N3-0130분
금속의 결정구조와 기계적 성질
BCC·FCC·HCP 구조와 강화 메커니즘
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
금속의 성질을 이해하려면 원자가 어떻게 배열되어 있는지, 즉 결정구조를 알아야 합니다. 용접 시 열에 의해 결정구조가 변화하고, 이것이 용접부의 강도·인성·경도를 결정합니다.
금속의 3대 결정구조는 BCC(체심입방), FCC(면심입방), HCP(조밀육방)입니다.
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BCC (Body-Centered Cubic, 체심입방)
단위격자 꼭짓점 8개 + 중심 1개에 원자가 배치됩니다. 대표 금속: α-Fe(페라이트 상의 철), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), W(텅스텐).
특성: 슬립계가 적어 높은 강도를 가지지만 연성과 인성이 상대적으로 낮습니다. 저온에서 연성-취성 천이(DBTT)가 발생하므로 저온 환경 적용 시 주의가 필요합니다.
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FCC (Face-Centered Cubic, 면심입방)
단위격자 꼭짓점 8개 + 각 면 중심 6개에 원자가 배치됩니다. 대표 금속: γ-Fe(오스테나이트 상의 철), Al(알루미늄), Cu(구리), Ni(니켈), 오스테나이트계 스테인리스강(STS 304, 316).
특성: 슬립계가 많아 양호한 연성과 인성을 보입니다. 저온 취성 천이가 없어 극저온 환경(LNG 탱크 등)에 적합합니다.
HCP (Hexagonal Close-Packed, 조밀육방)
대표 금속: Ti(티타늄), Zn(아연), Mg(마그네슘). 슬립계가 제한적이어서 상온 가공이 어렵고, 용접 시 특수한 관리가 필요합니다.
시험 핵심 포인트: BCC 금속(페라이트강)은 저온 충격인성이 떨어지고, FCC 금속(오스테나이트 STS)은 저온에서도 인성이 양호합니다. 이것이 극저온 배관에 오스테나이트계 스테인리스강을 사용하는 이유입니다.
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기계적 성질의 이해
- 인장강도(Tensile Strength): 재료가 파단 전까지 견딜 수 있는 최대 응력(MPa, ksi)
- 항복점(Yield Point): 영구 변형이 시작되는 응력. 설계 기준으로 사용
- 연신율(Elongation): 파단까지의 늘어남 비율(%). 재료의 연성 지표
- 경도(Hardness): 표면의 압입 저항. Brinell(HB) — 큰 압흔, 주조품 적합. Vickers(HV) — 미세 경도, 용접 HAZ 측정. Rockwell(HRC) — 현장 간편 측정
- 충격인성(Impact Toughness): Charpy V-notch 시험으로 측정. 저온 사용 재료의 필수 시험항목
용접부 경도 시험에서 Vickers(HV) 경도가 가장 많이 사용됩니다. ASME나 NACE 기준에서 용접부 최대 허용 경도(예: 22HRC, 248HV)를 규정하고 있으며, 이를 초과하면 PWHT가 필요합니다.
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합금 강화 메커니즘 4가지
1. 고용강화(Solid Solution Strengthening): 기지 금속에 다른 원소를 고용시켜 격자 변형을 일으킵니다. 예: 강에 Mn, Si 첨가.
2. 석출경화(Precipitation Hardening): 열처리로 미세한 석출물을 형성하여 전위 이동을 방해합니다. 예: Al합금의 시효경화, Ni합금의 γ' 석출.
3. 결정립 미세화(Grain Refinement): 결정립이 작을수록 강도와 인성이 동시에 향상됩니다. Hall-Petch 관계. 용접에서는 적절한 입열 제어와 노말라이징이 중요합니다.
4. 가공경화(Work Hardening): 소성 변형 시 전위 밀도가 증가하여 경도가 높아집니다. 냉간 가공된 재료를 용접하면 HAZ에서 연화가 발생할 수 있습니다.
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온도-조성 좌표 확인
분석하려는 합금의 탄소 함량(wt% C)을 X축에서 찾고, 관심 온도를 Y축에서 찾아 해당 좌표를 상태도 위에 표시합니다. Fe-C 상태도에서 중요한 조성점은 공석점(0.77% C, 727°C)과 공정점(4.3% C, 1147°C)입니다.
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상 영역 판별
표시한 좌표가 어떤 상 영역(단상 또는 2상 영역)에 위치하는지 확인합니다. 주요 단상 영역은 δ-페라이트, 오스테나이트(γ), 페라이트(α), 시멘타이트(Fe₃C)이며, 2상 영역에서는 두 상이 공존합니다.
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지렛대 법칙 적용 (상 비율 계산)
2상 영역에 위치할 경우, 해당 온도에서 수평으로 타이라인(tie line)을 그어 양쪽 상 경계의 조성을 읽습니다. 지렛대 법칙(Lever Rule)을 적용하여 각 상의 질량 분율을 계산합니다. 예: α상 분율 = (C₀ - Cα) / (Cγ - Cα).
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냉각 경로 추적·조직 변화 예측
고온(오스테나이트 영역)에서부터 냉각 경로를 수직으로 추적하며, 각 변태선(A₃, A₁, Acm)을 통과할 때 발생하는 조직 변화를 예측합니다. 아공석강(C < 0.77%)은 초석 페라이트 + 펄라이트, 과공석강(C > 0.77%)은 초석 시멘타이트 + 펄라이트 조직이 됩니다.
결정구조·기계적 성질 시험 함정 5종 1. "α-Fe vs γ-Fe 구조?" → α-Fe = BCC(상온~910°C), γ-Fe = FCC(910~1400°C). 변태 시 결정구조 자체가 바뀜. 2. "오스테나이트 STS(304)가 자성이 없는 이유?" → FCC 구조. BCC만 강자성. STS304는 비자성, STS410(마르텐사이트)·430(페라이트)은 자성. 3. "왜 STS304는 저온에 강한가?" → FCC는 DBTT가 없음. BCC만 저온 취성 천이 발생. LNG·극저온 배관에 STS·9% Ni 사용 이유. 4. "Hall-Petch 관계?" → 결정립 작을수록 강도↑·인성↑. σ_y = σ₀ + k·d^(-1/2). d=결정립 직경. 결정립 미세화는 유일하게 강도와 인성을 동시 향상. 5. "지렛대 법칙(Lever Rule)?" → 2상 영역에서 각 상 질량분율 계산. α분율 = (C₀ - Cα) / (Cγ - Cα). Fe-C 상태도 핵심.
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 5
BCC(체심입방) 결정구조를 갖는 대표 금속으로 옳은 것은?