Topic : (1) 금속재료의 구조와 변형기구 (2) 반도체와 방향성 (3) 금속재료의 응고과정

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1 Topic : (1) 금속재료의 구조와 변형기구 (2) 반도체와 방향성 (3) 금속재료의 응고과정
Q: 소재의 실제 전단강도, 인장강도는 이론적 강도보다 현저히 작다 그 이유는?

2 (body-centered cubic) (face-centered cubic) (hexagonal close-packed)
Topic: 순금속의 3가지 결정구조 BCC (body-centered cubic) FCC (face-centered cubic) HCP (hexagonal close-packed) a-Fe, V, Cr, Mo, W, b-Ti g-Fe, Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pb Be, Mg, Zn, Co, a-Ti Atoms/Unit Cell APF (atomic packing factor) 68.02% 74.05% 74.05% Slip system 48 12 3

3 Atomic Packing Factor (APF)
Volume of atoms in unit cell* APF = Volume of unit cell *assume hard spheres • APF for a simple cubic structure = 0.52 Adapted from Fig. 3.43, Callister & Rethwisch 4e. close-packed directions a R=0.5a contains 8 x 1/8 = 1 atom/unit cell atom volume atoms unit cell 4 3 p (0.5a) 1 APF = 3 a unit cell volume

4 Body Centered Cubic Structure (BCC)
• Atoms touch each other along cube diagonals. --Note: All atoms are identical; the center atom is shaded differently only for ease of viewing. ex: Cr, W, Fe (), Tantalum, Molybdenum • Coordination # = 8 Adapted from Fig. 3.2, Callister & Rethwisch 4e. Click once on image to start animation (Courtesy P.M. Anderson) 2 atoms/unit cell: 1 center + 8 corners x 1/8

5 Atomic Packing Factor: BCC
• APF for a body-centered cubic structure = 0.68 a R a 3 a a 2 length = 4R = Close-packed directions: 3 a Adapted from Fig. 3.2(a), Callister & Rethwisch 4e. APF = 4 3 p ( a/4 ) 2 atoms unit cell atom volume a

6 Face Centered Cubic Structure (FCC)
• Atoms touch each other along face diagonals. --Note: All atoms are identical; the face-centered atoms are shaded differently only for ease of viewing. ex: Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag • Coordination # = 12 Adapted from Fig. 3.1, Callister & Rethwisch 4e. Click once on image to start animation 4 atoms/unit cell: 6 face x 1/2 + 8 corners x 1/8 (Courtesy P.M. Anderson)

7 Atomic Packing Factor: FCC
• APF for a face-centered cubic structure = 0.74 a 2 a maximum achievable APF Close-packed directions: length = 4R = 2 a Unit cell contains: 6 x 1/2 + 8 x 1/8 = 4 atoms/unit cell Adapted from Fig. 3.1(a), Callister & Rethwisch 4e. APF = 4 3 p ( 2 a/4 ) atoms unit cell atom volume a

8 Topic: 이론적 강도와 실제 강도 >>> 결함이 없는 결정구조에서 슬립면 전체에 포함된 원자들의 이동
(1) 이론적 최대전단강도 원자이동에 필요한 전단응력 후크의 법칙 전단탄성계수 (2) 이론적 인장강도 점결함(공공, 격자간 원자) 선결함(전위) 면결함(결정립계) 부피결함(기공, 개재물) (3) 금속구조의 결함 금속재료의 실제 강도가 이론적 강도보다 낮은 이유

9 Topic: 다결정 금속의 변형 (1) 결정립 크기(입도) 핵생성률과 핵성장률에 따라 결정
결정립이 크면? >>> 강도, 경도 낮음. 연성 높음. Hall-Petch 식 결정립도 n (ASTM, American Society for Testing and Materials) (N: X100 상에서 1 in.2 당 입자수) (2) 결정립계의 영향 >>> 전위이동 방해 (3) 이방성(anisotropy) 선택적 방향성(결정학적 이방성) 기계적 섬유화(mechanical fibering) >> grain flow line(단류선)

10 Point Defects • Vacancies -- vacancies exist in ceramics for both cations and anions • Interstitials -- interstitials exist for cations -- interstitials are not normally observed for anions because anions are large relative to the interstitial sites Cation Interstitial Vacancy Anion Adapted from Fig. 5.2, Callister & Rethwisch 4e. (Fig. 5.2 is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, Structure, John Wiley and Sons, Inc., p. 78.)

11 소성변형

12 전위 (Dislocation) 전위밀도 (단위체적당 전위의 총길이)는 소성변형을 받을 수록 증가

13 Topic: 금속의 응고과정(1)

14 Topic: 금속의 응고과정(2) (1) 결정립의 생성 액상 > 핵의 생성 > 성장 > 결정립(고상)
(2) 냉각곡선 순금속 합금 액상 액상 액상+고상 고상 고상 (3) 평형상태도

15 Grains During Solidification
FIGURE Schematic illustration of the various stages during solidification of molten metal. Each small square represents a unit cell. (a) Nucleation of crystals at random sites in the molten metal. Note that the crystallographic orientation of each site is different. (b) and (c) Growth of crystals as solidification continues. (d) Solidified metal, showing individual grains and grain boundaries. Note the different angles at which neighboring grains meet each other. Source: After W. Rosenhain.

16 주조조직과 결정립의 변형 열간가공 냉간가공 잉곳단면에서 볼 수 있는 주상정 조직 주형벽면: 칠영역(등축 미세결정립층)
주상정(culumnar crystal)은 잉곳의 내부로 성장 열간가공 냉간가공 기계적 섬유화로 인해 이방성 길이방향으로 강도 증가 소성변형에 따른 전위의 이동, 생성, 집적 (결정립 내부) 전위밀도의 증가

17 재결정(recrystallization)과 결정립 성장
Q: 고체상태에서도 결정이 만들어지는가? <33%냉간가공된 황동의 재결정과정> (a) 슬립라인이 보이는 결정립 (b) 580℃에서 3초 경과후 >>> 핵 생성 시작 (c) 4초 경과후 >>> 결정립 경계에서 미세 결정립 생성시작 (d) 8초후 >>> 재결정 완료 (e) 15분후 결정립 성장 모습 (f) 700℃에서 10분후 >>> 조대화된 결정립