금속의 결정구조의 종류와 개념을 설명(그림 및 예제(p.16, p.18, p.22) 포함)하고, 결정결함의 종류와 성질에 대한 설명을 하여 제출하시오.

소개글

금속의 결정구조의 종류와 개념을 설명(그림 및 예제(p.16, p.18, p.22) 포함)하고, 결정결함의 종류와 성질에 대한 설명을 하여 제출하시오.에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 금속의 결정 구조의 종류와 개념⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅1
가. 금속의 특성 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 1
나. 금속의 결정구조 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 2
1) 결정의 구조
다. 금속의 결정 구조의 종류 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 4
1) 체심입방격자(Body-Centered Cubic lattice ; BCC)
◈ 예제 1.1
◈ 예제 1.2
2) 면심입방격자(Face-Centered Cubic lattice ; FCC)
◈ 예제 1.3
◈ 예제 1.4
3) 조밀육방격자(Close-Packed Hexagonal lattice ; CPH or HCP)
◈ 예제 1.5

2. 결정결함(結晶缺陷)의 종류 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 8
가. 점결함 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 8
1) 원자공공
2) 격자간 원자
3) 분순물 원자
나. 선결함 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 9
1) 이상결정체의 임계전단응력
2) 전위의 원자배열
3) 전위의 에너지
4) 전위운동
다. 면결함 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 11
1) 결정립계
2) 상경계
라. 부피결함 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 12

