금속의 공통적 성질
실온에서 고체이며, 결정체Hg 제외이다. 빛을 반사하고 고유의 광택이 있다. 가공이 용이하고, 연전성이 크다. 열,전기의 양도체이다. 비중이 크고, 경도및 용융점이 높다.
경금속light metal: 비중 4.5를 기준으로 하여 비중이 4.5이하의 것을 경금속이라한다.
Al알루미늄, Mg마그네슘, Be베릴륨, Ca칼슘, Ti티탄, Li리튬(비중 0.53으로 금속 중 가장 가벼움)
중금속heavy metal: 비중 4.5이상의 것을 중금이라 한다.
Fe철(비중 7.89), Cu구리, Cr크롬, Ni니켈, Bi비스무트, Cd카드뮴, Ce세륨, Co코발트, Mo몰리브덴, Pb납, Zn아연, Ir이리듐(비중 22.5로 비중이 가장 높음) 등
합금: 금속의 성질을 개선하기 위하여 단일 금속에 한가지 이상의 금속이나 비금속 원소를 첨가한 것으로 단일금속(순금속)에서 볼 수 없는 특수한 성질을 가지며, 원소의 갯수에 때라 이원합금, 삼원합금이 있다.
철 합금: 탄소강, 특수강, 주철, 합금강
구리 합금: 황동, 청동, 특수구리 합금
경합금: 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티탄 합금
원자로용 합금: 우라늄, 토륨
기타 합금: 납-주석 합금, 베어링 합금, 저용융합금
준금속: 금속적 성질과 비금속적 성질을 같이 갖는 것으로 B붕소, Si규소 등 약 7종이 있다.
귀금속: 자체의 광택이 아름다우며, 산출량이 적고 화학약품에 대한 저항력이 크다. Pt,Ag,Au
희유 금속: 채취가 힘들고 특수한 목적에 사용한다. U, Th, Hf, Ge
물리적 성질
비중Specific gravity: 물질의 단위 용적의 무게와 표준물질 4'C의 물 의 무게와의 비를 말한다.
용융점Melting point: 고체가 액체로 변화하는 온도점이며, 금속 중에서 텅스텐은 3400'C로 가장 높고, 수은은 -38.8'C로서 가장 낮다. 순철의 용융점은 1,530'C이다.
선팽창 계수Coefficient of linear expansion: 물체의 단위 길이에 대하여 온도가 1'C만큼 높아지는데 따라 막대의 길이가 늘어나는 양이다.
열전도율Thermal conductivity: 거리1Cm에 대하여 1'C의 온도차가 있을 때 1Cm2의 단면을 통하여 1초간에 전해지는 열량으로 단위는 cal/Cm sec'C이며, 열전도율이 좋은 금속은 은>구리>백금>알루미늄 등이 순서이다.
전기전도율 electric conductivity: 전기 전도율은 은>구리>금>알루미늄>마그네슘>아연>니켈>철>납>안티몬 등의 순서로 좋아진다.
금속 및 합금의 성질: 금속에는 노랑색, 회백색등이 있으며 합금에는 자색, 붉은색, 황금색, 흰색이 있다. 금속 색깔은 탈색력이 큰 주석>니켈>알루미늄>철>구리>아연>백금>은>금 등의 순서로 탈색된다.
기계적 성질
항복점Yielding point: 금속 재료의 인장시험에서 하중을 0으로부터 증가시킨 응력이 근소한 증가나 또는 증가 없이도 변형이 급격히 증가하는 점에 이르게 되는데, 이 점을 항복점이라 하며 연강에는 존재하지만 경강이나 주철의 경우는 거의 없다.
연성Ductility: 물체가 탄성한도를 초과한 힘을 받고도 파괴되지 않고 늘어나서 소성 변형이 되는 성질로서 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금, 납, 아연, 철 등의 순으로 좋다.
전성Malleability: 가단성과 같은 말로서 금속을 얇은 판이나 박으로 만들 수 있는 성질로서 금, 은, 알루미늄, 철, 니켈, 구리, 아연 등의 순으로 좋다.
인성: 굽힘이나 비틀림 작용을 반복하여 가할 때의 이 외력에 저항하는 성질, 즉 끈기있고 질긴 성질을 말한다.
인장강도Tensile strength: 인장시험에서 인장하중을 시험편 평행부의 원단면적으로 나눈 값이다.
취성Brittlness: 물체가 약간의 변형에도 견디지 못하고 파괴되는 성질로서 인성에 반대된다.
가공경화Work hardening: 금속이 가공에 의하여 강도, 경도가 커지고 연율이 감소되는 성질이다.
가공Strength: 물체에 하중을 가한 후 파괴되기까지의 변형저항을 총칭하는 말로서 보통 인장강도가 표준이 된다.
경도Hardness: 물체의 기계적인 단단함의 정도를 수치로 나타낸 것이다.
가단성Malleability: 전성과 같다.
가주성Castability: 가열하면 유동성이 좋아져서 주조작업이 가능한 성질을 말한다.
