신소재설계입문 | 탄소강의 조직 시편

 

 

 

TIP

 

 

금속(탄소강) 시편을 채취하여 관찰면을 균일하게 연마하고 미세한 조직을 관찰함으 써 그 곳에 나타나는 상, 결정립의 형상 및 분포상태, 크기 또는 결함 등을 측정하여 조직과 기계적 성질의 관계를 연구한다.

 

 

 

탄소강의 성질

1. 탄소강의 물리적 성질 : 탄소강의 물리적 성질은 탄소 함유량, 열처리, 기계 가공 의 차이 등에 따라 상당히 변화한다.

 

2. 탄소강의 기계적 성질 : 세로 탄성 계수, 가로 탄성 계수, 푸아송 비는 어느 것이 탄소 함유량에는 거의 관계없이 일정하지만, 일반적으로 기계적 성질은 탄소 함유량, 열처리, 가공 등의 영향을 받아 광범위 하게 변화한다.

 

 

금속현미경

금속·합금·세라믹 등과 같이 불투명한 물질의 구조를 관찰하기 위한 현미경, 반사형 현미경 이라고도 한다. 식물·동물의 세포 등을 관찰하는 일반 광학현미경의 경우는 시료의 뒤쪽에서 빛을 비춰 투과해 온 빛을 대물렌즈와 접안렌즈에 의해서 확대시킨다. 이에 대해서 금속현미경은 대물렌즈와 접안렌즈와의 사이에 글라스판 또는 직각프리즘을 장치하여 시료의 앞쪽에서 빛을 비추고 반사해 온 빛을 대물렌즈와 접안렌즈에 의하여 확대시킨다. 비율은 약1000배가 한도이며 이 이상의 확대에는 전자현미경이 사용된다.

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실험 방법

1. 시험편의 채취

시편은 검사 목적에 따라 재료의 아는 부분에서 채취하여야 한다. 예를 들면, 겸함의 원인을 규명하기 위해서는 결함부위에서 채취하여야 하고 압연이나 단조 가공을 한 재료는 횡단면과 종단면을 각각 채취하여 조사한다. 또한 탄소강의 경우, 열간가공을 한 재료의 표면은 산화, 탈탄 반응을 일으키기 때문에 표면 부근은 표준조직을 나타내지 않으므로 채취부눈을 결정하여야 한다.

 

시편의 채취 장소가 결정되면 시편 절단기구나 알맞은 공구로 절단하여 시편을 제작한다. 이 때 단단하고 취약한 재료는 파쇄하여 사용한다. 재료 절단시 주의할 점은, 기계톱이나 시편절단 그라인더, 쇠톱 등으로 절단할 경우, 국부적인 가열 또는 변형으로 조직이 변질되기 쉽기 때문에 비눗물이나 물로서 윤활, 냉각을 시키면서 절단하여야 한다. 보통 시편의 크기는 가로 ․ 세로 각1～2㎝, 또는 원형 재료인 경우 직경 1～2㎝가 일반적이나 박판, 가는 철사, 기타 작은 시편은 시편 매립제 등에 매몰시켜 고정 또는 기구를 사용하여 지지시킨다.

 

2. 시험편의 채취 및 절단

시험편의 채취 : 시험편의 재취는 시험편의 종류에 따라 아래와 같이 한다.

① 횡단면 방향 채취 : 결정입도 측정, 표면층, 편석결함, 기포, 흠 등

② 종단면 방향 채취 : 비금속 개제물, 소성 가공층의 섬유조직상, 경화층의 분포

③ 향방향 채취 : 압연, 단조의 성과 확인, 파괴시작점 관찰

 

3. 시험편의 절단

① 크기 : 시험목적에 따라 폴리싱하기 쉬운 크기로 하며, 일반적으로 시험편의 피검면을 10～25㎜크기로 하고, 높이는 이의 50～60%가 되도록 한다.

② 절단 : 시편의 재질에 따라 기계톱, 저석톱, 방전절단을 이용한다. 특히 기계톱과 저석톱으로 절단시 방생되는 마찰열로 인해 시험편 표면의 조직이 변하는 일이 없도록 작업 중 충분한 냉각을 하여야 한다.

 

4. 시험편의 마운팅

마운팅이란 시표의 크기가 작아서 손에 쥐고서 시험편을 준비하기 어려운 경우에 손에 쥐고 다루기 편한 크기의 단순한 모양으로 만드는 작업이다. 마운팅을 하는 경우는 일반적으로 크기가 매우 작은것, 모양이 매우 불규칙한 것, 재질이 너무 연하거나 깨지기 쉬운것 또는 재료의 표면부위를 관찰하고자 할 때이다.

