기계재료의 물리적, 화학적, 기계적 성질

1. 물리적 성질

[1] 금속과 합금의 색

순금속은 특이한 색깔을 띠고 있으나, 일반적으로 순금속은 흰색 계통의 것이 많고 합금은 성분 금속에 따라 다르다. 금속의 색깔을 탈색하는 힘이 큰 것으로부터 작은 순서로 들면 다음과 같다.

Sn → Ni → Al → Mn → Fe → Cu → Zn → Pt → Ag → Au

[2] 비 중

일반적으로 액체나 고체는 4℃의 물 1cm3를 1g으로 하고 이것을 표준으로 한다. 즉 어떤 물체의 무게가 그와 같은 부피의 물 무게와의 비를 말하며, 금속의 비중은 최소 0.53(Li)부터 최고 22.5(Ir)까지 있고, 단조한 것이 주조한 것보다 일반적으로 비중이 크다. 비중 4.5를 기준하여 4.5이하의 것을 경금속, 그 이상의 것을 중금속이라 한다.

[3] 용해온도와 용해 숨은열

금속을 가열하면 녹아서 액체가 된다. 이때의 온도를 용해온도, 또는 용융점이라 한다. 금속이 용해시 시간이 지나도 온도가 올라가지 않고, 전부 용해된 후 온도가 올라가는 열량을 용해숨은열이라 한다.

[4] 선팽창 계수

금속에 열을 가하면 길이와 부피가 증가하는데 이것을 열팽창이라 하고, 온도가 1℃올라감에 따라 길이가 늘어나는 비율을 선팽창 계수라 한다.

[5] 열전도율(cal/cm, sec, ℃)

거리 1cm에 대하여 1℃의 온도차가 있을 때 1cm2의 단면을 통하여 1초간에 전해지는 열량을 cal로 나타내는 것을 말하며 열전도도라 한다. 순도가 높은 금속일수록 열전도율이 좋다.

[6] 도 전 율(Ω, mm2/m)

전기 저항의 역수인데, 전기저항은 공업적으로는 1m 단면적 1mm2의 선의 저항을 Ω(ohm)으로 나타내며, 이 저항을 고유 저항이라 한다. 고유 저항이 작을수록 도전율이 좋다.

[7] 열기전력

2개의 서로 다른 금속의 양끝을 접합하고, 각 접점을 온도의 차가 있는 곳에 놓으면 양 접점사이 전위차가 생겨서 전류가 흐른다. 이 전류를 열전류라 하고 발생된 전위차를 열기전력이라 한다.

[8] 자 성

자장 속에서 유도 작용에 의하여 자기를 띠어 자석, 즉 자화되는데 이 성질을 자성이라 하며 자장의 강도가 증가함에 따라 자화되는 정도도 증가해 간다. 또한 자기를 띠어 자석으로 자화되는 성질로서 상자성체와 반자성체가 있다.

퀴리점 : 자화강도가 급격히 감소되는 온도(A2)

[9] 비열

물질 1Kg의 온도를 1K(절대온도)만큼 높이는데 필요한 열량을 말한다.

[10] 열팽창계수

물체의 온도가 1℃ 상승하였을 경우 증가한 물체와 팽창하기 전 물체의 치수 비를 말한다.

2. 화학적 성질

[1] 금속의 이온화

금속이 용액 중에 들어가면 양이온으로 되려고 하는 경향이 있다. 이러한 대소를 금속의 이온화 경향이라고 하며 이것이 클수록 이온화되어 용액에 잘 용해된다.

∙용해순서:K＞Na＞Ca＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Cr＞Fe＞Cd＞Co＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Sb＞Bi＞Cu＞Hg＞Ag＞Pt＞Au

① 이온화 경향이 큰 것은 화합물이 생기기 쉽고, 또 그 화합물이 안정하나 적은 것은 화합되기가 힘들며 또 화합되어도 분해되기 쉽다.

② 금속염 용액에 이보다 이온화 경향이 큰 금속을 넣으면 이 금속이 녹아서 이온화 경향이 적은 금속이 침전한다. 또 수소보다 이온화 경향이 큰 금속을 산에 넣으면 수소를 발생하면서 용해한다.

③ 수소보다 이온화 경향이 적은 것은 산에 작용하기 힘들고, 질산이나 황산 같은 산화성 산과 처리하면 우선 산화되고 이 산화물이 산에 녹는다.

[2] 금속의 부식

금속이 물 대기 중에서 표면이 화학적 또는 전기 화학적인 작용에 의하여 비금속성 화합물을 만들어 점차로 손실되어 가는 현상을 부식이라 한다.

