소개글
"평균 결정립 크기 측정"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험 목적
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 결정립(Grain)
1.2.2. 절단(Cutting)
1.2.3. 마운팅(Mounting)
1.2.4. 연마(Grinding) 및 폴리싱(Polishing)
1.2.5. 엣칭(Etching)
1.2.6. 광학현미경(Optical Microscopy)
1.2.7. 강도(Strength)
1.2.8. 경도(Hardness)
1.2.9. 결정립 크기 측정 방법
2. 실험 방법
2.1. 시편 준비
2.2. 마운팅
2.3. 연마 및 폴리싱
2.4. 에칭
2.5. 광학현미경 관찰
2.6. 경도 측정
3. 실험 결과
3.1. 광학현미경 관찰 결과
3.2. 경도 측정 결과
3.3. 결정립 크기 측정 결과
4. 고찰
4.1. 결정립 크기와 경도의 관계
4.2. 변형 강화 및 어닐링에 따른 영향
4.3. 금속의 기계적 성질 제어
5. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험 목적
압연된 시편과 annealing 열처리를 처리를 한 순철(Pure Iron)의 결정립을 관찰하고, 결정립의 크기(grain size)와 경도를 측정하여 결정립 크기와 경도 사이의 관계를 살펴보는 것이 이번 실험의 목적이다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 결정립(Grain)
결정립(Grain)은 결정방향이 다른 결정들의 집합체, 즉 다결정질의 집합체 중의 개개의 결정을 의미한다. 적당한 에칭(etching)으로 결정립의 윤곽을 나타낼 수 있다. 금속 재료는 대부분 다결정질로 이루어져 있으며, 이러한 다결정질 금속에서는 개개의 결정립들이 서로 다른 결정방향을 가지고 있다. 이처럼 결정립은 결정 구조를 가지고 있으며, 결정방향이 다른 결정들이 모여 이루어진 집합체이다. 결정립의 크기와 분포는 금속의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는데, 일반적으로 결정립의 크기가 작을수록 강도와 경도가 증가하는 경향을 보인다. 이는 결정립계가 전위의 이동을 방해하여 소성변형을 어렵게 만들기 때문이다. 따라서 금속의 성질을 향상시키기 위해서는 미세한 결정립 구조를 가지도록 하는 것이 중요하다.금속 재료에서 결정립의 크기와 분포는 제조 공정에 따라 달라지며, 열처리를 통해 재결정화 및 결정립 성장이 일어나 결정립의 크기가 변화할 수 있다. 예를 들어 압연이나 단조와 같은 가공 공정을 거치면 결정립이 elongated 형태로 변형되며, 이후 어닐링(annealing) 열처리를 하면 결정립이 재결정되어 등축정 형태로 변화한다. 또한 결정립 크기는 용질 원자의 고용, 석출물의 생성, 상변태 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 따라서 금속 재료의 미세조직을 제어하기 위해서는 제조 공정과 열처리 조건을 적절히 설계할 필요가 있다.
결정립의 크기와 분포를 관찰하기 위해서는 금속 시편의 단면을 연마하고 에칭하여 광학 현미경이나 전자 현미경으로 관찰한다. 시편 표면에 적절한 부식액을 사용하여 에칭하면 결정립계가 부식되어 어둡게 나타나므로, 이를 통해 결정립의 크기와 형태를 확인할 수 있다. 또한 결정립 크기 측정 방법으로는 선분 교차법, 면적 분석법, ASTM 입도번호 등이 활용된다.
결정립 크기가 금속의 기계적 성질에 미치는 영향은 Hall-Petch 관계로 잘 설명된다. Hall-Petch 관계에 따르면, 결정립 크기가 작을수록 항복 강도와 인장 강도가 증가하는 경향을 보인다. 이는 결정립계가 전위의 이동을 방해하여 소성변형을 어렵게 만들기 때문이다. 따라서 미세한 결정립 구조를 가지는 금속 재료는 높은 강도와 경도를 나타낼 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 결정립 미세화 기술을 통해 금속 재료의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
1.2.2. 절단(Cutting)
절단(Cutting)이란 금속을 커터에 의해서 필요한 모양으로 절삭 성형하는 작업을 의미한다. 정, 스크레이퍼, 선반, 연삭기 및 밀링 머신 등에 의한 작업이 이에 속한다.
금속 재료를 필요한 크기와 모양으로 가공하기 위해서는 절단 공정이 필수적이다. 절단 공정은 소재의 형상을 변화시키고 적절한 크기로 만들어내는 중요한 단계이다. 대표적인 절단 방식에는 기계적 절단, 레이저 절단, 플라즈마 절단 등이 있다.
기계적 절단 방식은 가장 일반적인 절단 방법으로, 커터나 프레스 등의 기계장치를 이용하여 금속 소재를 자르는 방식이다. 이 방식은 비용이 저렴하고 작업이 용이하지만, 절단면의 품질이나 정밀도가 다소 떨어진다는 단점이 있다.
레이저 절단은 고출력 레이저 빔을 이용하여 금속을 절단하는 방식이다. 레이저 절단은 절단면의 품질이 우수하고 정밀도가 높아 다양한 금속 가공에 활용된다. 그러나 장비 구축 및 운영 비용이 높다는 단점이 있다.
플라즈마 절단은 고온의 플라즈마 아크를 이용하여 금속을 절단하는 방식이다. 플라즈마 절단은 절단 속도가 빠르고 두꺼운 금속을 절단할 수 있다는 장점이 있으나, 절단면의 품질이 다소 낮고 절단 시 발생하는 열로 인한 변형이 있을 수 있다.