 

5. 연마

조직을 관찰할 때 관찰부분이 나오지 않을 수 있으므로, 마운팅이 끝난 시편은 필요한 경우에 연마를 행한다. 이 작업은 시험편 표면의 오렴물질 및 시료의 채취시 형성되는 변형부위를 제거하고 이 후의 현미경 관찰이 가능하도록 편평한 면을 열기 위해 행한다.

 

6. 정밀 연마

광택연마에 앞서 원하는 조직을 얻기 위한 표면의 거칠기를 일정하게 해주는 단계이다. 연마에는 연마흠이 없어야 하고 소성변형 양이 적어야 하며, 연마면은 경면이 되어 있어야 한다. 특히, 발생된 흠과 직각 방향(90°)으로 연마하여 전의 흠이 새로운 방향의 흠으로 없어 질 때까지 연마해야 한다.

 

7. 자동 연마

회전판 위에 시편을 높고 연마하는 방법(테이블 연마기 사용), 연마판을 진동시키는 방법을 사용한다.

 

8. 연마방법

연마할 부분을 선택하여 낮은 입도의 샌드페이퍼부터 연마를 시작한다. 이때샌드페이퍼 밑이 평평하여 연마면의 평활도가 유지도기 때문에 평평한 곳에 올려놓고 연마를 하도록 하며, 연마 시 연마의 마찰열로 인한 조직파괴 변질과 연마가루를 없애주기 위해서 물을 계속적으로 뿌려주어야 한다. 낮은 입도의 샌드페이퍼에서 연마가 완료되면 시험편을 90도 회전시켜 높은 입도의 샌드페이퍼에서 작업을 계속한다. 이 때 높은 번호의 연마자국은 낮은 번호의 연마자국에서 수직이어야 하며 낮은 번호의 연마 자국이 완전히 사라지면 다시 시험편을 90도로 회전하여 더 높은 샌드페이퍼로 연마 작업을 계속한다. 이와 같은 과정을 #400 ,#600 ,#800 , #1000 ,#1.200 ,#1,500 ,#2,000 의 순서로 샌드페이퍼에서 반복한다.

 

9. 애칭

금속시편의 균열, 기포 또는 비금속 개재물 등은 폴리싱만 끝나면 잘 관찰 된다. 그러나 대부분의 경우 폴리싱 상태에서는 미세조직은 잘 관찰되지 않는다. 따라서 조직이 잘 보이게 시편을 처리해야 하는데 이러한 작업을 부식처리라 한다. 이 부식처리에는 화학적 처리뿐만 아니라 조직이 보이게 하는 각종의 처리를 모두 포함시켜 말하는 것이다. 그리고 이 방법에는 크게 광학적 방법, 전기화학적 방법 및 물리적 방법으로 나눌 수 있다.

 

10. 광학적 방법

광학적 방법이란 조명방법을 변화시켜 금속의 미세조직이 나타나게 하는 방법이다. 편광을 시편의 표면에 쪼여주면 결정립의 방위나 결정구조의 차이에 따라 조직의 명함이 구별되어 보이는 현상을 이용한 편광조명법, 빛을 경사지게 쪼여서 명암의 대조를 증가시키는 경사조명법, 광원에서 빛의 진로를 제한하면 빛의 진행거리가 변하여 시편 표면의 높낮이 차이에 따른 간섭현상이 발생하는 것을 이용하여 명암의 대조를 증가시켜 조직을 검사하는 간섭광 관찰 등이 이에 해당한다. 또한 관찰하고자 하는 부위가 오목하게 들어갔거나 난반사를 일으키는 부위일 경우 명암을 도치시켜 오목하거나 난반사를 일으키는 어두운 부분을 밝게하여 관찰하는 명암도치법도 이에 속한다.

 

11. 물리적 부식법

물리적 방법으로 시편을 처리하면 부식면에 부식생성물이 남지 않는 장점이 있다 특히 도금층이나 화학적 성질이 판이한 금속의 용접부 또는 세라믹재료나 다공성 재료를 부식시키는데 물리적 부식법이 적합하며 이에는 이온부식, 열부식 및 증착층에 의한 부식등이 있다.

 

12. 전기화학적 방법

금속의 시편을 전기화학적으로 부식시키는 과정에서는 산화와 환원반응이 일어난다. 모든 금속은 액체에 용해될 때 전자를 잃고 양이온으로 되려는 경향이 있다. 이와 같은 이온화 경향은 금속마다 모두 다르며 금속의 종류 또는 합금상태에 따른 전기화학적 전위로 그 강약을 나타낼 수 있다. 즉 표준전위에 다하여 각 금속의 전기화학적 전위를 비교하면 금속의 이온화 경향을 나타낼 수 있다.

 

 

 

[신소재설계입문]탄소강의 조직 시편 레포트