합금 조직 산업설비자동화

60 3. 재료시험 ▶ 재료시험의 개요 재료의 사용목적과 사용조건에 적당한가와 안전한 하중의 한계와 재료의 변형 능력을 검토
산업설비자동화

61 ▶ 인장시험 ① 항복점 : 하중이 일정한 상태에 서 하중의 증가 없이 연신율이 증가되는 점
① 항복점 : 하중이 일정한 상태에 서 하중의 증가 없이 연신율이 증가되는 점 ② 영률(세로 탄성계수) : 탄성한도 이하에서 응력과 연신율은 비례(후크의 법칙)하는데 응력을 연신율로 나눈 상수 ③ 내력 : 주철과 같이 항복점이 없는 재료에서는 0.2%의 영구 변형이 일어날 때의 응력 값을 내력으로 표시한다. 산업설비자동화

62 그림. 만능인장시험기 와 인장시험편 산업설비자동화

63 산업설비자동화

64 산업설비자동화

65 경도는 기계적 성질 중 대단히 중요하며, 단단한 정도를 시험하는 것이다.
(2) 경도 시험 경도는 기계적 성질 중 대단히 중요하며, 단단한 정도를 시험하는 것이다. 경도 값을 알면 내마모성을 알 수 있으며, 단단한 재료일수록 신율, 드로잉 률이 적다 경도시험의 종류 : 브리넬경도시험(HB), 로크웰경도시험(HR), 비커스경도시험(HV), 쇼어경도시험(HS) 등 브리넬경도시험기 로크웰경도시험기 비커스경도시험기 쇼어경도시험기 산업설비자동화

66 시험편 노치부에 동적 하중을 기하여 재료의 인성과 취성을 알아낸다. ① 샤르피식 충격시험기 : 단순보 상태에서 시험
(3) 충격 시험      시험편 노치부에 동적 하중을 기하여 재료의 인성과 취성을 알아낸다.       ① 샤르피식 충격시험기 : 단순보 상태에서 시험       ② 아이조드식 충격시험기 : 내다지보 상태에서 시험 산업설비자동화

67 수고 하셨습니다. 산업설비자동화