1. 고용경화(固溶硬化)
고용경화란 무엇일까요?
고용체는 순수한 금속보다 항상 더 강하다는 것을 고용경화라고 합니다. 고용체 중에는 치환형고용체와 침입형고용체를 나눌 수 있는데 용질원자가 용매원자의 크기가 비슷하면 용질원자가 용매원자의 결정격자의 격자점의 자리를 차지한 고용체를 치환형고용체라 하고 용질원자가 용매원자보다 훨씬 작으면 용매격자 사이의 자리에 용질원자가 들어가서 얻어지는 고용체를 침입형고용체라 고 합니다.
침입형고용체의 용질원자 에는 C, N, O, H, B 가 있습니다.
Hume-Rothery의 치환형고용체를 형성하려는 경향을 제어하는 인자가 있습니다. 두 원자의 크기의 차가 15% 미만이면 고용체를 형성하는 경향이 있는데 서로 강한 화학적 친화력이 없는 금속은 고용체를 형성하려는 경향이 있지만 전기음성도 순서상에서 서로 멀리 떨어진 금속은 금속간화합물을 형성하려는 경향이 있습니다. 또 원자가가 작은 용매 속으로 원자가 큰 금속이 용해할 때의 용해도가 이와 반대의 경우보다 더 큽니다. 이러한 전율고용체를 형성하려면 용질원자와 용매원자의 결정구조가 같아야 합니다.
고용경화가 일어나기 위해서는 용질원자의 첨가에 의한 경도의 증가하고 용질원자와 용매원자의 크기의 차이에 정비례해야 합니다. 또 용질의 첨가로 인해 생기는 격자상수의 변화에 정비례해야 하며 결정립의 크기가 같고, 격자상수가 같고, 전자·원자비가 같은 금속은 초기항복응력이 같지만 큰 변형에서 유동곡선이 달라지는 것을 알 수 있습니다.
치환형원자 같은 구형변형(球形變形)을 일으키는 원자는 전단탄성계수의 약 10-의 상대적인 강화효과를 가지고 있습니다.
2. 고용경화의 용질원자와 전위의 상호작용에 기인하는 기구
고용경화의 용질원자와 전위의 상호작용을 살펴보도록 하겠습니다.
1) 탄성 상호작용
용질원자와 용매원자의 크기가 다르면 용질원자 주위에 탄성응력장이 생기는데 이 응력장과 칼날전위의 심 사이의 상호작용으로 용질원자와 전위 사이에 탄성상호 작용이 생깁니다. 탄성 상호작용으로 인한 강화는 용질원자의 크기와 용매원자의 크기의 차에 정비례하고 칼날전위와 나사전위 어느 쪽과도 작용할 수 있다는 점을 바탕으로 탄성 상호작용이 발생하게 됩니다.
2) 탄성계수 상호작용
용질원자의 존재로 인하여 국부적으로 결정의 탄성계수가 변하면 탄성계수 상호작용이 생기게 됩니다. 용질이 기지보다 전단탄성계수가 작으면 전위의 변형장의 에너지는 감소되고 용질과 전위 사이의 인력이 작용할 것으로 예상됩니다. 탄성계수 상호작용은 탄성 상호작용과 비슷하고 전단탄성계수의 변화는 체적탄성계수의 국부적 변화를 동반하기 때문에 칼날 전위와 나사전위 모두 탄성계수 상호작용을 하게 됩니다.
3) 전기적 상호작용
전자운(電雲)은 압축에 저항하는 경향이 있기 때문에 합금 전체에 걸쳐서 재배열하는 경향이 있습니다. 따라서 전자는 칼날전위의 압축영역으로부터 인장영역으로 이동하여 전기쌍극자(電雙極)를 형성하는 경향이 생기게 됩니다.
