금 속 재 료공 학 재 료 의 구 조

목 차

❏ 공학재료의 구조

- 원자의 구조

- 금속 결합 종류

- 금속의 결정 구조

- 금속의 결함

- 금속의 내부

원자의 구조

                                                  

               

(1) 핵은 (+) 전하의 양자와 전기적 중성인 중성자로 되어 있음

(2) 양성자 (+) 수 = 전자 (-) 수 = 원자번호 ∴ 원자는 전기적으로 중성임

① 원자번호 = 양성자 수 = 전자 수 ② 질량수 = 양성자 수 + 중성자 수

☞ 원자의 전자구조

Na+ + F- = NaF 는 설명이 가능하나

C- + H+ = CH 가 되지않고 C- + 4H+ = CH4 가 되는 경우나

같은 C 성분으로 되어진 흑연과 다이아 몬드의 차이를 설명 할 수는 없다 .

※ 원자에 대한 이 개념은

원자의 구조☞ 양자이론의 적용 - 각각의 전자에 단일세트로 된 네개의 양자수를 할당 .

(1) 양자수 n 은 1 부터 시작하는 양의 정수 값 ① n = 1 2 3 4 5 6 껍질 = K L M N 0 P ② 한껍질에서 전자의 최대수는 2n2

(2) 양자수 l 은 각 운동량의 값을 나타낸다 (n-1) ① l = 0 1 2 3 4 5 문자 = s p d f g b

전자껍질 K L M N

원자 오비탈 수용 전자수

1S2

2S 2P2 6

3s 3p 3d2 6 10

4s 4o 4d 4f2 6 10 14

오비탈 층수 1 개 1,3 개 (4개 )

1,3,5 개 (9 개 ) 1,3,5,7(16 개 )

전자 껍질의 전자수 2 개 2,6 개 (8개 )

2, 6, 10(18개 )

2,6,10,14(32개 )※ 오비탈 (orbital) : 원자핵 주위에서 전자를 발견할 수 있는 확률을 나타내는 함수

원자의 구조☞ 양자이론의 적용 - 각각의 전자에 단일세트로 된 네개의 양자수를 할당 .

(3) 양자수 ml 은 양자화된 자기 궤도 모멘트 (magnetic moent) : 음수 → 양수

① n = 2 그리고 ㅣ = 1, 0 에 대해 ml = +1, 0, -1

n = 3 그리고 ㅣ = 2, 1, 0 에 대해 ml = +2, +1, 0, -1, -2

2s 궤됴 2p 궤됴

Ex) 네온 ( 원자번호 10) 의 경우 원자구조는 1s2, 2s2, 2p6 이며 2p 전자의 세쌍이 있고 각 쌍의 외피는 서로 다른 방향성을 갖는다 .( 파울의 배타원리 )

m=+1 m=0 m=-1

원자의 구조☞ 양자이론의 적용 - 각각의 전자에 단일세트로 된 네개의 양자수를 할당 .

(4) 양자수 ms 는 전자스핀

① +1/2 준위 (+ 스핀 ) 가 채워진 다음 – 1/2 준위 (- 스핀 ) 가 채워짐 : 훈트의 법칙

원자가 스핀전하에 의해 회전하는 두가지 방향중 한방향을 예상할 수 있음 .

(1) 양이온과 음이온사이의 정전기적 인력에 의한

결합 ( 쿨롱의 힘 )

→ 주로 금속원자 ( 양이온 ) 과 비금속원자

( 음이온 ) 의 결합이다 .

                                              

                                                          

결합의 종류☞ 이온결합

                                                     

            

반발 위치에너지

T1

T2

평균 원자간거리

인력위치에너지

(2) 음이온과 양이온 사이 작용하는 힘

① a → b : 인력이 작용 ( 위치에너지 감소 )

② b → c : 반발력이 증가 = 불안정 ③ b : 두 힘 ( 인력과 반발력 ) 이 합치면 최소 위치에너지가 된다 .( 가장 안정된 상태 )

결합의 종류☞ 공유결합

(1) 바깥 전자를 서로 공유함으로 8 개의 안정된 전자 배치를 얻게 된다 .

