금속 재료

재료의 원자 간에는 인력이 작용하여 원자 결합을 한다. 원자와 원자의 결합은 보통 원자 간의 힘의 크기에 따라 결정되며 큰 원자력에 의한 강한 결합에는 이온결합, 공유결합, 금속결합 등이 있으며, 약한 결함에는 반데르발스결합, 수소결합 등이 있다. 금속재료는 다음과 같은 화학적, 물리적, 기계적 성질을 가지고 있다.

 

1. 화학적 성질

화학적 성질에는 부식, 금속의 이온화, 산화 등을 들 수 있다. 부식이란 금속이 물 또는 대기 중 또는 가스 기류 중에서 그 표면이 비금속성 화합물로 변화하는 것을 말한다. 이 밖에 화학 약품이나 기계적 작용에 의한 소모 등도 넓은 의미에서의 부식에 포함시킨다. 금속이온은 산과 화합해서 염을 만들고, 수용액 중에서 전리하여 양이온이 된다. 금속을 고온으로 가열하면 그 표면에 산화물이 생긴다. 금속의 산화는 온도가 높을수록, 산소가 금속 내부로 확산하는 속도가 클수록 빨리 진행된다.

 

2. 물리적 성질

물리적 성질로는 비중, 용융 온도, 열전도율, 도전율, 선팽창계수, 자성 등을 들 수 있다. 비중은 물과 똑같은 부피를 가진 물체의 무게와의 비를 말하며 비중이 크다는 것은 무겁하는 것을 말한다. 인장강도가 크다 하여도 비중도 같이 커진다면 결국 무거운 재료가 되므로, 비중 5.0 이하의 것을 경금속이라 하고, 이보다 무거운 것을 중금속이라 한다. 용융 온도 또는 용융점은 금속을 가열하면 녹는 온도를 말한다. 그리고 열의 이동은 고온에서 얻은 전자의 에너지가 온도의 강하에 따라 저온 쪽으로 이동함으로써 이루어지며, 물체내의 분자로부터 분자로의 열에너지의 이동을 연전도라 한다. 도전율은 재료에 전기가 흐르는 능력을 의미한다. 금속의 전도도에 영향을 미치는 요소로는 일반적인 온도 범위에서는 온자가 절대적이고 절대온도에서는 제로지만 재료의 결정격자 속에 불순물이나 불완전함에 크게 영향을 받는다. 모든 금속재료는 온도의 상승에 따라 팽창하게 되는 선팽창계수를 고려하여야 한다. 선팽창계수라 함은 어느 길이의 물체가 온도 1℃ 상승하였을 경우에 그 길이의 증가와 늘기 전의 길이의 비를 말한다. 철을 자장에 놓으면 유도 작용에 의하여 자기를 띠어 자석으로 자화된다. 또한 자장의 강도가 증가함에 따라서 그 자화되는 정도도 증가하지만 자장의 강도를 계속해서 증가하면 그 자화의 강도는 어느 포화점에 달한다. Fe, Ni, Co와 같은 자화의 강도가 뚜렷하게 나타나는 강자성체와 상자성체, 반자성체로 구분할 수 있다.

 

3. 기계적 성질

재료의 기계적 성질은 하중이 적용되었을 때 탄성적, 비탄성적 거동을 하는 재료의 성질을 말하며 탄성율, 일장강도, 연실율, 경도 및 피로한도 등의 기본용어에 더하여 항복강도, 항복점, 충격강도와 단면수축률 등으로 기계적 성질을 나타내고 있다. 금속의 강도 특성은 기계적 성질과 관련되어 생각할 수 있으며, 밀도, 전기적 성질, 열적 성질, 자기적 성질 등과 같은 특성은 금속의 물리적 성질과 관련되어 있다.