기계재료

기계재료 (1) – 금속의 성질

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1) 철계 금속

  • 정의: 철계 금속은 철(Fe)을 주성분으로 하는 금속군입니다. 이러한 금속들은 보통 강하고, 내구성이 높으며, 다양한 산업 분야에서 광범위하게 사용됩니다.
  • 특성:
    • 강도: 철계 금속은 높은 인장강도와 압축강도를 가집니다. 이는 건축 구조물, 자동차 구조체, 다리 등에 필수적인 특성입니다.
    • 전기 및 열 전도성: 철계 금속은 좋은 전기 및 열 전도성을 가지고 있어 전기 및 열 전달 응용 분야에 사용됩니다.
    • 자기적 성질: 일부 철계 금속은 강한 자기적 성질을 가지며, 이는 모터, 발전기, 변압기 등의 제작에 활용됩니다.
    • 가공성: 철계 금속은 열처리와 기계적 가공이 용이하며, 이를 통해 다양한 형태와 크기로 제작될 수 있습니다.
  • 용도: 건축 자재, 자동차 부품, 조선업, 기계 제조, 전기 및 전자 장비, 도구 및 기계류 제작 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

관련 표

1. 철계 금속 분류

금속 유형특성일반적인 용도
강철강도가 높고, 연성, 용접 가능, 방청 처리시 부식 방지건축, 자동차, 가전제품
주철압축 강도가 높고, 부서지기 쉬움, 마모 저항성 좋음엔진 블록, 파이프, 기계류
순철연성, 가공성 좋고, 부식 방지장식 철공예, 울타리, 문

2. 철계 금속의 응용 분야

금속 유형건축자동차기계류기타
강철✔️✔️✔️–
주철–✔️✔️–
순철✔️––장식 예술

3. 물리적 및 화학적 특성

특성강철주철순철
인장 강도높음보통낮음-보통
전도성보통낮음보통
자기적 특성있음있음없음

4. 철계 금속의 열처리 과정

과정 단계설명
가열금속을 특정 온도까지 가열하여 가공 가능한 상태로 만듦
담금금속을 일정 온도에 유지하여 온도가 고르게 퍼지도록 함
냉각원하는 물리적 특성을 얻기 위해 조절된 냉각 과정을 거침

2) 준금속

  • 정의: 준금속은 금속과 비금속 사이에 위치하는 원소들로, 금속과 비금속의 특성을 모두 가질 수 있습니다. 이들은 대체로 반도체 속성을 가지며, 전기적 특성이 온도에 따라 변화합니다.
  • 특성:
    • 반도체 성질: 준금속은 온도가 증가함에 따라 전도성이 향상되는 반도체 특성을 보입니다.
    • 화학적 안정성: 일반적으로 화학적으로 안정하며, 산화되거나 부식되기 어렵습니다.
    • 열 전도성: 대부분의 준금속은 열 전도성이 낮습니다.
  • 용도: 전자회로, 태양전지, 감지기, 반도체 장치 등의 제조에 사용됩니다.
준금속 원소반도체 성질화학적 안정성열 전도성일반적인 용도
실리콘(Si)우수높음낮음반도체, 태양전지
게르마늄(Ge)우수높음낮음전자회로, 감지기
비소(As)우수높음낮음반도체 소재
텔루륨(Te)중간보통낮음열전 재료

3) 신금속

  • 정의: 신금속은 최근 개발되거나 특수한 특성을 지닌 금속 및 합금을 말합니다. 이들은 전통적인 금속보다 우수한 물리적, 화학적 성질을 가지고 있어 특정 고성능 응용 분야에 적합합니다.
  • 특성:
    • 고강도 및 경량성: 신금속은 일반 금속에 비해 높은 강도를 가지면서도 경량입니다.
    • 내부식성 및 내열성: 화학적 안정성이 높고, 고온 환경에서도 성능을 유지합니다.
    • 특수한 전기적/기계적 특성: 특정 신금속은 고유한 전기적 또는 기계적 특성을 지니고 있어 특수한 응용 분야에서 요구됩니다.
  • 용도: 항공우주 산업, 의료 기기, 첨단 전자 장비, 에너지 분야 등에 사용됩니다.
신금속강도경량성내부식성내열성특수한 특성용도
티타늄 (Ti)높음높음높음높음생체 친화성항공우주, 의료 기기
자르코늄 (Zr)높음중간높음높음방사능 차단핵 반응기, 의료
니오븀 (Nb)높음중간높음높음초전도성첨단 전자 장비, 에너지
텅스텐 (W)매우 높음낮음높음매우 높음높은 밀도에너지, 군사 산업

