1. 기계재료의 정의

1.1 정의

기계에는 많은 재료들이 필요하며 기계를 구성하는 부품은 기계의 기능, 내구성에 적합한 재료의 선택과 기계적 성질을 가지고 있어야 되며, 필요한 형상으로 가공할 수 있어야 한다. 기계를 이루는 최소단위는 물질이며, 물질을 기계에 이용하면 재료로서 취급한다. 재료는 금속과 비금속으로 나무며, 화학적 조성에 따라 성질에 변화가 생기며, 화학적 성질이 같아도 기계적 가공 방법에 따라 기계적 성질 및 물리적 성질에 변화가 발생한다.

1. 하중의 작용방식에 따라 다르다.

2. 물체의 형상에 따라 동일한 하중에 대한 영향이 다르게 나타난다.

3. 사용하는 환경조건에 따라 기능 및 수명이 변한다.

순 금속 과 합금의 공통점

1. 강도가 크다.

2. 순금속일 경우 가공변형이 쉽다.

3. 비중이 크다.

4. 광택이 있다.

5. 열 및 전기의 전도체이다.

6. 상온에서 고체이며 결정을 형성한다.

1.2 재료 선택의 인자

항공기의 경우 가벼워야 되기 때문에 비중이 낮은 알루미늄과 마그네슘이 사용된다.

1. 기계적 성질 : 경도, 경도, 충격강도, 피로, 마모, 열적 변화

2. 물리적 성질 : 비중, 열전도도, 비열, 용해도, 열팽창계수, 전기전도도, 자성 3. 화학적 성질 : 내열성, 부식 4. 제작상 성질 : 주조성, 소성, 용접성, 절삭성

재료의 기계적, 물리적, 화학적 성질이 우수해도 제작상 성질이 좋지 않으면 재료로서 사용할 수 없다.

1.3 기계재료의 변형

1.3.1 크리프

재료에 외력을 일정하게 하고 일정온도로 하중을 가하면 변형은 시간과

함께 증가하여 크리프 현상이 나타나게 된다. 또한 응력과 온도가 크면

크리프에 의한 재료의 수명은 짧아진다.

1.3.2 탄성 여효

재료에 외력이 작용하면 내부 변형이 발생. 외력이 작으면 하중 제거 후에도

변형되기 전 상태로 돌아가고 변형은 없어져서 탄성변형을 나타남.

외력이 증가되면 재료는 항복하여 외력이 제거되어도 원래의 상태로 돌아가지

않고 영구변형이 생김. 이러한 영구변형을 소성변형이라고 한다.

1.3.3 응력 변형률 선도

재료의 소성변형을 알기 위해 가장 많이 사용하는 방법이 인장시험

문제 풀이

1. 문패를 만들려고 한다. 재료를 결정하고, 결정한 이유를 설명하시오.

2. KS에 규정되어 있는 시험편의 규격을 조사하시오.

3. 응력-변형률 곡선을 그리고 설명하시오.

4. 연성과 취성에 대하여 설명하시오.

5. 표창을 가공하고자 한다. 표창을 만들기 위한 재료를 선택하고 소성가공

중

어떤 가공방법을 사용할 것인지 결정하시오.

6. 5번 문제의 소성가공법을 선택한 이유를 쓰시오.

2. 재료의 구조

2.1 재료의 성질

기계를 구성하고 있는 재료는 고체, 액체, 기체

-고체는 원자 및 분자

- 분자들은 원자로 구성

- 원자는 전자, 알파입자, 중성자, 양자로 구성

1) 기계적 성질 : 응력 연율특성, 충격, 피로, 마모, 크리프, 치수안정도, 크랙

2) 전기적 성질 : 저항, 전열파과강도, 도전율, 유전율

3) 자기적 성질 : 보자력, 포화자속 밀도, 이력곡선

4) 열적 성질 : 저온취성, 열전도율, 열팽창, 비열

5) 화학적 성질 ; 흡착, 산화, 노화, 내식성

2.2 원자

원자의 크기는 10-12cm, 원자핵을 주위를 전자가 돌고 있다.

원자라는 용어는 물질의 궁극적인 입자

원자의 영어명인 atom, 화학적 방법으로 더 이상 나눌 수 없는 물질

원자의 종류는 원자번호로 표시

수소(1번)에서 부터 우라늄(92) 까지는 지구상에 천연상태로 존재

물질 속에서 독립된 입자로 행동하는 원자들의 집합체를 분자

- 단원자 분자 : 수소(H2), 산소(O2)

- 혼합분자 : 물분자(H2O), 암모니아(NH3)

원자는 하나의 원자핵과 그것을 둘러싼 하나 또는 두 개 이상의

전자로 구성

원자핵의 크기는 10-14cm, 전자군은 원자핵을 중심으로 지름이 대략

10-10m영역에 존재

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어짐

양성자와 중성자는 질량이 비슷하고, 양성자는 양의 소전하, 중성자는

전하를 갖지 않는다.