(1) 전기 화학적 부식

상온에서 금속의 표면과 접촉하여 화학반응을 일으키게 하는 것

① 건부식 : 금속과 가스와의 접촉에 의하여 일어나는 순화학적 반응

② 습부식 : 금속의 표면에 국부 전지를 형성하여 금속이 이온화되어 수용액 중에서 이동하고 수용액은 전해질이 되는 전기 화학적 부식

(2) 환경에 의한 금속의 부식

대기 중에서 금속의 부식은 습기가 많은 대기 중일수록 부식되기 쉽고 건조한 공기 중에서는 일어나지 않는다.

순도가 높은 금속은 순도가 낮은 금속보다도 산성 용액에 의한 침식이 적다. 금속의 부식은 그것이 금속의 전면에 걸쳐서 균일하게 일어나는 전면부식과 일부분에 한해서 일어나는 국부부식이 있다.

(3) 고온에서의 산화

금속을 고온으로 가열하면 그 표면에 산화물이 생긴다.

금속의 산화는 이온화 계열의 상위에 있을수록 쉽게 일어나고 알루미늄보다 상위에 있는 금속은 공기 중에서도 산화물을 만들며 탄다.

금속의 고온 중 산화는 그 표면에 생기는 산화물의 성질에도 영향을 받는다.

(4) 내식성

금속의 부식에 대한 저항력으로 구리 또는 스테인레스강과 같이 니켈과 크롬을 함유한 합금은 내식성이 우수하다.

 

 

3. 기계적 성질

(1) 강 도(strength)

재료에 외력을 작용시키면 변형되거나 파괴되는데 이 외력에 대해 재료단면에 작용하는 최대 저항력을 말하며 인장강도(tensile strength), 굴곡강도(bending strength), 전단강도(shearing strength), 압축강도(compression strength), 비틀림 강도(torsion strength) 등이 있다.

(2) 경 도(hardness)

한 물체에 대한 경도는 이것을 다른 물체로 눌렀을 때에 그 물체의 변형에 대한 저항력의 크기로 측정한다. 재료에 변형저항의 대소를 표시하는 점에서는 인장강도와 관련성이 있다.

(3) 인 성(toughness)

충격에 대한 재료의 저항, 즉 굽힘이나 비틀림 작용을 반복하여 가할 때 이 외력에 저항하는 성질이며 끈기가 있고 질긴 성질을 말한다.

(4) 메짐성(shortness)

인성에 반대되는 성질, 즉 잘 부서지고 혹은 잘 깨지는 성질을 말한다.

(5) 피 로(fatigue)

정적인 하중으로 파괴를 일으키는 응력보다 휠씬 작은 응력이라도 오랜 시간에 걸쳐 연속적으로 되풀이하여 작용시키면 재료가 결국 파괴되는데 이와 같은 현상을 피로라 하며 그 파괴현상을 피로파괴라 한다.

(6) 크리프(creep)

금속 재료를 고온에서 오랜 시간 외력을 걸어 놓으면 시간의 경과에 따라서 서서히 그 변형이 증가하는 현상을 일으키는데 이 현상을 크리프라 하며 이 변형이 증대될 때의 한계 응력을 크리프 한도(creep limit)라 한다.

(7) 연 성(Ductility)

연성이란 재료에 장력을 소성변형을 일으키게 하여 선상으로 늘릴 수 있는 성질을 말한다. 철사는 이와 같은 성질을 이용해서 만든다. 연성은 통상 인장시험에 있어서 시장 또는 교축의 대소에 의해서 비교된다. 그 순서는 다음과 같다.

Au → Ag → Al → Cu → Pt → Pb → Zn → Fe → Ni

(8) 전 성(Malleability)

해머링 또는 압연에 의하여 재료에 금이 생기지 않고 얇은 판으로 넓게 펼 수 있는 성질로 그 순서는 다음과 같다.

Au → Ag → Pt → Al → Fe → Ni → Cu → Zn

(9) 가단성(Forgeability)

재료의 단련하기 쉬운 성질, 즉 단조, 압연, 인발 등에 의하여 변형시킬 수 있는 성질을 말한다.

(10) 주조성(castability)

금속 주조의 난이성을 나타내는 성능이다. 유동성, 점성, 수축성 등이 포함된다.

(11) 연신율(Elongation percentage)

재료에 하중을 가하면 늘어났다가 어느 점에서 파괴된다. 이때 원래의 길이와 늘어난 길이의 비를 연신율이라 한다.

(12) 항복점(yielding point)

탄성한계 이상의 하중을 가하면 하중과 연신율은 비례하지 않으며 하중을 증가시키지 않아도 시험편이 늘어나는 현상을 항복현상이라 하고 항복현상이 일어나는 점을 항복점이라 한다.

(13) 소성 가공성

재료를 소성 가공하는데 용이한 성질로써 단조성, 압연성, 성형성 등이 있다.

(14) 접합성

재료의 용융성을 이용하여 두 부분을 반영구적으로 접하게 하는 난이도의 성질로서 용접, 단접, 납땜 등이 있다.

(15) 절삭성

절삭 공구에 의해 재료가 절삭되는 성질을 말한다.