4) 귀금속

  • 정의: 귀금속은 화학적으로 안정하고 희귀하며, 높은 경제적 가치를 지닌 금속을 말합니다. 이들은 일반적으로 부식에 강하고, 높은 연성과 전도성을 가집니다.
  • 특성:
    • 내식성: 대부분의 귀금속은 공기와 물에 의한 부식에 강합니다.
    • 전도성: 특히 금과 은은 뛰어난 전기 및 열 전도성을 가집니다.
    • 연성 및 가공성: 매우 높은 연성을 지니며, 다양한 형태로 가공하기 쉽습니다.
  • 용도: 보석류, 장식품, 전자 부품, 치과 재료, 투자 상품 등에 사용됩니다.
귀금속내식성전도성연성주요 용도
금 (Au)매우 높음매우 높음높음보석, 전자 부품, 투자
은 (Ag)높음매우 높음높음보석, 전기 부품, 사진
백금 (Pt)매우 높음높음중간보석, 자동차 촉매, 실험 재료
팔라듐 (Pd)높음높음중간보석, 수소 저장, 연료전지

5) 비중에 의한 금속 구분

  • 정의: 금속의 비중은 물질의 밀도에 따라 결정되며, 이를 기준으로 금속을 경금속과 중금속으로 구분할 수 있습니다. 물의 비중은 1이며, 이보다 크면 중금속, 작으면 경금속으로 분류됩니다.
  • 특성:
    • 경금속: 일반적으로 비중이 5 이하인 금속으로, 가볍고 연성이 뛰어납니다.
    • 중금속: 비중이 5 이상인 금속으로, 무겁고 일부는 독성을 가지기도 합니다.
  • 용도: 경금속은 주로 항공기, 자동차 부품 등에 사용되며, 중금속은 건축재료, 배터리, 페인트 등에 사용됩니다.
금속 유형비중특징주요 용도
경금속 예시: 알루미늄(Al)2.7가벼움, 연성항공기, 포장재
중금속 예시: 납(Pb)11.3무거움, 독성배터리, 방사선 차폐
경금속 예시: 마그네슘(Mg)1.7매우 가벼움자동차 부품, 카메라
중금속 예시: 철(Fe)7.9무거움건축재료, 기계 부품

6) 용융점

  • 정의: 용융점은 고체가 액체로 변하는 온도입니다. 금속은 상온에서 대부분 고체 상태이며, 용융점은 금속의 중요한 물리적 특성 중 하나입니다.
  • 특성:
    • 금속은 다양한 용융점을 가지며, 이는 금속의 화학적 구조와 결합력에 따라 달라집니다.
    • 일반적으로 순수한 금속은 합금보다 낮은 용융점을 가집니다.
  • 용도: 용융점은 금속의 가공, 용접, 주조 등의 공정에서 중요한 역할을 합니다.
금속용융점 (°C)특징
금 (Au)1,064귀금속, 연성과 전도성이 뛰어남
철 (Fe)1,538철계 금속, 구조재료로 널리 사용
알루미늄 (Al)660경금속, 가공성이 좋음
납 (Pb)327중금속, 전지 제조에 사용
구리 (Cu)1,085전도성이 뛰어난 비철금속
주석 (Sn)232낮은 용융점을 가진 비철금속

7) 열 전도율

  • 정의: 열 전도율은 열이 재료를 통해 얼마나 잘 전달되는지를 나타내는 물리적 성질입니다. 이는 금속이 열을 얼마나 효율적으로 전달하는지를 보여줍니다.
  • 특성:
    • 금속 중에서 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al)은 특히 높은 열 전도율을 가집니다.
    • 이러한 금속들은 열과 전기 전도성이 좋아 전기 및 열 응용 분야에 널리 사용됩니다.
  • 용도: 전기 전선, 방열 재료, 요리 도구 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
금속열 전도율 (W/m·K)특징
은 (Ag)429최고의 열 및 전기 전도성
구리 (Cu)401전기 및 열 전도성이 우수
금 (Au)317부식에 강하며 좋은 전도성
알루미늄 (Al)237가볍고 열 전도성이 좋음

8) 금속의 일반적인 특성

  • 정의: 금속은 특유의 물리적, 화학적 특성을 가지고 있으며, 이러한 특성들은 금속이 널리 사용되는 이유가 됩니다.
  • 특성:
    • 전기 및 열 전도성: 대부분의 금속은 우수한 전기 및 열 전도성을 가집니다.
    • 연성과 가공성: 금속은 일반적으로 높은 연성을 가지며, 이로 인해 다양한 형태로 가공할 수 있습니다.
    • 반사성: 금속은 빛을 잘 반사하여 빛나는 표면을 가집니다.
    • 강도와 단단함: 금속은 일반적으로 높은 강도와 단단함을 가집니다.
  • 용도: 구조재료, 전기 및 전자 장치, 기계 부품, 장식품 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
특성설명예시
전기 및 열 전도성전기와 열을 잘 전달함구리(전선), 알루미늄(방열재)
연성과 가공성쉽게 형태를 변경할 수 있음철(구조재료), 금(보석)
반사성빛을 반사하여 빛남은(거울), 금(장식품)
강도와 단단함높은 내구성을 가짐강철(건축재료), 티타늄(항공기)