3. 소견 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 12

4. 참고문헌⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 12

본문내용

구하기 위해 c축으로 맞닿은 원자만을 고려하면 그림 8과 같은 배열이 되며 이것은 정사면체를 상 하로 2개 겹쳐놓은 것과 같으므로 c값은 한변의 길이가 a인 정사면체의 높이의 2배가 된다.
또 한변의 길이가 a인 정사면체의 높이는 이므로 이다.
그러므로 가 되어 이 된다.
앞서 우리는 결정구조를 이루는 원자들은 지름이 같은 구가 서로 접촉하여 쌓여있는 것으로 생각하였으므로 당연히 c/a의 값은 일정한 값을 나타내며 c/a=1.633의 이상적인 조밀충진의 경우에는 배위수가 12가 된다. 그러나 실제의 금속결정에서는 c/a가 1.6330에 근접한 값을 갖는 것은 α-co, Mg, Re에 한정되고 기타의 금속에서는 c/a<1.633인 것이 많고 Zn, Cd에서는 c/a가 특별히 크다.
한편 조밀육방격자의 원자충진율은 구하기 위해서는 육각기둥의 단위격자보다도 그림 9에 굵은 실선으로 나타낸 사각기둥을 최소단위로 생각하면 훨씬 편하게 된다. 이 최소단위의 격자에서는 꼭지점의 원자가 p/g씩 기여하므로 단위격자내의 전체원자수는 내부에 있는 1개와 꼭지점에 있는 원자 8×로 총 2개의 원자가 속하고 있다. 따라서 이 단위격자의 원자충진율은 BCC에서 구한 바와 같이 계산하면
이다.
<조밀육방격자 ; CPH or HCP>
◈ 예제 1.5
상온(20℃)에서 Mg은 격자상수 a = 0.321㎚의 HCP 결정구조를 갖는다. Mg 단위격자의 부피를 구하라.
※ 풀이 → HCP 단위격자의 부피는 단위격자의 밑면적에 높이를 곱하여 구할 수 있다.
HCP 밑면의 총면적은
이므로, 단위격자의 부피 Vc는 다음과 같다.
2. 결정결함(結晶缺陷)의 종류
◈ 결정결함 : 고체 내부의 결정 대칭이 흐트러지는 일. 자유 표면, 무질서, 불순물, 결손(缺損) 따위로 일어난다.
가. 점결함(point defect) ; 0차원 결함
점결함은 그림 2-1에서 보는 바와 같이 원자공공(vacancy), 격자간 원자(interstitial atom), 불순물원자(impurity atom)가 있다.
< 그림 2-1 점결함의 종류>
1) 원자공공 : 결정의 격자점에서 원래 원자가 있어야 할 장소에 원자가 없는 경우.
2) 격자간 원자 : 결정격자점의 중간 위치에 들어 있는 원자.
3) 불순물 원자
(가) 침입형 불순물 원자 : 원자가 없는 좁은 공간에 들어가는 원자(H, B, C, N, O).
(나) 치환형 불순물 원자 : 금속원자 상호간에 고용체를 만드는 경우.
< 그림 2-2 원자확산에서 공공의 역할 >
나. 선결함 - 전위
1) 이상결정체의 임계전단응력
◈ 이상결정체(ideal crystal) : 격자결함이 존재하지 않는 결정체.
전단응력 τ를 x의 정현함수로 생각하면
이고, x가 미소한 경우에는 Hooke의 법칙이 성립하므로 다음과 같다.
이들 식으로부터
이므로 슬립이 일어나기 위한 최대전단응력 τc는
가 된다.
< 그림 2-3 변위의 함수로 나타낸 전단응력 >
2) 전위의 원자배열
가) 쐐기전위
쐐기전위의 원자배열을 나타낸 것으로 “⊥”부분 위의 원자 3개가 격자 내로 연결된 것을 보면 하나의 결정면을 형성하고 있고, 이 결정면(잉여반평면)은 마치 도끼를 통나무에 끼워 넣은 것과 같은 양상이라고 하여 쐐기저위라 한다. 이 잉여반평면이 위에서 아래로 놓여 있을 때, 양쐐기전위라고 하여 “⊥”의 부호를 사용하며, 이와 반대의 경우는 음쐐기전위로 “”의 부호를 사용한다.
< 그림 2-4 쐐기전위의 원자배열 >
나) 나사전위
나사전위의 주위를 한 바퀴 돌면 한 단계 상하의 원자면에 오는 나사형태의 구조로 되어 있다.
< 그림 2-5 쐐기전위에 의한 슬립변형 > < 그림 2-6 나사전위에 의한 슬립변형 >
< 그림 2-7 나사전위에 의한 원자배열 > < 그림 2-8 혼합전위에 의한 슬립변형 >
3) 전위의 에너지
결정중에 전위가 존재하면 그 주위는 원자배열이 흐트러져 있기 때문에 응력장 또는 변형장이 형성된다. 이와 같이 변형장에 축적되어 있는 에너지를 전위의 자기에너지 또는 변형에너지라고 한다.
4) 전위운동
(가) 전단력에 의한 습립운동
(나) 상승운동(climbing)
< 그림 2-9 나사전위의 교사슬립(AB가 A'B'로 이동 >
다. 면결함
1) 결정립계
그림 2-10은 쐐기전위에 의해 구성된 입계의 가장 간단한 예로서, 전위에 대하여 평행한 축을 중심으로 결정방위가 서로 경사진 형으로 되어 있다. 이러한 입계를 경각립계라고 한다. 방위차에 따라 소경각립계와 대경각립계로 나뉜다.
< 그림 2-10 소경각립계 중의 쐐기전위 >
2) 상경계
2원소 이상을 가진 고체는 많은 相의 혼합체이다. 그림 2-11은 Co의 母相중에 작은 단결정의 탄화 W이 분산되어 있는 WC재의 현미경 사진이다.
< 그림 2-11 Co 중의 탄화텅스텐(흰입자)의 현미경 사진 >
라. 부피결함
부피결함(또는 체적결함)은 재료의 생성과정과 제조과정에 의하여 형성되는 것으로, 지금까지 다룬 결함보다 훨씬 큰 것이다. 재료의 생성과정 중에 형성되는 가장 대표적인 결함은 介在物로서 금속재료에 있어서는 산화물의 입자가 대부분이고 황화물, 수소화물 등도 있다.
3. 소견
금속의 결정구조와 결정결함의 종류에 대해 조사하면서 이해가 잘 되지 않는 부분이 있어서 교재 이외에도 인터넷 검색을 통해 많은 것을 알게 되었다. 금속원소는 비교적 단순한 결정구조를 갖는다는 것을 알게 되었고, 결함은 기계적이나 물리적 성질에 영향을 미친다는 것을 다시금 깨닫게 해주었다. 생각보다 많은 결함의 종류에 대해서도 알게 되는 계기가 되었으며, 기계 구조물의 안전성에 많은 영향을 미친다는 것도 알게 되었다.
4. 참고문헌
가. 기계재료학, 김정규外 2人, 문운당, 2006, Page14~53
나. 기계재료 / 금속의 응고와 결정 /
http://info.cise.or.kr/@grace2/cnetech/kikong/chapter2/htmmain/frameset.htm
다. 동국제강 / 금속재료 기초 / http://blog.naver.com/seiler31 /
라. 기계기사, 건설기계 기술사 과년도 기출문제 자료실 /
http://cafe.naver.com/mechanist

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