소개글
"미세조직 경도 인장 관계"에 대한 내용입니다.
목차
1. 금속 재료의 미세조직과 열처리
1.1. 실험 목적
1.2. FeC 상평형도와 미세조직 특성
1.2.1. 담금질과 풀림
1.2.2. 상변태와 미세조직 변화
1.3. 경도 측정법의 특성
1.3.1. Rockwell 경도 측정법
1.3.2. Brinell 경도 측정법
1.3.3. Knoop & Vickers 경도 측정법
1.4. 실험 방법
1.4.1. 시편 가공
1.4.2. 열처리
1.4.3. 마운팅
1.4.4. 연삭 및 연마
1.4.5. 식각
1.4.6. 미세조직 관찰
1.4.7. 경도 측정
1.5. 실험 결과 및 분석
1.5.1. 미세조직 관찰 결과
1.5.2. 경도 측정 결과
1.5.3. 미세조직과 경도의 관계
1.6. 결론 및 고찰
1.6.1. 미세조직 관찰의 의미와 중요성
2. 참고 문헌
본문내용
1. 금속 재료의 미세조직과 열처리
1.1. 실험 목적
금속학적 원리를 기술 분야에 적용하려면 금속조직을 검사하는 방법을 알아서 제조과정에서 일어나는 조직의 변화와 그 재료의 성질과의 상호관계를 연구하여야 한다. 미세조직이란 금속의 결정입자의 형태, 크기, 성질 등의 총칭으로 금속재료의 성질이나 특성은 금속, 합금의 내부조직과 밀접한 관계가 있다. 금속의 내부조직을 연구하는데 가장 많이 쓰이는 것은 현미경이며, 현미경으로 관찰한 금속재료의 조직은 많은 돌이 이루어진 돌담 모양을 한 결정립의 집합체이므로 이들의 성질은 결정립의 집합상태와 결정립 내의 격자결함의 양 및 상태, 결정격자 중에서의 원자의 배치상태에 따라서 크게 변화한다. 많은 산업현장에서 다양한 목적에 따라 각각 다른 다양한 특성을 가진 재료들을 요구한다. 탄소강은 열처리 방법과 탄소 조성비에 따라 높은 취성을 띄는 재료부터 아주 연하고 높은 연성을 띄는 재료까지 그 범위가 넓다. 관찰을 통해 금속입자의 크기, 모양, 배열을 볼 수 있고, 또 금속중의 여러 가지 상과 조직을 확인할 수 있다. 또한 금속의 조직에 미치는 열처리, 가공 및 기타 처리의 영향을 알 수 있고, 또 기계적 성질과의 관계도 연구할 수 있다. 본 실험은 금속 열처리 실험을 통해서 준비된 시편의 미세조직을 광학현미경을 통해 관찰함으로써 금속 시편에 나타나는 상, 결정립의 형상 및 분포상태, 크기 또는 결함 등을 측정하여 조직과 기계적 성질, 열처리 등과의 관계를 조사하고 그 특징이 나타나는 원인에 대해서 이해하고 이를 산업현장에서 쓸 수 있는 능력을 키우는데 목적이 있다.
1.2. FeC 상평형도와 미세조직 특성
1.2.1. 담금질과 풀림
담금질(Quenching)은 고온의 금속재료를 물이나 기름에 급냉시켜 미세조직의 변화를 저지하거나 고온에서의 안정상태 또는 중간상태를 상온에서 유지시켜주는 열처리 과정이다. 담금질 온도가 너무 높으면 강의 Astenite 결정입자가 성장하여 담금질 후에도 기계적 성질이 나빠지고, 균열이나 변형이 일어나기 쉽다. 따라서 담금질 온도를 적절히 조절해야 한다.
풀림(Annealing)은 재료를 고온으로 장시간 유지시킨 후 서서히 냉각시키면서 소재 내부에 있는 미세조직을 바꾸는 열처리 공정이다. 풀림의 주 목적은 구조적인 잔류 응력의 제거, 연성(ductility)과 인성(Toughness) 향상, 특정 미세조직 향상이다. 완전풀림, 항온풀림, 구상화풀림, 응력제거풀림, 연화풀림, 확산풀림, 저온풀림 등 여러 종류의 풀림 방법이 존재한다.
