소개글
"고체역학설계실습 Metallurgical Microscope 실습 보고서"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험의 배경
1.2. 실험의 목적
1.3. 이론적 배경
2. 실험 방법
2.1. 시편 준비
2.2. 연마 및 에칭 과정
2.3. 현미경 관찰
3. 실험 결과
3.1. 시편 표면 관찰
3.2. 미세구조 분석
4. 고찰
4.1. 페라이트와 펄라이트 구조 분석
4.2. 결정립 형태 분석
4.3. ASTM을 이용한 결정립 크기 분석
4.4. 결정립 크기에 따른 항복강도 분석
4.5. 열처리 방법 분석
4.6. 열처리 후 기계적 특성 예측
5. 결론
6. 참고문헌
7. 부록
8. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험의 배경
고체역학설계실습: Metallurgical Microscope 실습 보고서
금속 및 합금 재료는 현대의 산업과 기술의 기반이 되는 필수적인 재료이다. 자동차, 선박, 교량, 전자기기 등 우리 일상의 많은 부분에서 핵심적으로 작용하므로, 그것의 물성을 분석하여 이해하는 것은 중요하다. 전자 현미경을 통해 금속 및 합금 재료의 미세구조를 관찰하는 Metallurgical Microscope Test를 진행하며, 금속학에서의 시편을 준비하는 기술을 터득하고 일반 공학용 합금의 미세구조를 분석한다. 분석을 통해 SM20C 시편의 grain boundary가 어떤 형태인지 알아보며, ASTM을 이용하여 grain size도 측정하고 그 값으로 yield strength도 계산한다. 또한 시편에 어떠한 열처리 과정이 가해졌는지, 열처리 후의 재료의 mechanical characteristics가 어떤지에 대하여 고찰하게 된다.
1.2. 실험의 목적
이 실험은 금속 및 합금 재료의 미세구조를 분석하여 재료의 기계적 성질을 알아내는 것이다. SM20C 시편을 대상으로 폴리싱, 에칭 과정을 수행한 후 시편의 미세구조를 관찰하여 시편의 구조와 어떤 열처리가 이루어졌는지를 고찰한다. 이를 통해 금속학에서의 시편 준비 기술을 터득하고 일반 공학용 합금의 미세구조를 분석할 수 있다.
1.3. 이론적 배경
금속 및 합금은 현대 산업과 기술의 기반이 되는 필수적인 재료이다. 자동차, 선박, 교량, 전자기기 등 일상생활 전반에서 핵심적인 역할을 하므로, 이들의 물성을 분석하고 이해하는 것이 중요하다.
ASTM 결정립 크기 공식은 결정립 크기를 정량화하기 위한 표준적인 방법으로 사용된다. 이 공식은 단위 면적당 결정립 개수가 ASTM 결정립 크기 번호에 따라 어떻게 변화하는지를 보여준다.
Hall-Petch 방정식은 금속 재료의 결정립 크기와 항복강도 사이의 관계를 설명하는 중요한 이론이다. 일반적으로 결정립 크기가 작을수록 항복강도가 증가하는 경향을 나타낸다.
탄소강 상 다이어그램은 철과 탄소의 합금인 탄소강의 온도와 성분에 따른 상변화를 나타낸다. 주요 상으로는 액상, 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트 등이 있으며, 펄라이트와 베이나이트와 같은 미세구조도 존재한다. 이 다이어그램은 탄소강의 열처리 과정과 기계적 성질을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
2. 실험 방법
2.1. 시편 준비
금속 재료인 SM20C 시편을 현미경 관찰을 위해 적절한 크기로 준비한다. 먼저 커터를 이용하여 시편의 크기를 3cm × 3cm × 1cm로 작게 잘라낸다. 이는 향후 연마 및 에칭 과정을 수월하게 진행하기 위함이다.
2.2. 연마 및 에칭 과정
연마 과정을 통해 시편의 표면을 매끄럽게 가공한다. 먼저 #600 에서 #2000까지 다양한 그릿 사이즈의 사포를 사용하여 시편을 연마한다. 수평 및 수직 방향으로 순차적으로 연마를 진행하여 표면의 긁힘 자국을 제거한다. 연마 과정이 완료된 후에는 압축 공기를 사용하여 시편 표면을 깨끗이 세척한다. 이후 현미경으로 시편 표면을 확인하여 연마 상태를 점검한다.
에칭 과정에서는 질산(HNO3)과 에틸알코올(C2H5OH)을 4:20의 비율로 섞은 용액을 사용한다. 이 에칭 용액을 시편에 떨어뜨린 뒤 몇 분간 기다린다. 그 후에는 물과 압축 공기로 시편 표면을 깨끗이 세척한다. 이를 통해 시편 표면의 산화층을 제거하고 내부 조직을 관찰할 수 있도록 한다.
전체적으로 연마와 에칭 과정을 거치면 시편 표면의 결정립 구조가 선명하게 드러나 현미경으로 관찰할 수 있는 상태가 된다. 이러한 일련의 시편 처리 과정은 금속 재료의 미세구조를 분석하는 데 필수적이다.
2.3. 현미경 관찰
시편의 표면을 연마 및 에칭 과정을 거쳐 현미경으로 관찰하였다. 먼저 시편의 표면을 사포로 차례대로 더 고운 입자까지 연마하였다. 이로써 시편의 표면이 매끄러워져 현미경 관찰에 용이한 상태가 되었다.
다음으로 에칭 용액을 이용하여 시편의 표면을 처리하였다. 에칭 과정에서 시편 표면의 산화층이 제거되어 내부 조직이 더욱 잘 드러나게 되었다.
이어서 다양한 배율로 시편의 표면을 관찰하였다. 50배 배율에서는 결정립계를 확인할 수 있었고, 100배, 200배, 500배, 1000배 배율로 점점 더 자세한 미세구조를 관찰할 수 있었다. 높은 배율에서는 결정립의 형태와 크기, 페라이트와 펄라이트 상의 분포 등을 자세히 확인할 수 있었다.
관찰 결과, 밝은 영역은 철 원자가 body-centered cubic 구조를 가진 페라이트상이, 어두운 영역은 철과 탄소가 층상 구조를 이루는 펄라이트상이 각각 확인되었다. 또한 결정립계와 결정립의 크기도 관찰할 수 있었다. 이를 바탕으로 시편의 미세조직과 열처리 이력을 분석할 수 있게 되었다.
3. 실험 결과
3.1. 시편 표면 관찰
SM20C 시편의 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 시편 표면에는 부식된 검은 부분이 확인되었다. 그러나 grain boundary 등 미세구조에 대한 정보는 명확하게 관찰되지 않았다. 다음으로 polishing 과정을 진행한 후 관찰한 결...
참고 자료
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Department of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University.Metallurgical Microscope Test
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https://www.slideshare.net/JagadeeshNeduri/l4cooling-curvesgrain-and-grain-boundary-formationmms
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https://steelmax.co.kr/terms/sm20c/