절단 공정에서는 절삭력, 열 발생, 절삭면의 품질 등이 중요한 고려사항이다. 절삭력과 열 발생을 최소화하기 위해 절삭유를 사용하며, 절삭면의 품질 향상을 위해 적절한 절삭 조건을 설정해야 한다. 또한 절단 후 후처리 공정으로 연마, 용접, 열처리 등이 수행되기도 한다.
금속 재료의 절단 공정은 제품 제조에 있어 필수적인 공정이며, 기계, 자동차, 조선, 항공 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 절단 기술의 발전과 더불어 효율적이고 정밀한 절단 공정에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
1.2.3. 마운팅(Mounting)
마운팅(Mounting)은 금속 시편을 연마하거나 관찰하기 전, 시편을 전처리하는 과정이다. 마운팅이란 일반적으로 절단된 시편을 그라인딩이나 폴리싱하기 전, 수지를 이용하여 시편을 고정시키고 일정한 형태로 만드는 과정을 말한다. 마운팅에는 크게 두 가지 방법인 핫 마운팅(Hot Compression Mounting)과 콜드 마운팅(Cold Mounting)이 있다.
핫 마운팅은 열 경화성 수지 및 열 가소성 수지 등을 사용하여 마운팅 프레스에 시편을 넣고 수지를 채운 뒤 가열, 가압하여 성형하는 방법이다. 열 경화성 수지는 고온에서 경화하는 종류로 냉각 전에 고온에서 제거해도 되나 냉각 후 빼내는 것이 좋다. 열 가소성 수지는 고온에서 녹고 저온에서 경화하는 수지로 반드시 상온까지 냉각한 후 몰드에서 제거해야 한다. 주로 페놀릭 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지 등이 사용된다.
콜드 마운팅은 열을 가할 수 없거나 가압을 할 수 없는 경우에 사용하는 방법이다. 일정한 크기의 몰드에 시편을 넣고 액상의 수지와 경화제를 섞어 부은 다음, 일정 시간 경과 후 경화되면 꺼내 사용한다. 주로 전자재료나 세라믹 재료와 같이 150도 이상에서 문제가 발생하는 재료에 사용된다.
마운팅 시 가장 주의해야 할 점은 시편 표면의 그리스 및 이물질을 완전히 제거하여 시편과 수지 사이의 접착력을 최대화하는 것이다. 이 과정이 잘못되면 틈이 생겨 후속 연마 과정에서 연마재나 윤활제가 들어가 원활한 연마가 어려워진다. 또한 시편의 크기에 맞는 적절한 몰드를 선택해야 한다.
즉, 마운팅은 시편의 전처리 과정에서 중요한 단계로, 시편을 고정시키고 일정한 형태로 만들어 후속 연마 및 분석이 용이하도록 해주는 역할을 한다고 볼 수 있다.
1.2.4. 연마(Grinding) 및 폴리싱(Polishing)
연마(Grinding) 및 폴리싱(Polishing)은 금속 시편의 표면을 매끄럽게 처리하는 중요한 단계이다. 먼저 연마(Grinding) 작업은 절단 작업에서 발생한 손상을 제거하기 위해 수행된다. 주로 60-2,000메쉬의 샌드페이퍼(Sandpaper)를 이용하여 시편의 표면을 갈아내는데, 샌드페이퍼의 거칠기가 숫자가 작을수록 더 거칠다. 이때 열 발생을 최소화하고 연마지의 수명을 연장하기 위해 습식 연마를 수행한다. 습식 연마는 눈 매움 현상을 완화하고 표면에서 떨어져 나온 연마 입자들을 제거하는 장점이 있다. 연마 방향은 각 단계마다 45-90도 사이로 다양하게 조절하며, 각 단계가 끝날 때마다 시편을 깨끗이 세척하여 다음 단계의 연마 입자가 유입되지 않도록 해야 한다.
연마 재료로는 SiC, 알루미나, 에머리, 다이아몬드 등이 사용되는데, SiC가 가장 많이 쓰이는 연마재이다. 알루미나는 SiC보다 경도가 약간 낮지만 유사한 경향을 보이며, 연마 시 입자가 시편에 묻는 현상이 나타날 수 있어 연한 재료에 사용된다. 에머리는 알루미나와 산화철의 혼합물로 SiC나 알루미나보다 경도가 낮다.
연마(Polishing) 작업은 600grit(P10...
참고 자료
비파괴 검사 용어사전 2008. 1. 20. 한기수
금속용어사전 1998. 1. 1 금속용어사전편찬회
이우주 의학사전 2012. 1. 20. 이우주, 연세대학교 의과대학 약리학교실
두산백과
컴퓨터인터넷IT용어대사전 2011. 1. 20. 전산용어사전편찬위원회
산업안전대사전 2004. 5. 10. 최상복
금속용어사전, 1998. 1. 1., 성안당
금속 현미경 조직학, 김정근 및 3인 공저, 도서출판골
[네이버 지식백과] 광학현미경 [Optical microscope, Light microscope] (물리학백과, 한국물리학회)
재료과학과 공학 제9판 2015. 03.05 이재갑 외 3명
화공생물공학과 교수진, “2021-2 화공생물공학 기초실험”, 동국대학교, 2021, p. 41-43
김종근 외 2인, “금속조직학”, 노드미디어, 2009, p. 208-211
김종찬 외 5인, “금속결정 및 열처리조직학”, 삼원북스, 2018, p. 10-124
James F. Shackelford, “재료공학개론”, 자유아카데미, 2016,
정남용, “최신 재료과학 및 공학”, 학진북스, 2017, p. 156-167
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