다이아 몬드 흑 연

(↑↓) (↑ ) (↑↑↑)1s 2s1 2sp2

2s 전자 → 2p 상태로 여기육방정 밑면 형성

결합의 종류☞ 금속결합

(1) 금속만의 독특한 결합

① 자유전자

: 최외각 전자들은 한원자에 속하지

않고 금속을 자유롭게 이동

② 원자 주위의 자유전자 무리가

「 전자구름」을 형성

                                     

자유전자 전자구름

금속결합으로 인해 금속의 중요한 특징이 발생

결합의 종류☞ 금속의 특징

(1) 금속은 변형 된다 .

금속의 변형 이온 결정의 파괴

(2) 전기가 잘 통한다 .

(3) 금속은 열전달이 잘된다 .

(4) 금속은 광택으로 빛 난다 .

- 빛이 전자구름에 막혀서 대부분 반사된다 .

금속의 결정 구조☞ 결정구조

(1) 체심 입방체 (BCC, Body Centered Cubic Lattice)

① 2 개의 원자가 들어 있음

- 원자 충진율 68%, 공간 32% (Cr, Mo, Ta, W, V)

(2) 면심 입방체 (FCC, Face-Centered Cubic lattice)

① 4 개의 원자가 들어 있음

- 원자 충진율 74%, 공간 26% (Al, Cu, Pb, Ni, Ag, Au)

금속의 결정 구조☞ 결정구조

(3) 조밀 육방 격자 (HCP, hexagonal close-packed lattice)

① 6 개의 원자가 들어 있음

- 원자 충진율 74%, 공간 26%

(Mg, Co, Ti, Be, Zn, Cd)

금속의 결함☞ 점결함

(1) 공공 (vacancy)

원자가 있어야 할 공간이 비어 있는 부분

(1) 침입형 원자 (interstiltial atom)

원자와 원자사이에 원자가 침입하여 생긴 결함

(2) 치환형 원자 (substitutional atom)

원자의 공공에 다른 종류의 원자가 들어가서 생긴 결함

금속의 결함☞ 선결함

(1) 칼날전위 (dislocation)

완전 결정속에 반쪽짜리 원자줄 ( 전위선 ) 이 생김

(2) 나사전위 (screw dislocation)

A 점을 기준으로 전단응력을 가하였을 경우 원자줄이

부분적으로 어긋나 있는 전위

(3) 혼합형 전위 (mixed dislocation)

칼날전위와 나사전위가 동시에 있는 전위

전위선

A

금속의 결함☞ 결함이 생기는 곳

(1) 공공이 전위를 발생시킨다

(2) 단결정의 경우

결정이 성장할때 블록이 만나는 면에서 결함이

발생

(3) 다결정의 경우

결정립이 만나는 면이 겹치면서 결함이 발생

- 결정립 사이의 잉여반명에서도 전위가

발생함으로 매우 많은 전위가 발생

금속의 내부☞ 금속이 응고되는 과정

수 지 상 정

(1) 수지상정

합금이 응고하는 과정에서 성장하는 결정립의

모양이 나뭇가지를 닮음

- 꼭지점의 성장 속도가 면의 성장속도 보다

빠르때문에 가지 모양이 형성

금속의 내부☞ 금속이 응고되는 과정

(2) 핵 생성시 온도차의 영향

① 온도차가 작을 때 : 핵 생성속도〈 핵 성장속도 ⇒ 결정입자 조대화

② 온도차가 클 때 : 핵 생성속도 〉핵 성장속도 ⇒ 결정입자 미세화

금속의 내부☞ 금속이 응고되는 과정

칠 층

주상정

입상정

금속의 내부

(3) 실제의 응고

① 칠층

- 배열됨 제일먼저 핵이 발생하는 지점

- 수지상정들이 치밀하게 배열

② 주상정

- 방향이 내부인 수지상정들만 계속 성장

③ 입상정

- 칠층에서 떨어져 나간 수지상정의 성장

금속의 내부☞ 금속이 응고되는 과정

금속의 모서리

(4) 모서리를 둥글게 하는 이유

① 날카로운 모서리

- 주상정이 만나는 면에 경계면이 생김

- 경계면의 분순물로 결합력이 약함

② 둥근 모서리

- 주상정 사이에 경계면이 생기지 않음