9) 합금의 성질

  • 정의: 합금은 두 개 이상의 금속, 혹은 금속과 비금속이 혼합된 재료입니다. 이러한 혼합은 특정 물리적, 화학적 성질을 향상시키기 위해 이루어집니다.
  • 특성:
    • 강도 증가: 합금은 순금속보다 강도가 높을 수 있습니다.
    • 내식성 향상: 특정 합금은 부식에 대한 저항력이 더 강합니다.
    • 열처리 가능성: 합금은 열처리를 통해 더 단단하거나 가공하기 쉬운 특성을 얻을 수 있습니다.
  • 용도: 건축, 자동차, 항공우주, 의료 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
합금명구성 요소특징주요 용도
스테인리스 스틸철, 크롬, 니켈내식성, 강도주방용품, 의료기기
황동 (Brass)구리, 아연가공성, 내식성악기, 장식품
브론즈 (Bronze)구리, 주석내마모성, 강도조각상, 베어링
알루미늄 합금알루미늄, 구리/마그네슘경량, 강도항공우주, 자동차

10) 순금속의 응고 (뉴턴의 냉각 곡선)

  • 정의: 순금속의 응고는 순수한 금속이 액체 상태에서 고체 상태로 변화하는 과정을 말합니다. 이 과정은 뉴턴의 냉각 곡선을 통해 설명될 수 있으며, 금속의 응고점과 냉각 속도를 나타냅니다.
  • 특성:
    • 과냉상태 방지: 과냉상태는 금속이 고체화되기 전에 액체 상태로 남아 있는 상태를 말하며, 이를 방지하는 방법이 중요합니다.
    • 결정 형태: 응고 과정에서 금속 내부의 결정 형태가 형성됩니다.
  • 용도: 금속 제조, 주조, 재료 과학 연구 등에서 중요한 개념입니다.
과정설명영향
냉각 시작금속이 용융점 아래로 냉각됨과냉상태 방지 기법 중요
응고 시작금속이 고체화를 시작함결정 구조 형성 과정
응고 완료금속이 완전히 고체 상태가 됨결정 크기와 형태에 영향
냉각 계속금속이 완전히 응고된 후 계속 냉각됨금속의 물리적 성질 결정
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< Newton의 냉각 곡선 >

11) 금속의 가공

  • 정의: 금속 가공은 금속을 유용한 제품으로 만드는 과정입니다. 이 과정은 열간 가공과 냉간 가공으로 나뉘며, 가공 방법에 따라 금속의 물리적 성질이 달라집니다.
  • 특성:
    • 열간 가공: 고온에서 금속을 가공하는 방법으로, 금속이 연해져 형태 변경이 용이해집니다.
    • 냉간 가공: 상온에서 금속을 가공하는 방법으로, 금속을 단단하고 강하게 만듭니다.
    • 재결정 온도: 가공된 금속을 가열할 때, 내부 구조가 재결정화되는 현상이 일어나는 온도입니다.
  • 용도: 건축 자재, 자동차 부품, 기계 부품, 가전 제품 제조 등에 사용됩니다.
가공 유형특징장점단점예시
열간 가공고온에서 수행연성 증가, 형태 변경 용이표면 거칠어짐주조, 단조
냉간 가공상온에서 수행강도 증가, 표면 깨끗강한 가공 경화압연, 인발
재결정 온도가공 후 가열 시 발생구조 및 성질 변화제어 필요열처리

12) 원자의 결합

  • 정의: 원자의 결합은 원자들이 서로 결합하여 분자나 고체를 형성하는 방법입니다. 금속의 특성은 결합 유형에 따라 크게 달라질 수 있습니다.
  • 주요 결합 유형:
    • 공유결합: 두 원자가 전자를 공유하여 안정된 전자 구성을 이룹니다.
    • 이온결합: 전자를 하나의 원자에서 다른 원자로 이동시켜 양전하와 음전하 이온을 형성합니다.
    • 금속결합: 금속 원자들이 자유 전자를 공유하여 강한 결합을 이룹니다.
    • 반데르 왈스 결합: 분자 간의 약한 전기적 인력에 의해 형성됩니다.
  • 용도: 각 결합 유형은 다양한 물질의 물리적, 화학적 특성에 영향을 미칩니다.
결합 유형특징예시용도
공유결합전자 공유다이아몬드, 물분자 구조 물질
이온결합전자 이동소금(NaCl), 석회석(CaCO3)전해질, 무기 화합물
금속결합자유 전자 공유구리(Cu), 알루미늄(Al)전도체, 구조 재료
반데르 왈스 결합약한 인력이산화탄소(CO2), 메탄(CH4)기체 및 액체 상태 물질

공유결합 > 이온결합 > 금속결합 > 반데르 왈스 결합

다른 기계재료 링크

기계재료 (1) – 금속의 성질

기계재료 (2) – 결정의 구조