금속의 결정구조

금속에 있어 결정구조의 기본은 전도전자와 +이온의 쿨롱인력에 의해 치밀한 응집체를 구성하므로, 최밀한 구조를 취하는 것으로 생각해도 좋을 것이다. 이온이 너무 가까우면 강한 반발력이 작용하여 원자간거리가 저절로 유지된다. 이렇게 하여 금속에서는 다른 결합양식에는 발견되기 어려운 최밀구조(close packed structure) 또는 이것에 준하는 구조를 택하게 된다. 전도전자에 의한 금속결합 이외의 결합요소가 혼재하면 구조는 복잡해진다. 우선 대표적인 구조와 요점을 살펴보기로 한다.

 

면심입방격자 (Face Centered Cubic lattice, F.C.C)

  이 구조는 최밀하고 등방적으로 연성․전성에 풍부한 금속이 갖는 대표적인 구조이다. 위 그림 에 나타난 단위격자(unit cell)에 의해 배치 또는 대칭성을 잘 알 수 있다. 2회, 3회, 4회 대칭축을 각각 Ο, △, □의 기호로 나타낸다.

단순격자로 보면 점선의 작은 능면체(rhombohedral)가능면체원 자충전률최인접원자최밀면육방최밀hcp 결정축축 비 단위격자가 되는데, 그것은 본래 높은 대칭성을 얻지 못한다. 실제 원자(이온)의 크기를 서로 접촉하는 구(球)로 생각하면 구가 차지하는 체적의 비율, 즉 충전률은 0.7405로서 결합구조중 최대이다.

 

단위격자에는 4개의 원자가 속하고 최인접원자가 〈110〉방향에 12개 존재한다. {111}면에서는 배치원자가 치밀하게 인접하고 있으므로 최밀면(close packed plane)이라고 부른다. fcc는 최밀면{111}의 중첩(stacking)으로 보면 ABCABC…이라는 3종류 배치의 반복으로, 이것은 소성변형, 변태, 격자결함을 생각하는 이상으로 중요하다.

 

F.C.C의 격자형태를 취하는 금속이 다수 있는 것은 금속결합의 본성으로 볼 때 당연하다. Al, Ca, Sc, γ-Fe, β-Co, Ni, Cu, Sr, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Pb, α-Th 등이나 희토류금속 중의 다수가 FCC이다.

육방최밀격자(Hexagonal Closed Packed lattice, H.C.P)

H.C.P는 아래 그림의 육각기둥 형태로 단위격자를 그리면 대칭성을 잘 알 수 있으나, 최소단위는 점선으로 표시한 것처럼 그 1/3인 평행육면체이다. 육방격자의 결정축은 직교축과 다투지 않고 밑면 내에 x, y 및 w의 삼방축을 취하고 방향 및 면을 (xywz) 형태로 표현하는 것이 보통이다(x+y=-w). 최밀면은 (0001)이고 그 중첩은 그림에서 알 수 있듯이 ABAB… 2종류의 적층이다.

 

 

hcp는 fcc와 같은 인접수 12의 최밀구조로 대부분의 금속에 볼 수 있다. 그러나 육각기둥 종횡의 축비 c/a가 이상적 구(球)가 적층의 경우의 √8/3(=1.633…)이 아니라 이보다 크거나 작다.

Be, Mg, α-Ti, α-Co, Zn, Y, α-Zr, Ru, Cd, Hf, Re, Os, α-Tl 등이 hcp가 된다.

FCC도 HCP도 최밀이지만 후자는 이방성을 가지고 소성변형시키면 밑면 내의 미끄럼*이 우선한다. He에서 Xe까지의 불활성가스가 저온에서 반데르발스결정을 만들 때 fcc에서 hcp의 구조를 취한다.

fcc {111}면의 ABCABC…가 적층이 빗나가서 ABABCA…와 같이 되면 하선부는 hcp인 적층의 ABAB…가 된다. 이것을 적층부정 또는 적층결함(stacking disorder, stacking fault)이라고 하여 격자결함의 하나인 전형적 형태이다.

 

체심입방격자(Body Centered Cubic lattice, B.C.C)

 

BCC도 금속 특히 전이금속에 빈번하게 나타난다. 구조는 최밀하지 않지만 위 그림에서 볼 수 있듯이 인접(배위)수 8은 fcc, hcp 다음으로 높고 결정대칭성도 높다.

충전률은 0.680이다. Li, Na, K, Rb, Cs, Ba, V, α-Cr, δ-Fe, δ-Mn, β-Zr, Nb, Mo, Ta, α-W, β-Tl, β-Ti 등 알칼리금속과 전이금속이 크게 차지한다. 1장에서 기술한 것처럼 전이금속에서는 안쪽의 d(또는 f)궤도는 충만되어 있지 않으므로 인접원자의 궤도와 혼성하여 ±스핀의 전자를 서로 빼 낸 공유결합궤도를 형성하기 쉬우며, 그 궤도방향은 bcc 배치와 적합하기 쉽다.

 

이것이 bcc구조 출현의 이유라고 볼 수 있다. 한편 알칼리금속에서는 결합궤도 때문이 아니고 최밀하지 않는 격자에서의 원자진동은 퍼텐셜의 느슨함 때문에 늦는데, 이것이 진동의 자유에너지의 저하 즉 엔트로피의 증대를 초래하여 bcc의 상태를 양호하게 하고 있다. 실제 저온에서 세게 가공하면 알칼리금속은 bcc에서 fcc로 전이한다. La에서 Lu까지의 희토류금속(rare earth metal 희토류원소)에서는 위 3종류의 결정구조 모두에 흔히 나타난다.