가스텅스텐아크용접기능사 금속재료의 일반적 성질 — 냉각속도·가공경화와 재결정

용접 입열이 일정하면 냉각속도는 재료의 열전도도에 반비례한다. 열전도도가 크면 열이 금속 속으로 빨리 빠져나가 냉각이 빠르고, 작으면 열이 머물러 냉각이 느리다. 이 세트의 비교 순서는 구리 > 알루미늄 > 연강 > 스테인리스강이므로 열전도도가 가장 낮은 스테인리스강이 가장 느리게 식고, 구리가 가장 빨리 식는다. 크롬과 니켈이 들어간 스테인리스강은 강재 가운데 열전도도가 특히 낮아 입열이 같아도 열이 오래 남는다.

금속의 소성가공은 재결정 온도를 기준으로 열간가공과 냉간가공으로 나뉜다. 재결정은 가공으로 일그러져 단단해진 결정이 열을 받아 새로운 결정립으로 다시 만들어지는 현상이다. 재결정 온도보다 높은 온도에서 가공하면 열간가공이고, 재결정 온도보다 낮은 온도, 보통 상온에서 가공하면 냉간가공이다. 열간가공은 가공 중에 가공경화가 곧 사라져 큰 변형을 주기 쉽고, 냉간가공은 표면이 매끈하고 치수가 정밀한 대신 가공경화로 점점 단단해진다. 융점이나 물의 어는 온도, 고온취성 발생 온도는 두 가공을 가르는 기준이 아니다.

소성 변형이 일어나면 금속 내부의 전위 밀도가 높아지고 전위들이 서로 얽혀 움직이기 어려워진다. 그 결과 강도와 경도가 올라가고 연신율과 단면수축률은 떨어지는데, 이 현상이 가공 경화다. 냉간 압연이나 인발을 계속하면 강도는 더 올라가지만 잘 부러지기 쉬우므로 중간에 풀림 열처리로 가공경화를 풀어 준다. 냉간가공의 특징을 묻는 문항에서 '가공경화에 의해 강도가 저하된다'는 설명은 방향이 반대라 특징이 될 수 없다.

쇼트피닝은 지름 0.5~1.0mm의 강이나 주철 입자를 재료 표면에 고속으로 분사하는 가공법이다. 표면이 수없이 맞아 소성 변형이 일어나고 압축 잔류응력이 남으면서 표면경도와 피로강도가 높아진다. 침탄법은 탄소를, 질화법은 질소를 표면에 침투시키는 화학적 표면경화법이고, 폴리싱은 표면을 매끈하게 닦는 연마 가공이므로 입자를 분사하는 방법과 다르다.

소성 변형은 원자 밀도가 가장 큰 격자면, 즉 조밀면과 그 면 안에서 원자 간격이 가장 좁은 조밀방향을 따라 잘 일어나는데 이것이 슬립이다. 밀도가 높은 면일수록 원자층을 미끄러뜨리는 데 필요한 임계 전단응력이 작기 때문이다. 쌍정은 거울상으로 대칭 이동하는 변형, 전위는 슬립을 일으키는 원자 배열의 결함, 편석은 불순물이 한쪽에 몰리는 현상이라 조밀면에서의 미끄러짐과 구분한다.

비중은 같은 부피의 물과 비교한 무게다. 이 세트의 수치는 구리 8.93, 망간 7.43, 크롬 7.19, 바나듐 6.11이고 철은 약 7.87이다. 따라서 보기 가운데 비중이 가장 큰 금속은 구리이며, 망간·크롬·바나듐은 모두 철보다 가볍다.

인성은 충격하중에 견디는 능력이고, 그 크기를 숫자로 나타낸 척도가 충격치다. 충격치는 시편을 때려 흡수한 에너지를 재는 샤르피·아이조트 충격시험으로 구한다. 인장강도는 서서히 잡아당기는 힘에 대한 강도, 피로한도는 반복하중에 견디는 한계, 전단강도는 비스듬히 미는 힘에 대한 강도이므로 인성의 척도와 다르다.

냉간가공을 받은 금속은 가공도가 클수록 내부에 쌓인 저장 에너지가 많아 조금만 가열해도 재결정이 일어나므로 재결정 온도가 낮아진다. 가열 시간이 길면 더 낮은 온도에서도 재결정되고, 철의 재결정 온도는 330~450℃ 정도다. 가공도가 낮으면 재결정 핵이 적어 결정립이 굵어진다. 그러므로 '가공도가 낮을수록 재결정 온도가 낮아진다'는 설명은 가공도와 재결정 온도의 관계를 거꾸로 쓴 것이다.