양성자와 중성자의 합은 질량수, 원자질량 단위로 표시한 원자의 질량과

같음

원자번호가 같고 질량수가 다른 원자를 동위원소

질량수가 같고 원자번호가 다른 원자를 동중원소라고 함

빛은 전자기파의 일종이며 광전효과처럼 물질과 상호작용을 할 때

양자적인 행동을 함

주양자수 n에 의해 에너지의 크기가 결정

에너지가 낮은쪽부터 높은 쪽으로 n= 1, 2, 3, 4, …….

방위양자수 l은 전자의 각운동량의 크기 ㅣ =(0, 1, 2, 3…….)에 대응하여

고유상태를 s, p, d, f의 기호로 표시

원자내의 전자는 그 수가 증가함에 따라 낮은 안쪽으로 부터 차례로 채워져

가기 때문에 각 셀에 포함되는 상태수는 K셀에 2개, L셀에 8개, M셀에 18개

2.3 재료의 미세원자

재료의 성질은 원자의 미세구조와 관련이 있고, 미세구조는 물질이

분자 및 원자일 때 미소원자의 집합체이며, 재료의 성질을 이해하기

위해서는 원자의 결합력에 대한 전자구조를 알아야 한다.

모든 원자는 한 개의 원자핵과 전자로 구성

원자의 구성에 따라 전자는 원자핵의 주변의 궤도를 따라 운동

전자는 단위량의 –전하를 갖는 입자이며 전기적으로 중성인 원자에

있어서 원자핵은 원자가 갖고 있는 핵외 전자수 만큼 +전하를 갖음

2.4 보어의 원자핵 구조

1913년 보어가 제창한 원자구조 원자스펙트럼의 이론에 근거한 원자모형

원자의 중심부에 원자핵이 있고 그 주위에 전자가 궤도 운동을 함

1. 원자핵 주위의 전자는 복사를 방출하지 않으면서도 특정한 원형 궤도들을 따라 핵 주위를 돌 수 있다. 이러한 궤도들을 원자의 불연소적인 정상상태 2. 주어진 궤도상에서 원자핵 주위를 운동하는 전자의 각운동량이 H= 1/2π, h는 프랑크 상수의 정수배가 되는 그러한 정상 상태만이 허용 3. 전자의 에너지가 낮은 셀에서 에너지가 높은 셀로 전이할 때에는 에너지를 흡수하고, 에너지가 높은 셀에서 에너지가 낮은 셀로 전이할 때는 에너지를 방출

보어의 양자가설은 양자 조건에 대한 가설과 진동수 조건에 대한

첫 번째 가설이며 양자 조건은 원자내의 전자는 특정한 조건을 만족하는

궤도에서만 회전할 수 있으며, 전자가 이 궤도를 따라 운동할 때에는

전자기파를 방출하지 않음

두 번째 가설은 진동수 조건은 전자파가 정상 상태에서 다른 정상 상태로

전이할 때 두 상태의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 광자로 방출하거나

흡수한다는 것으로 보어의 진동수 조건이라고 한다.

톰슨의 원자 모형

원자 속에 골고루 퍼져 있는 양성자 사이에 전자가 여기저기 박혀

있는 푸딩 모형을 제안

러더퍼드 원자 모형

러더퍼드는 방사능 물질에서 나오는 알파선이 얇은 박판을 통과하는

실험을 하여 원자핵의 존재를 알아내고 양전하를 띠고 있는 원자핵

주위를 전자가 돌고 있는 원자모형을 제안

1. 기계재료의 기계적 성질을 쓰고 각각에 대하여 설명하시오.

2. 기계재료의 전기적 성질 쓰고 각각에 대하여 설명하시오.

3. 기계재료의 자기적 성질을 쓰고 각각에 대하여 설명하시오.

4. 기계재료의 열적 성질을 쓰고 각각에 대하여 설명하시오.

5. 기계재료의 화학적 성질을 쓰고 각각에 대하여 설명하시오.

6. 재료의 열전도도와 열팽창계수의 관계를 설명하시오.

7. 보어의 원자핵 구조에 대하여 설명하시오.

연습 문제