1.2.2. 상변태와 미세조직 변화
철-탄소(Fe-C) 합금의 상변태는 비평형상태에서 일어나며, 이에 따라 다양한 미세조직이 관찰된다. 담금질 후 고온에서 안정한 오스테나이트상이 상온에서는 불안정해져 마르텐사이트상으로 변태하게 된다. 이 과정에서 결정립 크기, 탄화물 석출물 등의 미세조직이 크게 변화하며, 이는 금속의 기계적 성질에 큰 영향을 미친다.
마르텐사이트 변태는 고상 내에서 확산 없이 전단 변형에 의해 일어나는 구조 변화로, 온도가 내려갈수록 결정립 크기가 작아지고 경도가 증가한다. 마르텐사이트 조직은 매우 단단하지만 취성이 크기 때문에 이를 개선하기 위해 템퍼링이라는 열처리가 필요하다.
템퍼링 과정에서는 마르텐사이트 조직이 점진적으로 변화하게 된다. 우선 200~250℃ 온도 범위에서 과포화 마르텐사이트에 존재하던 탄소 원자들이 천이 탄화물(에프실론 탄화물)을 형성한다. 이후 250~350℃ 구간에서는 천이 탄화물이 세멘타이트로 변태하고, 350℃ 이상에서는 세멘타이트의 구상화와 조대화가 일어난다. 이러한 미세조직 변화에 따라 경도와 강도는 감소하지만 연성이 향상된다.
한편 탄소 함량이 낮은 강의 경우, 200℃ 이하에서는 천이 탄화물이 생성되지 않아 경도 변화가 크지 않지만 그 이상의 온도에서는 점진적인 경도 감소가 관찰된다. 이는 모재 내 탄소 원자의 고갈과 세멘타이트 입자의 성장 및 조대화에 기인한다.
따라서 상변태와 미세조직 변화는 금속의 기계적 성질을 결정하는 핵심 요인이며, 이를 이해하고 적절한 열처리 조건을 설정하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
1.3. 경도 측정법의 특성
1.3.1. Rockwell 경도 측정법
Rockwell 경도 측정법은 금속 소재의 경도를 측정하기 위해 개발된 방법으로, 시험시간이 짧고 계기판독이 용이하다는 장점이 있어 가장 널리 사용되고 있다. 이 방법은 주로 고경도 소재의 경도 측정에 사용되며, 측정 원리는 다음과 같다.
먼저 시험편에 소정의 기준하중을 가한 후 추가로 시험하중을 가한다. 이 때 시험편은 압자의 모양으로 변형되며, 이 변형은 탄성변형과 소성변형이 동시에 일어난다. 시험하중을 제거하면 탄성변형은 회복되고 소성변형만 남게 되는데, 이 때의 압입 깊이를 초기 기준하중만 가했을 때의 깊이와 비교하여 측정한다. 이 압입 깊이의 차이는 시험편의 경도에 대응하는 값을 나타낸다. 즉, 시험편이 단단할수록 측정 깊이가 얕아지고, 연할수록 깊어지게 된다.
Rockwell 경도 시험에서는 압자로 다이아몬드 원추 또는 강구를 사용한다. 다이아몬드 원추를 사용하는 경우에는 흑색 숫자로, 강구를 사용하는 경우에는 적색 숫자로 경도값을 읽는다. Rockwell 경도는 HRC로 표시되며, 일반적으로 고경도 소재의 경도 측정에 많이 이용된다.
1.3.2. Brinell 경도 측정법
브리넬 경도 측정법은 강구를 사용하여 시편에 일정한 하중을 가해 압흔을 만들고, 이 압흔의 지름으로부터 경도를 측정하는 방법이다.
강구를 사용하여 시편에 500~3000 kgf 의 하중을 가하여 압흔을 만들고, 그 압흔의 지름으로부터 경도를 계산한다. 압입자국의 직경을 측정하고 이를 통해 압입자국의 표면적을 구한 뒤, 하중을 표면적으로 나누어 경도 값을 계산한다.
즉, 브리넬 경도는 {시험하중} / {압흔의 표면적}으로 계산되며, HB로 표시한다. 이때 강구의 직경은 10 mm나 5 mm를 사용한다...
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