금속의 강화기구

결정립계는 고온에서는 약한 부분이 되지만, 전위 이동의 장애물 역할을 하여 금속과 합금을 강화합니다. 강도가 요구되는 경우 미세한 결정립도가 바람직하므로, 대부분의 금속은 조직이 미세하도록 가공합니다. 일반적으로 실온에서 미세한 결정을 가진 금속은 강하고 단단하며 인성이 크고 변형경화되기도 쉽지만, 부식과 크리프에 대한 저항은 적습니다. 또한 미세 결정립은 재료를 균질하게 하고 등방성 거동을 보이게 합니다. 금속의 ASTM 결정립크기 번호 및 평균 결정립 직경을 결정하는 방법을 통해 금속의 결정립 밀도 및 입계 밀도의 상대적인 비교가 가능합니다. 따라서 같은 종류의 합금으로 된 2개 성분 중에서, 더 큰 결정립크기 번호를 갖거나 더 작은 평균 결정립 직경을 가진 성분이 더 강합니다. 금속의 소성변형 도중에 특정한 슬립면을 따라 이동하는 전위는 한 결정립에서 다른 결정립으로 바로 직선 뱡향으로 진행할 수 없습니다. 슬립선은 결정립계에서 방향을 바꾸는데, 각 결정립은 이웃하는 결정립들과 방위가 서로 다른 우세한 슬립면이 존재합니다. 이 슬립면에서 일련의 전위군을 갖게 됩니다. 결정립 번호가 커질수록 또한 결정립 직경이 작아질수록 각 결정립 내에 있는 전위들은 결정립계에 도달하기까지 더 작은 거리를 이동하게 되며, 결국에는 전위 이동이 멈추게 되는 전위 집적이 일어납니다. 이것이 미세 결정립 재료가 더 높은 강도를 갖는 이유입니다. 고경각 결정립계에서는 전위가 이동하는데 장애물 역할을 하게 되어 전위가 결정립계에 쌓이도록 합니다. 냉간 소성변형에서 결정립은 전위의 생성, 이동, 재배열에 의해 서로 전단됩니다. 전위밀도는 냉간가공의 증가에 따라 증가합니다. 냉간 변형에 이해 새로운 전위가 생기고, 새로 생긴 전위는 기존의 전위와 상호작용하게 됩니다. 변형에 따라 전위밀도가 증가하므로, 전위가 전위의 숲을 통과하여 이동하기는 더욱 어려워지므로 냉간변형이 증가함에 따라 금속은 가공경화나 변형경화됩니다. 어닐링된 연성이 좋은 금속이 실온에서 냉간가공될 때, 전위의 상호작용 때문에 변형경화됩니다. 이는 인장강도의 증가를 수반하고, 연성의 저하를 동반합니다. 냉간가공이나 변형경화는 금속을 강화하는 중요한 방법입니다. 순수한 구리와 알루미늄은 이 방법만으로도 상당히 강화될 수 있습니다. 냉간가공 외에 금속의 강도를 증가시킬 수 있는 방법으로 고용강화가 있습니다. 고용강화는 금속에 한 개 또는 여러 개의 원소를 첨가하여 고용체를 형성함으로써 강화하는 방법입니다. 형성되는 고용체는 치환형 고용체와 침입형 고용체로 나뉩니다. 치환형 원자(용질)가 다른 금속 원자(용매)와 고체상태로 혼합될 때 각 용질 원자 주위에 응력장이 생깁니다. 이 응력장은 전위와 상호작용하여 그 이동을 보다 어렵게 함으로써 고용체는 순수 금속보다 강화됩니다. 고용강화에서 용질과 용매 원자의 크기 차이에 의한 결정격자의 뒤틀림은 고용강화의 양에 영향을 줍니다. 격자의 뒤틀림은 전위이동을 더 어렵게 하여 금속고용체를 강화합니다. 또한, 원자를 혼합할 때 무질서한 고용체 형성은 드물고, 단범위 규칙도를 갖거나 같은 원자끼리 뭉칩니다. 그 결과로 전위이동은 다른 결합구조들에 비해 방해를 받게 됩니다.