가공경화된 금속은 왜 열처리를 하면 다시 부드러워지나요?

Question

금속을 두드리거나 압연하면 단단해지는 가공경화가 일어나는데, 이후 열처리(어닐링)를 하면 다시 부드러워진다고 배우는데, 재결정이라는 과정이 이런 성질 변화를 어떻게 만드는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

가공경화된 금속이 단단한 건 내부에 변형으로 생긴 결함이 잔뜩 엉켜 있기 떄문이에요. 원자 배열이 어긋난 자리들이 실타래처럼 뒤엉켜 원자층이 미끄러지지 못하게 막고 있는 상태라, 단단한 대신 잘 깨지는 성질이 돼요.

여기에 열을 가하면 원자들이 활발히 움직일 에너지를 얻어요. 어닐링 온도 쯤 되면 엉킨 결함 투성이 조직 속에서 결함이 거의 없는 새 결정 알갱이가 싹트기 시작하고, 이 새 알갱이가 주변의 뒤틀린 조직을 잡아 먹으며 자라나요. 이게 재결정 이에요. 구겨진 종이를 새 종이로 갈아 끼우는 것과 비슷해서, 결함이 사라진 만큼 원자층이 다시 잘 미끄러지고 금속은 부드럽고 잘 늘어나는 상태로 돌아와요.

재결정 온도는 대략 녹는점의 절반 수준이고, 가공을 심하게 한 금속일수록 쌓인 에너지가 많아 더 낮은 온도에서도 일어나요. 그런데 너무 오래 가열하면 알갱이가 지나치게 커져서 오히려 강도가 떨어지니, 온도와 시간을 맞추는게 중요하죠 :)

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

가공경화는 금속을 변형시키는 동안 결정 내부의 전위가 크게 늘어나면서 서로의 움직임을 방해해서 금속이 단단해지는 현상을 말합니다. 이 상태에서 어닐링을 하게 되면 열에너지로 원자와 전위가 이동하기 쉬워지기 때문에 내부에 쌓였던 변형 에너지가 점차 줄어들게 됩니다.

회복 단계에서 일부 전위들이 정리가 되고, 더 높은 온도에서는 변형이 적은 새로운 결정립이 생기는 재결정이 진행되게 되는데, 재결정된 결정립은 기존의 심하게 뒤틀린 조직보다 전위 밀도가 훨씬 낮기 때문에 다시 변형되기 쉬운 상태가 됩니다. 그래서 강도와 경도가 낮아지고 연성과 가공성은 다시 좋아지는 것입니다.

열처리를 너무 오래할 경우는 결정립이 지나치게 커진느 결정립 성장도 일어날 수 있기 때문에 온도와 시간이 무엇보다도 중요합니다. 결국에는 어닐링은 가공으로 쌓인 전위와 내부 변형을 재정리해 금속을 다시 부드러운 상태로 되돌리는 과정으로 보시면 되겠습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

가공경화 과정에서 금속 내부에 엄청나게 얽히고설킨 전위라는 스트레스가 가득 쌓이는데 높은 온도로 열처리를 하면 원자들이 활발히 움직이며 복원 과정을 거쳐 전위 밀도가 급격히 줄어든 결함 없는 새로운 재결정 결정립들이 형성됩니다 이 재결정을 통해 원자 배열이 다시 규칙적이고 정돈된 상태로 돌아가면 금속 내부에서 변형을 일으키는 원자의 이동이 가공 전처럼 다시 원활해지므로 금속 본래의 부드럽고 연한 성질을 되찾게 됩니다