금속의 회복과 재결정

압연, 단조, 압출 등과 같은 금속 성형공정이 냉간가공되었을 때 가공 재료는 많은 전위와 기타 결함 들을 갖게 되며, 결정립들은 늘어나거나 변형됩니다. 그 결과로 가공된 금속은 훨씬 강해지지만 연성은 감소합니다. 많은 경우에서 더 연한 금속이 요구되므로, 이를 위해 냉간가공된 금속은 로에서 가열됩니다. 금속이 오랜 시간 동안 충분히 높은 온도로 다시 가열되면, 냉간가공된 금속의 조직은 회복, 재결정, 결정립 성장이라는 일련의 변화를 겪습니다. 냉간가공된 금속을 연화하는 이러한 재가열처리를 어닐링이라 하고, 연화 정도에 따라 부분 어닐과 완전 어닐이라고 나누기도 합니다. 금속이 심하게 냉간가공될 때, 소성변형에 사용된 변형에너지의 대부분은 전위 혹은 점결함과 같은 다른 결함의 형태로 금속 내에 저장됩니다. 그러므로 변형경화된 금속은 변형되지 않은 것보다 높은 내부에너지를 가집니다. 냉간가공된 재료의 미세구조를 살펴보면 결정립이 압연 방향으로 크게 늘어나 있는 것을 확인할 수 있습니다. 냉간가공된 금속을 재결정온도 바로 밑의 회복 온도 범위로 가열하면, 금속 내부응력이 제거됩니다. 회복 중에 충분한 열에너지가 공급되면, 보다 낮은 에너지 상태를 갖도록 전위가 재배열됩니다. 많은 냉간 가공된 금속의 회복에서 소경각 결정립계를 가진 아결정립 조직이 형성됩니다. 이와 같은 회복과정은 다각형화라 불리며, 이는 재결정에 선행하는 구조적 변형입니다. 회복된 금속의 내부 에너지는 냉간가공된 상태보다 더 낮아지는데, 이는 회복과정에 의해 많은 전위가 상쇄되거나 낮은 에너지 상태로 이동하기 때문입니다. 회복 중에 냉간가공된 금속의 강도는 약간 감소하지만 연성을 일반적으로 크게 증가합니다. 냉간가공된 금속을 충분히 높은 온도로 가열하면, 회복된 금속 조직 내에서 변형률이 없는 새로운 결정립이 생성되어 성장하기 시작함으로써 재결정구조가 형성됩니다. 재결정이 일어나는 온도에서 충분히 오랜 시간이 경과하면 냉간가공 조직은 완전히 새로운 재결정립구조로 바뀝니다. 1차 재결정은 고립된 핵이 변형된 결정립 내에서 확장하거나 원래의 고경각 결정립계가 보다 심하게 변형된 영역으로 이동하는 2개의 주요 기구에 의해 일어날 수 있습니다. 어느 경우나 이동하는 입계의 오목한 쪽 구조는 변형률이 없어서 비교적 내부 에너지가 낮은 반면에, 이동하는 계면의 볼록한 쪽 구조는 심하게 변형되어 있어서 고전위밀도와 높은 내부에너지를 가집니다. 그러므로 결정립계는 입계의 곡률 중심에서 먼 쪽으로 이동합니다. 따라서 1차 재결정에 의해 확장하는 새로운 결정립의 성장으로, 변형된 영역이 변형률이 없는 영역으로 바뀜으로써, 금속의 전체적인 내부에너지가 감소하게 됩니다. 금속에 재결정이 일어나도록 어닐링 처리를 실시하면 냉간가공된 금속의 인장강도는 크게 감소하는 반면에 연성은 증가합니다. 금속과 합금의 재결정 과정에 영향을 주는 중요한 인자는 금속의 이전 변형량, 온도, 시간, 초기 결정립 크기 및 금속과 합금의 조성입니다. 금속의 재결정은 일정 온도 범위에서 일어나고, 그 범위는 위의 변수들과 관계가 있습니다. 금속의 재결정이 가능하기 위해서는 최소 변형량 이상이 필요합니다. 변형량이 적을수록 재결정을 일으키는데 필요한 온도는 높아집니다. 재결정시의 온도가 증가할수록 재결정을 완료하는데 필요한 시간은 감소합니다. 최종 결정립 크기는 주로 변형량에 따라 달라집니다. 변형량이 많을수록 재결정을 위한 어닐링 온도는 낮아지며, 재결정립 크기는 작아집니다. 초기 결정립도가 클수록 같은 재결정 온도를 얻는데 필요한 변형량은 커집니다. 금속의 순도가 증가함에 따라 재결정 온도는 감소합니다. 고용합금원소를 첨가하면, 재결정 온도는 항상 증가합니다.