전기적 상호작용은 탄성 상호작용이나 탄성계수 상호작용보다 훨씬 약한것이 특징입니다. 용질과 용매 사이에 원자가 차이가 크고 탄성 어긋남이 작을 때에만 중요하게 되기 때문입니다. 전기적 상호작용은 2가원자의 경우의 계산 값인 0.02eV 이상일 가능성이 있습니다.
4) 적층결함 상호작용(화학적 상호작용)
조밀결정의 전위가 부분전위로 분해되면 격자의 주기적 배열이 영향을 받게됩니다. 용질농도에 따른 자유에너지의 변화는 기지와 적층결함영역에서 같지 않을 것이므로 확장전위와 용질원자 사이에 상호작용이 존재합니다. 적층결함 안의 용질의 농도가 증가할수록 적층결합에너지가 감소하고 부분전위의 분리폭이 증가합니다. 또 확장전위의 이동이 더욱 어렵게 되며 부분전위의 재결함을 위해서는 추가로 일을 해야 합니다.
5) 단범위규칙도 상호작용
고용체가 완전히 불규칙 경우는 거의 없고 단범위규칙도이거나 집합체가 형성하는 것이 보통입니다. 따라서 전위가 단범위규칙도 영역이나 집합체형성영역을 지나가면 국부적 질서 정도가 줄어든다. 즉 원자의 배열이 무질서하여 지게됩니다. 에너지적으로 불리한 전위이동을 유지하기 위하여 초과일(상호작용에너지)을 공급하게됩니다.
6) 장범위규칙도 상호작용
장범위규칙도를 가진 합금에서는 각 구성원자가 격자의 특정한 자리를 차지하고 있으며 이렇게 되면 다른 결정구조를 가진 더 큰 단위정의 초격자가 되는데 이러한 초격자는 금속간화합물과 비슷한 성질을 띱니다. 초격자의 전위는 두 쌍의 보통전위로 분해하며, 이 두 쌍의 전위는 역위상 영역경계에 의해 분리되어 있습니다. 역위상 영역경계의 폭은 2개의 같은 부호의 전위의 탄성력과 역위상 영역경계의 에너지와의 균형에 의해 결정되어 집니다. 이렇게 역위상 영역경계를 지나 슬립이 일어나면 전체 계면면적이 증가하게 되고 잉여면적과 관련된 에너지를 공급하는데 필요한 일로부터 전위를 이동하는데 필요한 응력은 증가 된다.
슬립을 계속함에 따라 더 많은 역위상 영역경계가 생기기 때문에 가공경화속도가 불규칙상태보다 규칙상태에서 더 크게 됩니다. 역위상 영역의 크기가 작은(약 50A) 규칙합금은 불규칙상태보다 더 강하지만 영역이 큰 규칙합금은 불규칙상태보다 항복강도가 더 작아지기 때문입니다. 고용경화를 일으키는 전위이동에 대한 저항은 이러한 인자 중 하나 또는 둘 이상으로 인하여 생길 수 있습니다.
7) 불규칙고용체에서 전위가 직선을 유지하면
전위와 용질원자와의 작용에서 전위의 운동을 방해하는 것과 운동을 조장하는 것이 평균적으로 같습니다. 따라서 전위와 용질원자의 모든 작용에너지의 대수합(合)이 0일 것이기 때문에 전위에 아무런 힘이 작용하지 않습니다.
전위선은 일반적으로 직선이 아니고 휘어지기 쉽기 때문에 전체 전위선이 동시에 이동할 필요가 없고 용질원자에서의 국부응력 하에서 전위선이 취할 수 있는 최소 곡률반지름과 전위가 가질 상호작용의 정도는 입자의 평균간격(入)에 따라 변하게 됩니다. 또한 희석고용체의 유동응력은 용질의 농도와 선형관계가 성립되지만 To = 2.5Ge로부터 예측할 수 있는 유동응력은 너무 큽니다. 이러한 점결함에 의한 경화, 석출경화 및 분산강화를 주의해야 합니다.