피로: 재료에 인장과 압축하중을 오랜 시간동안 연속적으로 되풀이 하면 파괴되는데 이런 현상을 재료가 피로 현상을 일으켰다고 한다
인장 시험 tensile test
항복점: 하중이 일정한 상태에서 하중의 증가없이 연신율이 증가되는 점
영률(세로 탄성계수) : 탄성한도 이하에서 응력과 연신율은 비례 (후크의 법칙)하는데 응력을 연신율로 나눈 상수
내력: 주철과 같이 항복점이 없는 재료에서는 0.2%의 영구 변형이 일어날 때의 응력값을 내력으로 표시한다.
경도 시험 hardness test
경도는 기계적 성질 중 대단히 중요하며, 단단한 정도를 시험하는 것이다. 경도 값을 알면 내마모성을 알 수 있으며, 단단한 재료일수록 신율, 드로잉률이 적다.
충격 시험 impact test
시험편 노치부에 동적 하중으 가하여 재료의 인성과 취성을 알아낸다.
샤르파식 충격시험기 : 단순조 상태에서 시험
아이조드식 충격시험기 :내다지보 상태에서 시험
피로 시험 fatigue test
반복되어 작용하는 하중 상태에서의 성질을 알아낸다.
피로한도 : 반복 하중을 받아도 파괴되지 않는 한계
S-N곡선 : 피로한도를 구하기 위하여 반복회수를 알아내는 곡선 (logS-logN 곡선)
강철의 반복회수 : 106~107N, 비철금속 또는 피로한도를 알 수 없는 것은 107N 이상으로 본다.
비파괴 검사 non-destructive inspection
시간의 단축, 재료의 절약, 완성된 제품의 검사가 가능함을 알아낸다.
자분 탐상법 : 성자성체에서만 시험 가능, 재료를 자화시켜 자속선의 흐트러짐을 결함을 검출
침투 담상법 : 침투제로 결함부 검사, 유침법과 형광 침투법
타진법 : 두드려서 소리의 청탁으로 검사
초음파 탐상법 : 투과법, 임펄스법, 공진법, 초음파를 재료에 통과시켜 그 반사파나 진동으로 결함 검출
방사선 투과법 : X선(5" 이하의 재료에 사용, 필름의 명암으로 결함 검출), r선(Co60사용, 파장이 짧으므로 투과율이 큼, 5" 이상의 재료에 사용)
매크로(육안) 조직시험 : 육안이나 10배 정도의 확대경 사용 (파단면, 매크로 부식, 설퍼프린트법)
마이크로(현미경) 조직시험 : 금속 현미경 사용 (1,500~40,000배까지 확대)
조직시험의 순서 : 시편 채취(10mm의 각이나 환봉)-마운팅-연마-부식-검사
부식제
철강 및 주철용 :5% 초산 또는 피크린산 알코올 용액
탄화철용 : 피크린산 가성소다 용액
동 및 동합금용 : 염화 제 2철 용액
알루미늄 합금용 : 불화수소 용액
금속의 결정
결정체: 물질 구성원자가 규칙적으로 배열되어 있는 것.
1. 결정 순서 : 핵 발생(온도가 낮은 곳)-결정의 성장(수지상)-결정 경계 형성(불순물이 집합)
2. 결정의 크기 : 냉각속도에 영향을 받음(냉각속도가 빠르면 핵발생이 증가-결정입자가 미세해짐)
3. 수지상 결정(dendrite) : 용융금속이 냉각시 금속 각부에 핵이 생겨 가지가 되어 나무가지와 같은 모양을 이루는 결정
결정의 구조
1. 결정격자 : 결정입자내의 원자가 금속 특유의 형태로 배열되어 있는 것(결정형 : 7종, 격자형 : 14종)
2. 단위포 : 결정 격자 중 금속 특유의 형태를 결정짓는 원자의 모임, 기본 격자 형태
3. 격자 상수 : 단위포 한 모서리의 길이(금속의 격자 상수 크기 : 2.5~3.3A', Fe=2.86A')
4. 결정립의 크기 : 고체 상태에서 0.01~0.1mm
금속의 변태
1. 동소 변태 : 고체 내에서 원자 배열이 변하는 것.
성질의 변화가 일정 온도에서 급격히 발생
동소 변태의 금속 : Fe, Co, Ti, Sn
2. 자기 변태 : 원자 배열은 변화가 없고, 자성만 변하는 것
성질의 변화가 점진적이고 연속적으로 발생
자기 변태의 금속 : Fe, Ni, Co
전기 저항의 변화는 자기 크기와 반비례한다.
주) 히스테리시스(이력현상) : 고유의 성질이 변화에 있어서도 어느 한도까지 유지되는 것
3. 변태점 측정 방법
열 분석법 열 팽창법 전기 저항법 자기 분석법
열전쌍 : 열 분석법에서 온도 측정막대(텅스텐, 몰리브덴 : 1800'C, 백금-로듐 : 1600'C, 크로멜-알루멜 : 1200'C
철 콘스탄탄 : 800'C, 구리-콘스탄탄 : 600'C